Сколько на самом деле Вольт в розетке (в электросети)?
Сколько на самом деле Вольт в розетке (в электросети)? Странный вопрос!— может сказать читатель. Всем известно, сколько: 120 В ( 220 В). А если говорить совершенно точно, то 127 в (240В).
Так ли это? Мы с вами собрали выпрямитель по самой простой схеме; она показана на рис. 1. В схеме нет трансформатора, нет никакого повышения напряжения. Поэтому мы вправе ожидать, что напряжение на выходе выпрямителя, работающего без нагрузки, будет равно напряжению сети, т. е. 127 в.
Выпрямитель включен в сеть. Берем высокоомный вольтметр постоянного тока и присоединяем его к выходным зажимам выпрямителя. Вольтметр показывает... 179 в.
Откуда взялись эти 179 в? Может быть в сети получилось случайное перенапряжение. Ведь бывает иногда, что осветительные лампочки горят чрезмерно ярко, с явным перекалом. Попробуем для проверки осторожно включить в сеть 127-вольтовую электроплитку (рис. 2). Как она будет накаливаться?
Включили. Никаких намеков на перекал. Плитка нормально светится оранжево-красным накалом. Судя по накалу плитки, в сети нормальное напряжение 127 в.
Рис. 1, 2, 3. Диод, тен, схема мостика из выпрямительных элементов.
Откуда же взялось такое высокое напряжение на выходе выпрямителя?
Попробуем для проверки измерить его другим способом. Соберем схему мостика из выпрямительных элементов и присоединим к ней наш высокоомный вольтметр, как показано на рис. 3. Тщательно проверив схему, снова включаем ее в сеть. Получаем новую цифру... 114 в!
Это становится занимательным. Что ни замер, то новая цифра. Испытаем еще одну схему. Мы только что производили измерение, пользуясь двухполупериодной схемой (рис. 3); соберем теперь однополупериодную схему (рис. 4) выпрямления.
Рис. 4, 5. Вольтметр постоянного напряжения в сети переменного напряжения.
Собрали, проверили, включили... 57 В! Стрелка вольтметра не желает двигаться дальше, но наша контрольная плитка продолжает накаливаться нормально; включенная для проверки лампа тоже горит с обычной яркостью.
Что же нам остается делать? Попробовать разве включить наш вольтметр прямо в сеть. Его шкала рассчитана на напряжение до 500 в, поэтому ему не страшны ни 127 в, ни даже те подозрительные 179 в, которые получились у нас при первом измерении.
Но вольтметр, включенный в сеть, ничего не показывает. Его стрелка продолжает стоять на нуле, вернее, она «дрожит» около нуля (рис. 5).
Итак, мы произвели пять попыток различными способами определить напряжение сети и получили пять разных результатов: 179 в, 127 в, 114 в, 57 в и нуль — дрожащий нуль.
И мы с полным правом можем задать себе снова тот же вопрос, с которого мы начали, который казался таким простым и который так неожиданно и странно осложнился.
Сколько же в конце концов вольт в сети?!
Переменный ток
Мы знаем, что в нашей осветительной сети течет переменный ток. Что же представляет собой этот переменный ток и почему он так называется?
В сети постоянного тока действует все время одно и то же постоянное напряжение. В сети переменного тока, как показывает само название, напряжение непостоянно. Оно непрерывно изменяется.
В какой-то момент времени в сети нет никакого напряжения, напряжение равно нулю. В следующий момент напряжение появляется, возрастает, достигает какой-то наибольшей величины, затем, уменьшаясь, падает до нуля, снова возникает, но уже с противоположным знаком, опять доходит до максимума и т. д.
В соответствии с этим изменяется и величина тока в сети. В отдельные моменты в сети нет тока, потом он возникает, достигает максимума, уменьшается, доходит до нуля. После этого ток снова появляется, но вследствие изменения полярности * напряжения сети он течет уже в обратном направлении.
Рис. 6. Характер изменений тока и напряжения.
Эти изменения величин напряжения и тока нехаотичны. Они происходят по строго определенному закону. Характер изменений тока и напряжения можно изобразить графически кривой, называемой синусоидой (рис. 6). Такая именно кривая появляется на экране электронно-лучевой трубки осциллографа при исследовании переменного тока.
Строится эта кривая так. По вертикальной оси откладывается величина напряжения и или тока i, а по горизонтали— время t (рис. 6). Каждая точка кривой будет соответствовать определенному значению напряжения или тока в данный момент времени, например t1 или t2.
Эти отдельные значения переменного напряжения или тока называются мгновенными и обозначаются соответственно u1, и2 (или i1 i2). Наибольшие (максимальные) значения напряжения и тока, которых они достигают дважды в течение полного периода Т своего изменения, называются амплитудными или максимальными значениями. Они обозначаются Um и Im.
Мы видим, что напряжение и ток в сети все время меняют свою величину. Почему же мы все-таки выражаем напряжение сети переменного тока определенной цифрой, говоря, что напряжение сети равно 127 или 220 в?
И постоянный и переменный токи производят работу, например могут накаливать нить осветительной лампы, спираль электроплитки и т. п. Мы можем легко определить работу, которую производит постоянный ток с напряжением, скажем, 127 в.
Очевидно, будет удобно сравнивать работу переменного тока с работой постоянного тока. Значения постоянного напряжения и тока, которые производят такую же работу, эффект, действие, как и определенные переменные напряжения и токи, называются эффективными или действующими значениями данного переменного тока.
Величина действующего значения напряжения U переменного тока, конечно, меньше амплитудного значения; она определяется следующим соотношением:
Соответственно с этим эффективное значение переменного тока
Из этих соотношении мы можем узнать, чему равны амплитудные значения напряжения или тока, если нам известны их действующие значения. Например, дмплитудное значение напряжения
Если действующее значение напряжения переменного тока равно 127 в, его амплитудное значение будет равно:
Um= 1,41*127 = 179 в.
Это — та самая величина, которую мы получили, измеряя напряжение на выходе выпрямителя в первом случае. Теперь она нам понятна. Сглаживающий конденсатор выпрямителя в моменты амплитудного значения напряжения сети, естественно, заряжается до этого напряжения, разрядиться же он не может, так как нагрузки у выпрямителя нет, а разряжаться на сеть конденсатор не может — кенотрон выпрямителя 1 обладает односторонней проводимостью.
Именно это амплитудное значение показывает высокоомный вольтметр, который, потребляя крайне малый ток, не успевает разрядить конденсатор до наступления следующего максимума напряжения.
Обычно мы имеем представление только о действующей величине напряжения сети потому, что большинство измерительных приборов градуируется и показывает именно это значение. И если бы мы параллельно плитке включили вольтметр переменного тока, то он показал бы 127 в.
Но во многих случаях нельзя забывать и об амплитудном его значении. Например, конденсатор, включенный в сеть переменного тока, периодически испытывает напряжения, равные амплитудным значениям.
Поэтому мы не можем включить в сеть с напряжением 127 в конденсатор, рассчитанный на наибольшее напряжение 150 в. Амплитудные значения напряжения в этой сети будут достигать 179 в, и конденсатор, конечно, будет пробит.
Почему же в нашей третьей розетке (рис. 3) оказалось не 179 и не 127, а только 114 в? Что это за третье значение напряжения? Это значение называется средним.
Рис. 7, 8. Графики.
Среднее значение переменного тока есть значение некоторого постоянного тока, равноценного данному переменному току, но не по производимой работе, а по количеству электричества, проходящего через поперечное сечение провода.
Для нахождения величины среднего значения тока мы можем построить прямоугольник, равновеликий площади, очерченной синусоидой. Основание его равно полу-периоду, а высота представляет собой величину среднего значения тока. Это иллюстрирует рис. 7.
Среднее значение тока или напряжения можно вычислить, исходя из величин амплитудного или действующего значения. Среднее значение напряжения, которое мы обозначим Ucр, для одного полупериода синусоидального переменного тока равно :
Отсюда следует, что
В показанной на рис. 3 схеме выпрямляются оба полупериода переменного тока. Отклонение стрелки магнитоэлектрического прибора пропорционально среднему значению тока или напряжения. По только что приведенным формулам нетрудно подсчитать, что среднее значение напряжения будет равно 114 в.
Можно спросить: почему же в нашем первом случае вольтметр показал 179 в? Это объясняется только тем, что у выпрямителя, изображенного на рис. 1, на выходе имеется конденсатор, который заряжается до амплитудного значения, а в схеме на рис 3 конденсатора нет.
Схема на рис. 4 отличается от схемы на рис. 3 тем, что в ней выпрямляется один полу-период (рис. 8), а не два. Поэтому в итоге через прибор проходит вдвое меньший ток, чем при двухполупериодном выпрямлении, и его показание получается вдвое меньшим, равным 57 в.
Если, наконец, наш прибор, построенный для измерения постоянного тока, включить в сеть переменного тока (рис. 5), то он ничего не покажет. В этом случае его стрелка должна в такт с изменениями направления переменного тока отклоняться то в одну, то в другую сторону, но она не успевает делать это, так как изменения происходят 100 раз в секунду (50 периодов), и фактически стрелка только дрожит, колеблясь около нуля.
Как же нужно ответить на тот вопрос, который стоит в заголовке статьи: сколько вольт в сети?
В сети переменного тока нет определенного напряжения, оно все время изменяется. В отдельные моменты в этой сети вообще нет никакого напряжения. Если прикоснуться к проводам сети, то «ударит» напряжение 179 в (амплитуда), если включить паяльник, то он будет нагреваться так, как он нагревается в сети постоянного тока с напряжением 127 в (действующее значение), и т. д. Поэтому на наш вопрос нельзя ответить только одной цифрой, без определения.
Чтобы быть точным, мы должны сказать: действующее напряжение сети 127 в. Можем сказать иначе: амплитудное значение ее напряжения 179 в. Это будет одно и то же, но так как работа тока определяется его действующим значением, то приборы надо рассчитывать на 127 в и трансформатор приемника, питающегося от этой сети, тоже должен быть включен на 127 в.
Все указанные соотношения различных значений напряжения будут действительны и для сети переменного тока с любым другим напряжением. Например, амплитудное значение напряжения в 220-вольховой сети будет 310 в.
Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.