Quan observes com funciona un circuit elèctric amb voltatge alterna, trobes alguna cosa interessant. Les resistències, els condensadors i els inductors canvien la manera com actua el circuit. La impedància, la reactància i la diferència de fase comencen a importar molt. El voltatge alterna i l'anàlisi de circuits t'ajuden a veure com funcionen aquestes parts juntes. Les eines avançades de disseny i simulació de PCB fan que la teva feina sigui més fàcil i millor.
Consell: Les eines de simulació us poden ajudar a trobar problemes abans de construir un circuit real.
Sortides de claus
El voltatge de CA va endavant i endarrere. Això no és com el voltatge de CC. Saber això t'ajuda a entendre com funciona l'electricitat a les llars i a les botigues.
La impedància es composa de la resistència i la reactància en els circuits de corrent altern. Sempre cal comprovar la impedància. Això ajuda a no cometre errors quan estudiem els circuits.
Els condensadors i els inductors canvien el corrent i el voltatge de maneres diferents. Els condensadors fan que el corrent vingui abans del voltatge. Els inductors fan que el corrent vingui després del voltatge.
Eines de simulació com OrCAD, PSpice us permet provar primer els circuits. Això us ajuda a estalviar temps. També us ajuda a cometre menys errors en els vostres dissenys.
Hauries de seguir bones normes a l'aire condicionat disseny de circuitsFeu servir el control d'impedància correcte i comproveu la fiabilitat. Això fa que els vostres circuits funcionin millor i durin més.
Conceptes bàsics de voltatge de CA
Què és el voltatge de CA
Tu utilitzes tensió alterna tot el temps. Potser no ho noteu. El voltatge de CA significa que el corrent canvia de direcció. Va endavant i endarrere. El corrent continu només es mou en una direcció. El voltatge de CA canvia de direcció moltes vegades. Això fa que el voltatge de CA sigui diferent. Trobeu voltatge de CA a les llars i a les empreses.
Aquí teniu una taula que mostra com el voltatge de corrent altern i el voltatge de corrent continu no són el mateix:
Propietat | Voltatge AC | Tensió de corrent continu |
|---|---|---|
Direcció del flux | Canvis entre positiu i negatiu | Va en una direcció. |
Forma d'ona | Té forma d'ona | Es manté igual |
Freqüència | Depèn d'on visquis | Sense freqüència, es manté estable |
Aplicacions | Bo per enviar energia lluny | S'utilitza per a dispositius i bateries |
Emmagatzematge d'energia | No s'utilitza per emmagatzemar energia | S'utilitza en bateries i circuits |
Canvi de fase | Canviat per inductors i condensadors | Sense canvi de fase |
El voltatge de CA puja i baixa seguint un patró. Canvia entre positiu i negatiu. El voltatge de CA té freqüència i amplitud. S'utilitza per enviar electricitat lluny perquè funciona amb transformadors. El voltatge de CC es manté igual i s'utilitza en bateries i ports USB.
Ona sinusoidal i Vrms
La majoria de tensions de corrent altern segueixen una ona sinusoidal. L'ona sinusoidal puja fins a un punt alt, baixa fins a zero, baixa fins a un punt baix i torna a zero. Podeu utilitzar una equació matemàtica per mostrar la tensió de corrent altern:
V(t) = Vp * sin(2πft)
Vp és el voltatge més alt. f és la freqüència. t és el temps. El voltatge màxim és el valor més gran. Vrms s'utilitza per mesurar el voltatge de CA. Vrms indica la intensitat del voltatge de CA. T'ajuda a calcular la potència.
Vrms es troba fent l'arrel quadrada de la mitjana dels valors elevats al quadrat.
Per a una ona sinusoidal, Vrms = 0.7071 x Vpeak.
Exemple: Si el voltatge màxim és de 25 volts, Vrms = 0.7071 x 25V = 17.68V.
Vrms permet comparar el voltatge de CA amb el voltatge de CC. Mostra quanta calor es genera en una resistència.
Exemples de CA del món real
Veieu voltatge de corrent altern cada dia. Alimenta els llums, els electrodomèstics i els ordinadors. El voltatge de corrent altern fa funcionar la nevera, el televisor i l'aire condicionat. Les fàbriques utilitzen voltatge de corrent altern per a màquines grans. Molts llocs utilitzen voltatge de corrent altern trifàsic. Proporciona energia constant i funciona per a càrregues pesades.
El voltatge de corrent altern s'utilitza per a llums i electrodomèstics.
Les fàbriques utilitzen voltatge altern per a les màquines.
El voltatge de corrent altern trifàsic s'utilitza per a una potència estable a les indústries.
Nota: El voltatge altern ajuda a enviar l'electricitat lluny sense perdre gaire energia. Les línies elèctriques utilitzen voltatge altern en lloc de voltatge continu.
Fas servir voltatge altern a casa, a l'escola i a la feina. Conèixer el voltatge altern t'ajuda a entendre com es mou i alimenta les coses l'electricitat.
Generació de tensió CA
Llei de Faraday
Pots aprendre com es genera el voltatge altern utilitzant la llei d'inducció de Faraday. Aquesta llei diu que moure una bobina a prop d'un camp magnètic crea corrent elèctric al cable. En un generador, la bobina gira dins del camp magnètic. Quan la bobina gira, talla les línies magnètiques. Això fa que el voltatge de la bobina canviï. El voltatge puja i baixa de manera suau. Crea una ona sinusoidal. És per això que el voltatge d'un generador és corrent altern (CA). La llei de Faraday és la raó per la qual tots els generadors de CA funcionen a les centrals elèctriques i a les llars.
Recorda: si la bobina gira més ràpid, obtindràs més voltatge.
Principis del generador
Podeu trobar generadors a les centrals elèctriques i en alguns cotxes. Aquestes màquines utilitzen la inducció electromagnètica per generar electricitat. Així és com funcionen:
Un generador de corrent altern, o alternador, té una bobina giratòria anomenada rotor i un imant anomenat estator.
El rotor gira i es mou a través del camp magnètic de l'estator.
Aquest moviment crea voltatge a la bobina.
Quan el rotor continua girant, el voltatge canvia de direcció. Això fa que el corrent vagi endavant i endarrere.
Un generador és una màquina que converteix l'energia de rotació en energia elèctrica. Michael Faraday va descobrir com funciona això, i encara fem servir la seva idea. Els generadors poden produir corrent altern o continu, però la majoria de centrals elèctriques utilitzen corrent altern. El corrent altern és millor per enviar electricitat a gran distància.
Consell: La manera com està construït el generador determina si rebeu alimentació de CA o CC.
Conceptes d'anàlisi de circuits de corrent altern
Per entendre els circuits de corrent altern, cal saber tres coses. Aquestes són la impedància, la reactància i la diferència de fase. Aquestes idees mostren per què els circuits de corrent altern no són com els circuits de corrent continu. Les feu servir per resoldre problemes reals en electrònica.
Impedància vs Resistència
En els circuits de corrent altern, es tracta de més coses que resistència. La resistència és simple. Mostra com una resistència alenteix el corrent. La impedància és més difícil d'entendre. Barreja resistència i reactància. La reactància prové dels condensadors i els inductors. La impedància indica com funcionen totes aquestes parts en els circuits de corrent altern.
Aquí teniu una taula que mostra com es relacionen la impedància, la resistència i la reactància:
Component | Fórmula |
|---|---|
Impedància (Z) | Z = √(R² + (1/ωC)²) |
Resistència (R) | R (part real de Z) |
Reactància capacitiva (XC) | XC = 1/(ωC) |
La impedància és com un obstacle per al corrent altern. Té una part real anomenada resistència. També té una part imaginària anomenada reactància. Quan feu anàlisis de circuits, heu d'utilitzar la impedància. Si només utilitzeu la resistència, obtindreu la resposta incorrecta. Molta gent oblida comprovar la impedància de cada part. Això provoca errors en els circuits de corrent altern.
Consell: Comproveu sempre la impedància de cada part abans de simplificar el circuit. Això evitarà que confongueu la resistència, la inductància i la capacitança.
Tipus de reactància
La reactància forma part de la impedància. Prové dels condensadors i els inductors. La reactància canvia com es mou el corrent altern en un circuit. Hi ha dos tipus principals de reactància.
La reactància inductiva fa que el corrent vagi endarrerit respecte al voltatge. Això es veu en bobines i inductors.
La reactància capacitiva fa que el voltatge vagi endarrerit respecte al corrent. Això es veu en els condensadors.
Aquí teniu una taula que mostra què fa cada tipus de reactància en els circuits de corrent altern:
Tipus de reactància | Efecte sobre el corrent i el voltatge | Relació de fase |
|---|---|---|
Reactància inductiva | El corrent està endarrerit respecte al voltatge | Voltatge que condueix al corrent a 90º |
Reactancia Capacitiva | El voltatge va endarrerit respecte al corrent | Voltatge dels cables de corrent a 90º |
Podeu utilitzar fórmules per trobar la reactància:
Component | Fórmula |
|---|---|
Reactancia Capacitiva | XC = 1 / (2πfC) |
Reactància inductiva | XL = 2πfL |
Els condensadors i els inductors no actuen igual en els circuits de corrent altern. Els condensadors combaten els canvis de voltatge. Absorbeixen o donen corrent a mesura que es carreguen o perden càrrega. Els inductors combaten els canvis de corrent. Mantenen l'energia en un camp magnètic. Heu d'utilitzar la fórmula correcta per a cada part quan feu l'anàlisi.
Nota: Si barregeu els tipus de reactància o feu servir la fórmula incorrecta, l'anàlisi del circuit no funcionarà.
Diferència de fase
La diferència de fase és important en els circuits de corrent altern. Mostra quanta corrent i voltatge no estan en pas. En una resistència, el voltatge i el corrent es mouen junts. En els circuits amb reactància, no es mouen junts.
Si l'angle de fase és zero, el voltatge i el corrent coincideixen. Obteniu la màxima potència.
Si l'angle de fase no és zero, es perd una mica d'energia. Això passa amb els inductors i els condensadors.
Si l'angle de fase és de 90°, no es dóna cap potència neta. L'energia simplement es mou endavant i endarrere.
La diferència de fase canvia la quantitat d'energia que rebeu. Quan dissenyeu o repareu circuits de corrent altern, heu de tenir en compte les diferències de fase. Això us ajuda a estalviar energia i a mantenir els vostres dispositius funcionant correctament.
Consell: Comproveu sempre la relació de fase quan feu l'anàlisi de circuits. Això us ajuda a trobar problemes abans que empitjorin.
Millors pràctiques per a l'anàlisi de circuits de corrent altern
Podeu evitar errors comuns en circuits de corrent altern seguint aquests passos:
Utilitzeu sempre nombres complexos per trobar la impedància.
Comproveu la impedància de cada part abans de simplificar el circuit.
Utilitzeu diagrames de blocs per planificar el vostre circuit i agrupar les parts.
Col·loqueu condensadors de desacoblament i bypass a prop de les fonts d'alimentació per aturar el soroll.
Utilitzeu resistències de pull-up i pull-down per mantenir els nivells lògics estables.
Trieu les peces consultant les fitxes tècniques i assegurant-vos que no siguin antigues.
Prova el teu circuit amb eines de simulació abans de construir-lo.
Escriu la teva feina perquè els altres puguin entendre i solucionar els problemes.
Si seguiu aquests passos, l'anàlisi del vostre circuit de corrent altern serà millor. Fareu millors circuits i solucionareu problemes més ràpidament.
Resistències en circuits de CA
Impedància de la resistència
Quan poses un resistència en un circuit de corrent altern, actua de manera senzilla. La impedància d'una resistència sempre és la mateixa que la seva resistència. La freqüència no canvia el funcionament de la resistència. A la resistència no li importa si el senyal de corrent altern és ràpid o lent. Podeu utilitzar una resistència amb qualsevol font de corrent altern i el seu valor es manté igual.
La impedància d'una resistència en circuits de corrent altern és simplement la seva resistència.
Si utilitzeu una resistència de 10 ohms, la impedància és de 10 ohms a cada freqüència.
La resistència no causa cap canvi de fase en el senyal de corrent altern.
Podeu escriure la impedància com Z = 10 + j0 ohms per a una resistència de 10 ohms.
Les resistències ajuden a controlar el corrent en els circuits de corrent altern. També ajuden a establir els nivells de voltatge. La resistència funciona de la mateixa manera tant en circuits de corrent altern com de corrent continu. No cal pensar en la freqüència quan trieu una resistència per al vostre projecte de corrent altern.
Consell: Quan dissenyeu circuits de corrent altern, podeu confiar que la resistència actuarà igual cada vegada.
Fase en CA
Hauries de saber com afecta la resistència la fase del voltatge i el corrent en els circuits de corrent altern. La resistència manté el voltatge i el corrent junts. Pugen i baixen alhora. No hi ha retard entre elles. Això fa que les resistències siguin diferents dels condensadors i els inductors.
Component | Relació de fase |
|---|---|
Resistència | El voltatge i el corrent estan en fase (0 graus) |
Condensador | Voltatge dels cables de corrent de 90 graus |
Inductor | El corrent té un retard de 90 graus respecte al voltatge |
Aquí teniu una manera fàcil de recordar-ho. En una resistència, el voltatge i el corrent coincideixen. En un condensador, el corrent ve primer. En un inductor, el corrent ve després. Algunes persones utilitzen "ELI the ICE man" per recordar aquestes regles de fase.
En circuits de corrent altern amb només resistències, s'obté la màxima potència.
No perds energia a causa dels canvis de fase.
La resistència facilita l'anàlisi, ja que no cal calcular els angles de fase.
Pots utilitzar resistències per fer circuits de corrent altern senzills. També les pots barrejar amb condensadors i inductors per construir filtres i altres dissenys interessants.
Condensadors en circuits de corrent altern
Reactancia Capacitiva
Quan poses un condensador en un circuit de corrent altern, actua de manera diferent que una resistència. El condensador bloqueja alguns senyals de corrent altern però deixa passar altres senyals. Aquest bloqueig s'anomena reactància capacitiva. Pots canviar la intensitat del bloqueig del condensador canviant la freqüència o la mida del condensador.
Podeu utilitzar una fórmula per trobar la reactància capacitiva:
Variable | Descripció |
|---|---|
XC | Reactància capacitiva en ohms (Ω) |
f | Freqüència del corrent altern en hertzs (Hz) |
C | Capacitància en farads (F) |
Fórmula | XC = 1 / (2π f C) |
Si augmenteu la freqüència, la reactància capacitiva disminueix. Si feu servir un condensador més gran, la reactància també disminueix. Els senyals de CA d'alta freqüència passen fàcilment pel condensador. Els senyals de CA de baixa freqüència queden bloquejats pel condensador. Això s'utilitza per fer un filtre de pas baix. Un filtre de pas baix deixa passar els senyals de baixa freqüència i atura els senyals d'alta freqüència. Veieu filtres de pas baix a les ràdios i als sistemes d'àudio. Podeu construir un filtre de pas baix amb una resistència i un condensador.
Consell: Podeu canviar el punt de tall d'un filtre de pas baix triant un condensador diferent.
Fase de voltatge-corrent
Hauries de saber com actuen el voltatge i el corrent en un condensador. En els circuits de corrent altern, el corrent arriba al seu punt més alt abans que el voltatge. El corrent avança el voltatge 90 graus. Aquest canvi de fase canvia el funcionament del circuit.
Aquí teniu una taula que mostra com canvia el canvi de fase amb la freqüència:
Rang de freqüència | Canvi de fase | Comportament del circuit |
|---|---|---|
Baixes Freqüències | S'aproxima a 90° | Dominat pel condensador |
Altes Freqüències | S'aproxima a 0° | Es comporta com una resistència pura |
A baixes freqüències, el condensador controla el circuit de corrent altern. El canvi de fase és proper als 90 graus. A altes freqüències, el condensador actua més com una resistència. El canvi de fase es fa més petit. Aquest canvi de fase s'utilitza per dissenyar filtres de pas baix. El filtre de pas baix utilitza la diferència de fase per bloquejar els senyals que no es volen. Els condensadors ajuden a suavitzar els canvis de voltatge i eliminar el soroll. Es troben condensadors a gairebé tots els dispositius de corrent altern. Els s'utilitzen per fer filtres de pas baix per a altaveus, ràdios i ordinadors.
Nota: Podeu provar el canvi de fase amb un oscil·loscopi. Veureu el pic de corrent abans del pic de voltatge en un condensador.
Inductors en circuits de CA
Reactància inductiva
Quan es col·loca un inductor en un circuit de corrent altern, aquest combat els canvis de corrent. Això no és el mateix que fa una resistència. La resistència de l'inductor s'anomena reactància inductiva. La reactància inductiva depèn de la freqüència i de la mida de l'inductor. Si la freqüència augmenta, l'inductor bloqueja més corrent. Un inductor més gran també bloqueja més corrent.
Podeu utilitzar aquesta taula per veure com trobar la reactància inductiva:
Fórmula de la reactància inductiva | Descripció |
|---|---|
X_L = 2πfL | Fórmula per trobar la reactància inductiva en circuits de corrent altern, on X_L és la reactància inductiva, f és la freqüència i L és la inductància. |
Si augmentes la freqüència, l'inductor bloqueja encara més corrent. És per això que els inductors són bons per aturar senyals d'alta freqüència. Els senyals de baixa freqüència encara poden passar. Sovint s'utilitzen inductors en filtres de corrent altern i fonts d'alimentació.
Consell: Els inductors permeten triar quins senyals es poden moure pel circuit de corrent altern.
Fase de corrent-tensió
Els inductors canvien la manera com es mouen el corrent i el voltatge en els circuits de corrent altern. Quan s'utilitza corrent altern, el corrent no coincideix amb el voltatge. En un inductor, el corrent va 90 graus després del voltatge. Quan el voltatge és més alt, el corrent encara és zero. Quan el voltatge cau a zero, el corrent és més alt.
Aquesta diferència de fase és important. Mostra com l'inductor emmagatzema energia. L'inductor manté l'energia en un camp magnètic quan el corrent canvia. Més tard, retorna aquesta energia al circuit. Això es veu en coses com transformadors i motors.
Els inductors mantenen l'energia quan el corrent canvia.
El corrent sempre va després del voltatge en un inductor.
Aquest retard us ajuda a construir circuits que controlen la sincronització o filtren senyals.
Si mireu un oscil·loscopi, veureu que l'ona de voltatge arriba abans que l'ona de corrent per un quart de cicle. Aquesta diferència de fase és una part important de com funcionen els circuits de corrent altern amb inductors.
Nota: Conèixer el canvi de fase entre el corrent i el voltatge us ajuda a fer millors circuits de corrent altern i a aturar la pèrdua d'energia.
Disseny i simulació de PCB per a circuits de corrent altern
Eines de simulació
Podeu utilitzar eines de simulació per ajudar amb l'anàlisi de corrent altern. Aquestes eines faciliten la vostra feina i la fan més correcta. OrCAD PSpice us permet provar el vostre circuit abans de construir-lo. Podeu comprovar com funciona el vostre filtre amb diferents senyals. OrCAD PSpice us ofereix moltes maneres d'executar anàlisis de corrent altern. Podeu veure com funciona el vostre disseny amb peces analògiques i digitals. Això us ajuda a trobar problemes aviat i a solucionar-los.
Consell: Els resultats de la simulació s'acosten a les mesures reals. La majoria de les vegades, els resultats coincideixen en més del 90%. Només un 10% és diferent.
Podeu utilitzar aquestes eines per provar dissenys de filtres. Podeu canviar els valors i veure què passa ràpidament. Això us estalvia temps i diners. No cal construir molts circuits de prova. També podeu seguir les normes de la indústria en el vostre disseny. Això us ajuda a evitar problemes amb interferències electromagnètiques. Les bones eines de simulació us ajuden a prendre millors decisions per al disseny i l'anàlisi de circuits impresos.
Fiabilitat en el disseny de l'aire condicionat
Voleu que el vostre circuit de corrent altern duri molt de temps. Podeu utilitzar comprovacions de fiabilitat per provar el vostre disseny. Aquí teniu una taula que mostra algunes comprovacions importants:
Mètric | Descripció |
|---|---|
MTTF | Temps mitjà de fallada, per a coses que no es poden reparar |
MTBF | Temps mitjà entre fallades, per a coses que podeu reparar |
Fatiga del cicle tèrmic | Fallada per cicles d'escalfament i refredament en unions de soldadura |
Vibració mecànica | Fallada per tremolors o peces mòbils |
Fallada de xoc | Fallada per impactes sobtats a les unions de soldadura |
Fractura de forat passant xapat | Trencaments en els forats que connecten les capes de la PCB |
Podeu utilitzar passos de disseny intel·ligents per fer que els circuits de corrent altern siguin més forts. Aquí teniu algunes maneres de reduir la pèrdua de senyal i aturar les interferències:
El control d'impedància manté els senyals estables i atura les reflexions.
La reducció d'EMI utilitza una bona connexió a terra i blindatge per bloquejar el soroll.
La gestió de discontinuïtat d'impedància atura els problemes de senyal, especialment en circuits de filtre ràpids.
També heu de seguir les normes d'espaiat i alineació. Això manté el vostre disseny segur i fàcil de construir. Quan seguiu aquests passos, el disseny del vostre filtre funcionarà millor i durarà més.
Notes que passen coses especials en circuits de corrent altern amb resistències, condensadors i inductors. Les resistències permeten que el corrent i el voltatge arribin als seus punts més alts junts. Els condensadors fan que el corrent arribi al seu punt més alt abans que ho faci el voltatge. Els inductors fan que el voltatge arribi al seu punt més alt abans que el corrent. Si aprens sobre impedància, reactància i fase, pots fer millors circuits. Això t'ajuda a solucionar problemes i millorar el funcionament dels teus circuits. Pots moure millor l'energia i mantenir els senyals clars. Les eines de simulació i els programes de disseny de PCB t'ajuden a provar circuits de corrent altern. Pots veure com canvia el voltatge i comprovar si el teu circuit durarà. Aquestes eines t'ajuden a fer sistemes elèctrics més segurs i que funcionin millor.
FAQ
Què passa si connectem una resistència, un condensador i un inductor en un circuit?
Crees un circuit que pot filtrar senyals. La resistència controla el corrent. El condensador i l'inductor afegeixen reactància. Pots utilitzar aquesta configuració per estudiar la resposta de freqüència d'un circuit i veure com canvien els senyals a diferents freqüències.
Com funciona un filtre de pas alt en un circuit?
Un filtre de pas alt permet que els senyals d'alta freqüència es moguin pel circuit. Bloqueja els senyals de baixa freqüència. Sovint s'utilitza aquest filtre per eliminar el soroll no desitjat. Podeu construir un filtre de pas alt amb un condensador i una resistència.
Per què cal una anàlisi de freqüència en circuits de corrent altern?
L'anàlisi de freqüència serveix per veure com reacciona un circuit a diferents senyals. Això ajuda a trobar quins senyals passen i quins es bloquegen. Pots comprovar si el teu circuit funciona bé per a música, ràdio o altres usos.
Què és un oscil·lador i per què és important?
Un oscil·lador genera un senyal repetitiu en un circuit. S'utilitza per crear senyals de rellotge, sons o ones de ràdio. El disseny dels circuits oscil·ladors ajuda a controlar el temps i la forma d'aquests senyals.
Com afecta la freqüència el comportament d'un circuit?
La freqüència canvia la manera com actuen els condensadors i els inductors en un circuit. A altes freqüències, els condensadors permeten que flueixi més corrent. Els inductors bloquegen més corrent. Heu de provar el vostre circuit a diferents freqüències per veure com funciona.
