Trije osnovni parametri-upornost, induktivnost in kapacitivnost

Upori (R), induktorji (L) in kondenzatorji (C) so tri primarne komponente in parametri jedra v vseh vezjih. Nobeno električno vezje ne more delovati brez vsaj enega od njih. Omeniti velja, da se idealni elementi vezja razlikujejo od dejanskih fizičnih komponent. Element vezja je poenostavljen idealen model, zasnovan za predstavitev specifične električne značilnosti fizične naprave. Skratka, standardizirani simboli se uporabljajo v diagramih vezij, da odražajo električne lastnosti dejanske opreme in komponent. Na primer, grelne naprave, kot so uporovne obremenitve, električne peči in grelne palice, so lahko vse predstavljene z modelom uporovnih elementov v analizi vezja.

 

Kljub temu nekaterih električnih naprav ni mogoče modelirati samo z enim samim elementom vezja. Tipičen primer so navitja motorja. V bistvu tuljavne strukture so navitja lahko predstavljena z induktorjem. Vendar pa imajo tudi prirojen odpor. Zaradi tega je treba dodati upor, ki odraža to uporovno lastnost. Skladno s tem so pri izdelavi modela vezja za navitja motorja le-ta izražena kot zaporedna kombinacija upora in induktivnosti.

 

Upor je najenostavnejši in najbolj intuitiven električni parameter. V skladu z Ohmovim zakonom je njegova formula za izračun (R=U/I). V vezju upor deluje kot ovira za pretok toka. Višja kot je vrednost upora, močnejša je njegova inhibicija električnega toka. Ker so značilnosti upora razmeroma preproste, bomo podrobneje obravnavali induktivnost in kapacitivnost.

 

1. Kaj sta induktivnost in kapacitivnost?

Kot je navedeno zgoraj, sta induktivnost in kapacitivnost, tako kot upor, bistveni parametri in komponente vezja, vendar sprejemata različne merske enote.

 

Induktivnost je označena s črkoL, z enoto henry (H). Določa zmožnost tuljave, da ustvari magnetno polje. Z drugimi besedami, ko vhodni tok ostane konstanten, bo tuljava z večjo induktivnostjo ustvarila močnejše magnetno polje. Za primerjavo, upor označuje nasprotovanje komponente toku. Pri fiksni napetosti večji upor vodi do nižjega delovnega toka.

 

Kapacitivnost je označena s črkoC, merjeno v faradih (F). Opisuje sposobnost kondenzatorja za shranjevanje električnega naboja in električne energije. S konstantno uporabljeno napetostjo lahko kondenzator z večjo kapacitivnostjo shrani več električne energije.

 

Podobno imajo induktivne komponente tudi zmogljivost shranjevanja energije. Močnejše magnetno polje nosi večjo magnetno energijo. Ker magnetna polja vsebujejo energijo, lahko izvajajo mehansko silo na bližnje magnete in na njih izvajajo delo.

 

2. Razmerje med induktivnostjo, kapacitivnostjo in uporom

V bistvu induktivnost in kapacitivnost nimata inherentne korelacije z uporom in njuni merski enoti sta popolnoma neodvisni. Ta razlika pa postane vidna v tokokrogih izmeničnega toka (AC).

 

V tokokrogih enosmernega toka (DC) induktorji delujejo kot kratki stiki, medtem ko kondenzatorji delujejo kot odprti tokokrogi. Kljub temu v tokokrogih izmeničnega toka induktorji in kondenzatorji ustvarjajo frekvenčno-odvisno nasprotovanje toku. Ta vrsta učinka-omejevanja toka se ne imenuje odpornost, ampak reaktanca, ki jo predstavlja simbol X. Reaktivna opozicija, ki jo povzroči induktor, je opredeljena kot induktivna reaktanca ((XL)), tista, ki jo ustvari kondenzator, pa je kapacitivna reaktanca ((XC)).

 

Induktivna in kapacitivna reaktanca imata isto enoto kot upor: ohm. Vse tri količine zavirajo pretok toka v tokokrogih. Ključna razlika je v odvisnosti od frekvence: upor ostaja konstanten ne glede na frekvenco, medtem ko se induktivna in kapacitivna reaktanca spreminjata z nihanjem frekvence. V bistvu reaktanca v tokokrogih izmeničnega toka izhaja iz nenehnega variiranja energije, ki ga povzroči spreminjanje napetosti in toka.

 

Pri induktorjih nihajoči tok povzroči nenehne spremembe v njihovih magnetnih poljih in shranjeni energiji. Po zakonu elektromagnetne indukcije inducirano magnetno polje vedno nasprotuje spremembam prvotnega magnetnega polja. Ko se delovna frekvenca poveča, se ta nasprotni učinek stopnjuje, kar povzroči višjo induktivno reaktanco.

 

Ko napetost na kondenzatorju niha, se električni naboj na njegovih ploščah ustrezno premakne. Hitreje kot se spreminja napetost, hitreje in intenzivneje se naboj premika med ploščami. Usmerjeni tok električnega naboja je ravno električni tok. Preprosto povedano, hitrejše spremembe napetosti povzročijo večji kapacitivni tok, kar pomeni šibkejšo inhibicijo toka s kondenzatorjem in nižjo kapacitivno reaktanco.

 

Za zaključek je induktivna reaktanca neposredno sorazmerna s frekvenco, medtem ko je kapacitivna reaktanca obratno sorazmerna s frekvenco.

 

3. Razlike v moči med induktivnostjo, kapacitivnostjo in uporom

Uporovni elementi neprekinjeno porabljajo moč tako v enosmernem kot v izmeničnem tokokrogu, kjer sta napetost in tok popolnoma v fazi. Spodnji diagram krivulje ponazarja značilnosti napetosti, toka in moči upora v tokokrogu AC. Kot je prikazano na grafu, je uporovna moč vedno večja ali enaka nič, kar kaže, da upori nenehno absorbirajo in porabljajo električno energijo.

 

 

V AC tokokrogih se moč, ki jo odvajajo upori, imenuje povprečna moč ali pogosteje aktivna moč, označena z veliko črko P. Aktivna moč odraža izključno porabo energije električnih komponent. Za vsako napravo, ki porablja elektriko, aktivna moč kvantificira velikost in stopnjo izgube energije.

 

Nasprotno pa induktorji in kondenzatorji ne porabijo neto električne energije. Le ciklično shranjujejo in sproščajo energijo. Induktorji absorbirajo električno energijo in jo pretvorijo v energijo magnetnega polja, nato pa sprostijo shranjeno magnetno energijo nazaj v električno energijo v ponavljajočem se ciklu. Podobno kondenzatorji pretvorijo vhodno električno energijo v energijo električnega polja in kasneje to energijo oddajo nazaj v vezje v obliki elektrike.

Ta ciklična izmenjava energije med komponentami in napajalnikom ne vključuje dejanske porabe energije, zato je ni mogoče kvantificirati z delovno močjo. Da bi definirali to posebno obliko izmenjave električne energije, so fiziki uvedli koncept reaktivne moči, ki ga predstavlja velika črka Q.

 

Tako aktivna kot jalova moč spadata pod definicijo "moč", ki opisuje stopnjo prenosa ali pretvorbe energije. Aktivna moč odraža, kako hitro upor porablja električno energijo. Na primer, 100-vatna žarnica porabi energijo dvakrat hitreje kot 50-vatna.

Nasprotno pa jalova moč meri stopnjo ciklične izmenjave energije med induktivnimi/kapacitivnimi komponentami in električnim omrežjem. Ključno je poudariti izraz izmenjava energije. Večja jalova moč pomeni, da induktorji in kondenzatorji črpajo več izmenične energije iz napajalnika, čeprav se ta energija uporablja samo za občasno shranjevanje in sproščanje, namesto da bi se porabila.