Eenvoudig Wisselstroom Circuit

Wanneer we leren over wisselstroom, kunnen we het eenvoudig begrijpen met een eenvoudig wisselstroom circuit.

Houd er rekening mee dat het AC-circuit voornamelijk sinusvormige golfvormen gebruikt in zijn analyse en berekening.

Voordat we dat doen, moeten we ervoor zorgen dat we een duidelijk idee hebben van wat AC-circuits onderscheidt van DC-circuits.

De basistheorie van het wisselstroom circuit

Een gelijkstroom- of DC-circuit wordt gevoed door een DC-spanning, dus de stroom zal alleen in één richting stromen, van positieve naar negatieve polariteit. Dit circuit zal worden gevoed door de constante spanningsbron.

In de theorie van wisselstroom circuits wordt een AC-circuit gevoed door een AC-spanning, dus de stroom zal stromen van positief naar negatief, en vervolgens van negatief naar positief, zoals we begrepen in Sinusoïdale golfvorm.

Het AC-circuit zal zijn amplitude laten oscilleren tussen positieve waarde, nul en negatieve waarde. Deze oscillatie spanning en stroom wordt herhaald in een specifiek tijdsinterval. Er zijn verschillende golfvormen in een AC-circuit, maar we zullen de sinusoïdale golfvorm bestuderen omdat deze het meest voorkomt.

Nu gaan we een eenvoudig wisselstroom circuit maken, bestaande uit een wisselspanningsbron en een weerstand. Bekijk het onderstaande wisselstroom circuit schema dat bestaat uit een wisselspanningsbron en een weerstand.

De bovenstaande illustratie vertelt ons de richting van de stroom in een wisselstroom circuit. Gedurende een bepaalde tijd zal de stroom van positieve naar negatieve polariteit stromen en vervolgens van negatieve naar positieve polariteit. Dit zal zich van tijd tot tijd herhalen, waardoor een oscillerende golfvorm ontstaat.

Omdat de belasting alleen resistent is, zullen de spanning en stroom dezelfde fase hebben, maar een verschillende amplitude (afhankelijk van de belasting). Het zal een ander verhaal zijn als het circuit inductieve en/of capacitieve belasting heeft. We zullen dit later bestuderen.

Meestal gebruiken we deze twee vergelijkingen om AC-spanning en -stroom weer te geven

De golfvorm herhaalt zich na één periode, of elke interne tijd T = 2π/⍵ is bereikt. De helft van de periode (0 – T/2), de spanning en stroom zullen een positieve waarde hebben en dan hebben ze een negatieve waarde voor de tweede helft van de periode (T/2 – T).

Wisselstroom circuit

Zoals hierboven vermeld, kan een AC-circuit puur resistief, inductief, capacitief of een combinatie van twee of drie daarvan zijn. In tegenstelling tot een DC-circuit waarbij inductief en capacitief de golfvorm niet beïnvloeden, hebben inductieve en capacitieve belasting wel invloed op het AC-circuit.

De stroom heeft mogelijk niet dezelfde fase, vorm of frequentie als de spanning.

Bekijk de sinusvormige golfvorm hieronder om wisselstroom weer te geven.

Uit de bovenstaande golfvorm kunnen we verschillende variabelen afleiden, zoals:

• Amplitude
• Frequentie (f)
• Periode (T)
• Golfvorm
• Cyclus
• Fase
• Enz.

Wanneer de spanning en de stroom tegelijkertijd hun maximale amplitude bereiken, kunnen we concluderen dat de spanning en de stroom in fase zijn.

Niet alleen dat, bij het berekenen van het AC-circuit gebruiken we de RMS-waarde (Root Mean Square) om het makkelijker te maken. Bij gebruik hiervan kan ook de wet van Ohm worden gebruikt.

De wet van Ohm is dus

Wat is het verschil tussen weerstand (R) en impedantie (Z)?

Weerstand biedt weerstand tegen zowel gelijkstroom (DC) als wisselstroom (AC), terwijl impedantie alleen de stroom van wisselstroom tegenwerkt. Dit is het primaire onderscheid tussen impedantie en weerstand.

Nu gaan we leren hoe inductief en capacitief het AC-circuit beïnvloeden.

Eenvoudig wisselstroom circuit met weerstand (R)

Weerstand biedt weerstand, wat een passief elektrisch onderdeel is met als primaire functie het beperken van de stroom van elektrische stroom. Het wordt gemeten in Ohm (Ω). Een AC-circuit dat puur resistief is, zal zijn stroom golfvorm niet vervormd zien in vergelijking met zijn spanning.

Zelfs als de geleidedraad als inductief kan worden beschouwd, kan deze worden genegeerd omdat de waarde ervan erg klein zal zijn in vergelijking met de weerstand. De weerstand wordt gebruikt om de elektrische stroom te regelen, reguleren en controleren.

De weerstandswaarde blijft constant, ongeacht de frequentie, in tegenstelling tot inductor en condensator.

Ten slotte zal een puur resistief AC-circuit zijn spanning en stroom in fase hebben.

Eenvoudig wisselstroom circuit met weerstand en inductor (RL)

Inductor levert inductie, wat een component is dat elektriciteit kan opslaan en vrijgeven in de vorm van een magnetisch veld. Een AC-circuit dat inductief is, zal zijn stroom golfvorm vervormd hebben in vergelijking met zijn spanning.

In een AC-circuit met RL-belasting wordt de back-EMK (elektromotorische kracht) gegenereerd in de inductor (aangezien het een spoel is). Het heeft enige tijd nodig om deze volledig op te laden met een magnetisch veld.

De inductieve reactantie en inductantie hebben een relatie zoals hieronder weergegeven.

Waarbij:
X_L = inductieve reactantie, gemeten in Ohm (Ω)
f = frequentie, gemeten in Hertz (Hz)
L = inductantie, gemeten in Henry (H)

Wanneer het circuit inductief is, loopt de spanning voor op de stroom.

Eenvoudig wisselstroom circuit met weerstand en condensator (RC)

Condensator levert capaciteit, wat een component is dat elektriciteit kan opslaan en vrijgeven in de vorm van elektrische ladingen. Een AC-circuit dat capacitief is, zal zijn huidige golfvorm vervormd hebben in vergelijking met zijn spanning.

De capaciteitswaarde wordt beïnvloed door de frequentie. De capacitieve reactantie en capaciteit hebben een relatie zoals hieronder weergegeven.

Waarbij:
X_C = capacitieve reactantie, gemeten in Ohm (Ω)
f = frequentie, gemeten in Hertz (Hz)
C = capacitief, gemeten in Farad (F)

Wanneer het circuit capacitief is, loopt de spanning achter op de stroom.

Eenvoudig wisselstroom circuit met weerstand, spoel en condensator (RLC)

Dit type AC-circuit heeft resistieve, inductieve en capacitieve belastingen. Deze drie kunnen in serie, parallel of in combinatie worden aangesloten. Omdat ze worden gecombineerd, krijgen we zowel de voor- als nadelen ervan. Dit AC-circuit heeft een vervormde stroom golfvorm in vergelijking met de spanning.

Dit circuit bestaat uit een weerstand met resistieve eigenschappen, een inductor die als een spoel werkt en een condensator die capaciteit aan het circuit geeft.

Wisselstroom Circuit Analyse

Wisselstroom Circuit Analyse bestaat uit de spanning, stroom, impedantie, fasor en gemiddeld vermogen.

Om onze analyse gemakkelijker te maken, kunnen we het aanvullende AC-circuit formulier hieronder gebruiken. Probeer nu alle hier vermelde vergelijkingen te onthouden om later door te gaan met hun toepassingen.

Impedantie

Fasehoek van een AC-circuit (RLC-circuit)

Gemiddeld vermogen dat door de weerstand wordt gedissipeerd

Houd er rekening mee dat het analyseren van een AC-circuit niet zo eenvoudig is als het gebruiken van een bekende formule. Om zowel spanning als stroom te berekenen, heb je steady-state-analyse, fasor en enkele geavanceerde theorieën nodig, zoals Fourier-reeksen. Dit is een van de nadelen van wisselstroom, er is een geavanceerde techniek nodig om het te analyseren.

Verder kunnen we natuurlijk geen elektrisch apparaat bedienen als het gevoed moet worden door DC-spanning, zoals een batterij.

We zullen dit later leren.