Низковольтный AC источник питания: Компоненты схемы сдвига фазы и лучшие практики

Детали и материалы

• Низковольтный источник переменного тока
• Два конденсатора по 0,1 мкФ каждый, неполярные (Radio Shack #272-135)
• Два резистора 27 кОм

Рекомендую керамические дисковые конденсаторы, так как они нечувствительны к полярности (неполярные), недороги и долговечны. Избегайте конденсаторов с любой маркировкой полярности — они будут уничтожены при питании от переменного тока!

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, chapter 1: «Basic AC Theory»

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, chapter 4: «Reactance and Impedance—Capacitive»

Цели обучения

• Как противофазные напряжения переменного тока не складываются алгебраически, а согласно векторной (фазорной) арифметике

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Соберите схему и измерьте падения напряжения на каждом компоненте вольтметром переменного тока. Измерьте общее (питающее) напряжение тем же вольтметром. Вы обнаружите, что падения напряжения не складываются в сумму, равную общему напряжению. Это связано со сдвигами фаз в цепи: напряжение на конденсаторах противофазно напряжению на резисторах, поэтому значения не складываются так, как можно ожидать. Учитывая угол фазы, они дают в сумме общее напряжение, но вольтметр не дает измерений фазы, только амплитуду.

Попробуйте измерить падение напряжения на обоих резисторах сразу. Это падение будет равно сумме падений, измеренных на каждом резисторе отдельно. Это говорит о том, что формы волн падения напряжения на резисторах в фазе друг с другом, так как они складываются просто и напрямую.

Измерьте падение напряжения на обоих конденсаторах сразу. Это падение, как и падение на двух резисторах, будет равно сумме падений, измеренных на каждом конденсаторе отдельно. Точно так же это говорит о том, что формы волн падения на конденсаторах в фазе друг с другом.

Учитывая, что частота источника питания 60 Гц (частота бытовой сети в США), рассчитайте импедансы всех компонентов и определите все падения напряжения по закону Ома (E=IZ; I=E/Z; Z=E/I). Полярные величины результатов должны близко совпадать с показаниями вольтметра.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Два резистора большого значения R_bogus1 и R_bogus2 соединены параллельно конденсаторам для обеспечения пути постоянного тока к земле, чтобы SPICE мог работать. Это «исправление» для одной из особенностей SPICE, чтобы избежать восприятия конденсаторов как разомкнутых цепей в его анализе. В реальной схеме эти резисторы полностью излишны.

Нетлист (создайте текстовый файл со следующим текстом, дословно):

phase shift
v1 1 0 ac 12 sin
r1 1 2 27k
r2 2 3 27k
c1 3 4 0.1u
c2 4 0 0.1u
rbogus1 3 4 1e9
rbogus2 4 0 1e9
.ac lin 1 60 60
* Voltage across each component:
.print ac v(1,2) v(2,3) v(3,4) v(4,0)
* Voltage across pairs of similar components
.print ac v(1,3) v(3,0)
.end

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• AC Power Worksheet
• AC phase Worksheet