Tri základné parametre-Odpor, indukčnosť a kapacita

Rezistory (R), induktory (L) a kondenzátory (C) sú tri primárne komponenty a parametre jadra vo všetkých obvodoch. Žiadny elektrický obvod nemôže fungovať bez aspoň jedného z nich. Stojí za zmienku, že ideálne prvky obvodu sa líšia od skutočných fyzických komponentov. Prvok obvodu je zjednodušený ideálny model navrhnutý tak, aby predstavoval špecifickú elektrickú charakteristiku fyzického zariadenia. Stručne povedané, štandardizované symboly sa používajú v schémach zapojenia na vyjadrenie elektrických vlastností skutočných zariadení a komponentov. Napríklad vykurovacie zariadenia, ako sú odporové záťaže, elektrické pece a vykurovacie tyče, môžu byť všetky reprezentované modelom odporového prvku v analýze obvodu.

 

Napriek tomu niektoré elektrické zariadenia nemožno modelovať iba jedným prvkom obvodu. Typickým príkladom je vinutie motora. V podstate cievkové štruktúry, vinutia môžu byť reprezentované induktorom. Prichádzajú však aj s prirodzeným odporom. Z tohto dôvodu musí byť pridaný odpor, ktorý odráža túto odporovú vlastnosť. Preto sa pri zostavovaní modelu obvodu pre vinutia motora vyjadrujú ako sériová kombinácia odporu a indukčnosti.

 

Odpor je najjednoduchší a najintuitívnejší elektrický parameter. V súlade s Ohmovým zákonom je jeho výpočtový vzorec (R=U/I). V obvode odpor pôsobí ako prekážka toku prúdu. Čím vyššia je hodnota odporu, tým silnejšia je inhibícia elektrického prúdu. Pretože charakteristiky odporu sú relatívne jednoduché, prejdeme k rozpracovaniu indukčnosti a kapacity.

 

1. Čo je indukčnosť a kapacita?

Ako je uvedené vyššie, indukčnosť a kapacita, rovnako ako odpor, sú základnými parametrami a komponentmi obvodu, ale prijímajú rôzne jednotky merania.

 

Indukčnosť je označená písmenomL, s jednotkou henry (H). Definuje schopnosť cievky generovať magnetické pole. Inými slovami, keď vstupný prúd zostáva konštantný, cievka s väčšou indukčnosťou vytvorí silnejšie magnetické pole. Na porovnanie, odpor charakterizuje odpor komponentu voči prúdu. Pri stálom napätí vyšší odpor vedie k nižšiemu prevádzkovému prúdu.

 

Kapacita je označená písmenomC, merané vo faradoch (F). Popisuje schopnosť kondenzátora uchovávať elektrický náboj a elektrickú energiu. Pri konštantnom aplikovanom napätí môže kondenzátor s väčšou kapacitou uložiť viac elektrickej energie.

 

Podobne aj indukčné komponenty majú schopnosť uchovávať energiu. Silnejšie magnetické pole nesie väčšiu magnetickú energiu. Pretože magnetické polia obsahujú energiu, môžu pôsobiť mechanickou silou na blízke magnety a vykonávať na nich prácu.

 

2. Vzťah medzi indukčnosťou, kapacitou a odporom

Indukčnosť a kapacita v podstate nemajú žiadnu inherentnú koreláciu s odporom a ich meracie jednotky sú úplne nezávislé. Tento rozdiel sa však stáva prominentným v obvodoch striedavého prúdu (AC).

 

V obvodoch jednosmerného prúdu (DC) fungujú induktory ako skraty, zatiaľ čo kondenzátory fungujú ako otvorené obvody. V striedavých obvodoch však induktory aj kondenzátory generujú frekvenčne závislú opozíciu voči prúdu. Tento typ účinku-obmedzujúceho prúd sa nenazýva odpor, ale reaktancia, reprezentovaná symbolom X. Reaktívna opozícia produkovaná induktorom je definovaná ako indukčná reaktancia ((XL)) a reaktancia generovaná kondenzátorom je kapacitná reaktancia ((XC)).

 

Indukčná aj kapacitná reaktancia zdieľajú rovnakú jednotku ako odpor: ohm. Všetky tri veličiny bránia toku prúdu v obvodoch. Kľúčový rozdiel spočíva vo frekvenčnej závislosti: odpor zostáva konštantný bez ohľadu na frekvenciu, zatiaľ čo indukčná a kapacitná reaktancia sa mení, keď frekvencia kolíše. Reaktancia v obvodoch striedavého prúdu v zásade vzniká z neustálej zmeny energie spôsobenej zmenou napätia a prúdu.

 

V prípade induktorov vedie kolísavý prúd k neustálym zmenám ich magnetických polí a uloženej energie. Podľa zákona elektromagnetickej indukcie indukované magnetické pole vždy pôsobí proti zmenám pôvodného magnetického poľa. Keď sa prevádzková frekvencia zvyšuje, tento protiaktívny účinok sa zintenzívňuje, čo vedie k vyššej indukčnej reaktancii.

 

Keď napätie na kondenzátore kolíše, elektrický náboj na jeho doskách sa zodpovedajúcim spôsobom posunie. Čím rýchlejšie sa mení napätie, tým rýchlejšie a intenzívnejšie sa náboj pohybuje medzi platňami. Usmernený tok elektrického náboja je presne elektrický prúd. Jednoducho povedané, rýchlejšie zmeny napätia produkujú väčší kapacitný prúd, čo znamená slabšiu inhibíciu prúdu kondenzátorom a nižšiu kapacitnú reaktanciu.

 

Na záver, indukčná reaktancia je priamo úmerná frekvencii, zatiaľ čo kapacitná reaktancia je nepriamo úmerná frekvencii.

 

3. Výkonové rozdiely medzi indukčnosťou, kapacitou a odporom

Odporové prvky spotrebúvajú energiu nepretržite v jednosmerných aj striedavých obvodoch, kde napätie a prúd zostávajú dokonale vo fáze. Diagram krivky nižšie zobrazuje charakteristiky napätia, prúdu a výkonu rezistora v obvode striedavého prúdu. Ako je znázornené na grafe, odporový výkon je vždy väčší alebo rovný nule, čo naznačuje, že odpory neustále absorbujú a spotrebúvajú elektrickú energiu.

 

 

V striedavých obvodoch sa výkon rozptýlený rezistormi označuje ako priemerný výkon, alebo bežnejšie, aktívny výkon, označovaný veľkým písmenom P. Aktívny výkon odráža výlučne spotrebu energie elektrických komponentov. Pre každé zariadenie, ktoré spotrebúva elektrickú energiu, aktívny výkon kvantifikuje veľkosť a rýchlosť jeho straty energie.

 

Naproti tomu induktory a kondenzátory nespotrebúvajú žiadnu čistú elektrickú energiu. Len cyklicky ukladajú a uvoľňujú energiu. Induktory absorbujú elektrickú energiu a premieňajú ju na energiu magnetického poľa, potom uvoľňujú uloženú magnetickú energiu späť na elektrickú energiu v opakovanom cykle. Podobne kondenzátory premieňajú prichádzajúcu elektrickú energiu na energiu elektrického poľa a neskôr túto energiu vybíjajú späť do obvodu vo forme elektriny.

Táto cyklická výmena energie medzi komponentmi a napájacím zdrojom nezahŕňa žiadnu skutočnú spotrebu energie, takže ju nemožno kvantifikovať činným výkonom. Na definovanie tejto špeciálnej formy výmeny energie zaviedli fyzici pojem jalový výkon, reprezentovaný veľkým písmenom Q.

 

Aktívny aj jalový výkon spadajú pod definíciu „výkonu“, ktorá popisuje rýchlosť prenosu alebo premeny energie. Aktívny výkon odráža, ako rýchlo rezistor spotrebúva elektrickú energiu. Napríklad 100-wattová žiarovka spotrebuje energiu dvakrát rýchlejšie ako 50-wattová.

Naproti tomu jalový výkon meria rýchlosť cyklickej výmeny energie medzi indukčnými/kapacitnými komponentmi a elektrickou sieťou. Je dôležité zdôrazniť pojem výmena energie. Vyšší jalový výkon znamená, že induktory a kondenzátory odoberajú viac striedavej energie z napájacieho zdroja, aj keď sa táto energia používa iba na pravidelné skladovanie a uvoľňovanie, a nie na spotrebovanie.