振幅、平均、有効。スキーム、説明

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振幅、平均、有効。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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この記事は、電流の形態がその作用に及ぼす影響に焦点を当てています。また、さまざまな電気波形の電圧と電流の測定についても説明します。

まず第一に、交流電流は、その形式に関係なく、振幅 Iampl (最大値と同義)、平均 Iav、および実効 Ieff (rms、実効) 値によって特徴付けられることを思い出してください。形状が変化したときのさまざまな負荷に対する電流の影響はさまざまに異なります。

たとえば、全波整流から単一半波整流への移行中のバッテリーの充電電流は半分になります。整流器の負荷がヒーターの場合、そのような形状の変化により、電流ではなく電力が半分になります。ご存知のとおり、電力Pは電流の二乗（P \u2d IXNUMXR）に比例するため、半波整流の場合、電流は半分には減少しませんが、一度！このような矛盾を避けるために、上記の概念が導入されています。

交流電流を特徴付ける XNUMX つの量の最初の量は、 ピーク値サンプル。それは、電流の変化期間中の最大瞬間値に等しい。奇妙なことに、さまざまな形式の電流がさまざまな負荷に与える影響という観点から見ると、電流振幅は最も有益ではありません。そのため、交流の値は直流との作用を比較して決まります。

平均交流の値は、交流と同じ期間に同じ電荷を運ぶ直流の値です。時間軸に対して対称な形状の交流電流（例えば正弦波信号）の場合、電流の平均値はゼロになります。したがって、平均値は通常、整流された平均値、つまり整流された後の電流の平均値として理解されます。電流の平均値は、たとえばバッテリーの充電時などの動作を特徴づけます。

効果的 交流の値は直流の値であり、アクティブな線形負荷 (たとえば、抵抗) を通過すると、この負荷で交流が放出するのと同じ時間内に同じ量の熱が放出されます。加熱装置に関して重要なのは電流の実効値です。

周期信号の形状を特徴付けるために、振幅係数 ka=Iampl/Ieff と形状係数 kf=Ieff/Iav.rect の XNUMX つのパラメータが導入されます。

最も一般的な波形である正弦波の場合、考慮される値は次のとおりです。

グラフで見ると、交流電流の平均値は、電流の時間依存性を特徴付ける曲線の下の面積です。実効値は、オンタイム電流の二乗の依存性を表す曲線の下の面積の平方根に対応します。図上。図１は、従来の正弦波信号Ｉ（ｔ）／Ｉａｍｐ１およびその二乗（Ｉ（ｔ）／Ｉａｍｐ１）２のグラフを示す。グラフを比較すると、電流の 1 乗 (瞬時電力はそれに比例) が電流の 2 倍の周波数で脈動していることがわかります。また、0,5レベルのラインに対する電流の二乗曲線の偏差は上下で同じです。この曲線の下の面積を計算すると、偏差が補正されます。これは、直流を特徴付ける直線の下の面積の半分になることを意味します。電流の実効値は面積の平方根に比例するので、であることがわかります。電流の振幅値より小さい。

振幅、平均、効果的

残念ながら、積分計算の知識がなければ正弦波 I(t) / Iampl の下の面積を決定することはできません。上記の比率を信じる必要があります。

交流電気信号の電圧には、電流と同じ特性値、振幅Uampl、平均Uav、実効Ueffがあります。それらの間の関係も同様です。実効主電源電圧が 220 V の場合、振幅電圧は 311 V、平均整流電圧は 198 V です。

実際には、アマチュア無線家はさまざまな形状の電気信号に対応する必要があります。それらのいくつかを考えてみましょう。

正弦波電圧 全波整流（図2、b）を施した場合（図2、a）はその特性を維持し、平均電圧は厳密に平均整流電圧と等しくなります。

振幅、平均、効果的

上で、片半波整流（図2、c）では、全波整流に比べて平均電圧値が半分に減少し、実効値はXNUMX/XNUMXに減少すると述べました。任意の電力コントローラーで N 半サイクルのうちの XNUMX つが負荷に渡されると、平均電圧が N 倍減少し (負荷の電力も同じ量だけ減少します)、実効電圧は回

蛇行 (図2d)。これは、周期の半分が最大値に等しく、残りの半分がゼロに等しい信号の名前です (図 2d)。彼にとって、平均値は振幅の半分に等しくなります。この形式の電流によって負荷で消費される電力は、直流からの電力の半分であるため、信号の実効値は次のようになります。振幅の 2 倍小さい。双極蛇行の場合（図XNUMXe）、電圧Uampl、Uav.rectおよびUeffは互いに一致します。

矩形パルス列 (図2、f)、持続時間t、繰り返し周期Tの信号です。このような信号には「デューティ・サイクル」という概念があり、通常は文字Qで表され、周期と周期の比として定義されます。パルス持続時間: Q = T/t。この形式の信号電流は直流電流の Q 倍短い時間しか作用しないため、信号の平均値は振幅の Q 倍小さく、実効値は次のようになります。回

ノコギリ信号 (図2、g、h)。彼にとって、平均値（双極性のために修正された平均）は振幅の半分に等しい（三角形の面積は底辺と高さの積の半分に等しい）。実効値を計算するには、信号の二乗の時間依存性を表す放物線の下の面積を決定する必要があります。この領域を計算するのはそれほど簡単ではなく、数学的な計算では実効値は次のように求められます。振幅の XNUMX 倍小さい。

同じ関係は、双極信号 (図 2j) を含む三角信号 (図 2i) にも当てはまります。

位相パルスコントローラーの出力の電圧（図2、l）。その形状は伝導角αによって特徴付けられ、一般に 0 から XNUMX までの範囲で変化します。 . この形の電圧の振幅値は

平均 -

効果的 -

ここで、Uampl.s はレギュレータの入力におけるネットワークのピーク電圧であり、最後の式の角度 a はラジアンで置き換える必要があります。

図上。図 3 は、これらの式で記述された依存関係を示しています。

振幅、平均、効果的

測定器はさまざまな波形にどのように反応するのでしょうか? まず第一に、直流電圧と直流電流を測定するモードのほとんどすべてのポインタとデジタルマルチメータは、調査対象の信号の平均値を決定することに注意してください。

電磁システムの機器は、実効電圧と電流の測定に適しています。対応する記号の画像がスケール上にプロットされています（図4、a）。これらのデバイスは、主電源電圧を制御するためにさまざまなパネルで一般的に使用されます。これらは比較的シンプルで安価ですが、消費電力が大きく、狭い周波数範囲で動作し、スケールが非線形です。

振幅、平均、効果的

広い周波数範囲で実効電圧を正確に測定するための特別な装置は複雑で高価です。

電圧の振幅値を決定するには、通常、DC 電圧計に負荷されたダイオード整流器と大きなコンデンサが使用されます (図 4b)。このような測定の精度は、ダイオード両端の降下 (約 0,6 V) よりもはるかに高い電圧に対しては十分です。

ポインタおよびデジタルマルチメータは、交流の電圧と電流を監視するときに、平均整流値を決定し、それに正弦波信号の形状係数を乗算します。その結果、正弦波電圧を測定すると、その実効値がデバイスのインジケーターに表示されます。他の形式の信号の場合、AC 電圧計による測定結果の解釈は困難です。

たとえば、半波整流器を使用し、入力にカップリングコンデンサのない AC 電圧計を接続すると、接続の極性に応じて、ゼロまたは実効値の XNUMX 倍の値が表示されます。全波整流器の出力。半波整流器の出力に接続されている場合は、ゼロまたは整流されていない信号の実効電圧が表示されます。どちらの場合も、測定結果は信頼できません。結合コンデンサが存在する場合、測定値の解釈はさらに困難になります。

したがって、専用の機器がない場合に単極交流電圧を測定するには、DC 電圧計を使用する必要があります。すでに述べたように、このような電圧計は平均電圧を測定しますが、実効値を得るには、その測定値に形状係数を乗算する必要があります。振幅値を取得するには、振幅係数を乗算するだけで十分です。

一連の矩形パルスの電圧の振幅値がわかれば、平均値の測定結果からパルスのデューティサイクルを決定することは難しくなく、これは場合によっては非常に便利です。

この表には、振幅に対する平均値と実効値の比率、および考慮されている信号の形状係数と振幅係数が示されています。

著者: S. Biryukov、モスクワ

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