Что такое постоянное, пульсирующее, переменное напряжение

Часто среди электриков и радиолюбителей можно слышать выражения постоянное напряжение или ток, и переменное. В данной статье я постараюсь доступно разжевать, чем отличаются данные понятия и как их представить.

 

Понятия:

Постоянное напряжение - такая разность электрических потенциалов, при которой сохраняется её величина и направление перепада потенциалов (полярность) с течением рассматриваемого промежутка времени.
Пульсирующее напряжение - такая разность электрических потенциалов, при которой её величина имеет не постоянный характер, а меняется с течением рассматриваемого промежутка времени и её изменение носит периодический характер, но при этом направление перепада электрических потенциалов (полярность) сохраняется и, в крайнем случае, может быть нулевым (в случае снижения напряжения до нуля).
Переменное напряжение - такая разность электрических потенциалов, при которой её величина и направление перепада электрических потенциалов (полярность) меняется с течением рассматриваемого промежутка времени, и её изменение носит периодический характер.

Представление:

Что бы представить, что такое постоянное напряжение, давайте соберём одну простенькую схему, для которой понадобится источник питания (гальванический элемент, аккумулятор, блок питания или т.п.), 2 соединительных проводника и вольтметр. Представьте себе вольтметр, у которого в состоянии покоя стрелка находится строго посередине шкалы, где отмечено значение нуля, а по обе стороны от нуля симметрично размечена шкала напряжения. Если такой вольтметр подключить к источнику постоянного напряжения, то его стрелка отклонится в одну сторону до определённого значения напряжения источника питания (в нашем случае 12В). Если клеммы вольтметра или источника питания поменять местами, то стрелка вольтметра отклонится в другую сторону до такого же значения (12в). Как Вы уже поняли, таким прибором легко отследить, меняется ли полярность источника питания с течением времени, или нет (при условии, что скорость реакции прибора больше скорости изменения полярности напряжения источника питания). Схема представлена на рис.1:

Рисунок 1. Вольтметр подключен непосредственно к источнику питания.

При подключении нашего вольтметра по такой схеме, его стрелка отклонится в одну сторону и будет постоянно показывать одно и то же значение напряжения. Если взять отрезок времени, и разбить его на несколько пунктов (моментов времени), в которые мы будем производить измерения и запись показаний в таблицу, то можно будет построить диаграмму напряжения рассматриваемого источника питания. Т.к. мы не можем определить абсолютную величину электрического потенциала, а можем измерить только разность этих потенциалов, условимся, что одна из клемм элемента питания (положим, слева) имеет какой-то постоянный потенциал и назовём её общей, а на диаграмме привяжем к величине напряжения равной нулю. В этом случае показание вольтметра и есть разница электрического потенциала второй клеммы относительно первой. Направление отклонения стрелки вольтметра определяет, выше потенциал второй клеммы или ниже относительно общей. И так, диаграмма напряжения источника питания будет иметь вид (рис. 2):

Рисунок 2. Диаграмма напряжений источника постоянного напряжения.

Глядя на диаграмму мы можем сказать, что в любой момент времени (время на диаграмме отложено по горизонтальной оси) потенциал второй клеммы относительно потенциала общей не изменяется, и соответственно разность потенциалов так же неизменна. В этом случае мы можем сказать, что напряжение источника питания и есть постоянное напряжение.
Добавим в схему один элемент - контакт (выключатель S1) (рис. 3):

Рисунок 3. Вольтметр, подключенный к источнику питания через контакт выключателя S1.

Контакт у нас имеет два положения - включен и выключен. В положении включен цепь нашей схемы замыкается на вольтметр PV1, и схема принимает вид как на рис. 1. При этом вольтметр показывает величину напряжения источника питания. При разомкнутом положении контакта S1 цепь размыкается, и вольтметр покажет ноль. Если периодически размыкать и замыкать контакт S1, и при этом записать показания вольтметра, можно будет построить диаграмму напряжения на клеммах вольтметра (рисунок 4):

Рисунок 4. Диаграмма напряжений источника пульсирующего напряжения.

Если принять, что контакт S1 входит в схему источника питания так, что клеммами источника питания являются клеммы Х3 и Х2, то в этом случае мы и получим источник пульсирующего напряжения. Из диаграммы рис. 4 мы видим, что напряжение источника питания опускается до ноля, но не опускается ниже. Это говорит о том, что напряжение на источнике питания не меняет свою полярность, что характерно для источников пульсирующего напряжения. Напряжение на пульсирующих источниках питания не обязательно должно достигать нуля, оно может иметь и какое либо иное не нулевое значение. Так же различной может быть ширина и форма импульсов.
Если Вам удалось разобраться с тем, что я описал выше, значит, Вы готовы рассмотреть третий случай - переменное напряжение. Если для Вас что-либо осталось не понятным, советую всё же разобраться, т.к. дальше схема будет ещё усложнена. Если я не понятно рассказал какие то моменты, не стесняйтесь обращаться за разъяснениями в комментариях. Для того они и существуют.
И так, усложним нашу схему ещё больше (рис. 5). Добавим в неё два двухпозиционных переключателя К1.1 и К1.2, которые связаны друг с другом и синхронно переключаются с помощью электромагнита К1 (по своей сути это электромагнитное реле).

 

Рисунок 5. Схема имитации источника переменного напряжения.
Условимся сразу, что в схему источника питания входит всё, кроме вольтметра. Т.е. клеммами источника питания являются клеммы 1 и 2. Далее рассмотрим работу нашего источника питания. В зависимости от положения сердечника электромагнита К1 контакты КК1.1 и КК1.2 могут принимать только два положения - 1-4 2-6 и 1-3 2-5. Рассмотрим эти случаи по отдельности:
Положение контактов 1-4 2-6 рассмотрим на рисунке 6:
Рисунок 6. Схема имитации источника переменного напряжения. Положение контактов 1-4 2-6.
Пути выравнивания электрических потенциалов изображены на схеме синим и красным цветом. Из рисунка 6 мы видим, что клемма 1 имеет положительную (+) полярность, а клемма 2 - отрицательную (-). Стрелка вольтметра отклонится влево от нуля и покажет нам разность потенциалов клемм 1 и 2 - 12В (напряжение батареи источника питания).
В случае положения контактов 1-3 2-5 (рис. 7) аналогично обнаруживаем, что клеммы 1 и 2 поменяли свою полярность.
Рисунок 7. Схема имитации источника переменного напряжения. Положение контактов 1-3 2-5.
Теперь клемма 1 стала отрицательной (-), а клемма 2 - положительной (+), в противоположность предыдущему случаю, хотя величина напряжения будет так же напряжение элемента питания, т.е. 12В. В этом случае стрелка вольтметра отклонится вправо от нуля до 12В.
Теперь выберем клемму, относительно которой мы будем проводить измерения и обзовём её общей. Пусть это будет клемма 2. На электрических схемах и самих приборах эти клеммы принято обозначать снежинкой * или сокращением Об.
Помните, в статье источники питания мы говорили о том, что отрицательная клемма имеет больший электрический потенциал по отношению к положительной. Немного не привычно в классическом понимании, но в принципе это так и есть. Что бы понять почему, Вам придётся почитать мои предыдущие публикации электрическое напряжениеэлектрический ток и источники питанияЕсли ваша религия, жизненная позиция или авторитет учителя физики не позволяет принять это положение, просто примите обратное, классическое положение, что якобы положительная клемма, это клемма с большим потенциалом по отношению к отрицательной и мои дальнейшие пояснения мысленно инвертируйте по оси напряжений.
И так, учтём, что отрицательная клемма имеет больший электрический потенциал по отношению к положительной. Зададим изначально, что каждую секунду электромагнит К1 переключает контакты КК1.1 и КК1.2. Возьмем промежуток времени около 10 секунд и в течении этого времени измерим и запишем показания вольтметра. Потенциал общей клеммы 2 приравниваем нулю. Потенциал клеммы 1 относительно общей клеммы принимаем большим, если стрелка вольтметра отклонилась вправо (рис. 7), и меньшим, если стрелка отклонилась влево (рис. 6). Диаграмма напряжений будет иметь вид (рисунок 8):
Рисунок 8. Диаграмма напряжений источника переменного напряжения.
Из диаграммы рисунка 8 мы видим, что каждую секунду при переключении контактов, клеммы источника питания 1 и 2 меняют свою полярность. При этом потенциал клеммы 1 относительно общей то больше, то меньше. И соответственно на диаграмме напряжение источника питания принимает значения как выше так и ниже нуля. Это и есть представление переменного напряжения. При переменном напряжении форма кривой диаграммы не обязательно должна иметь прямоугольный вид. Она может быть синусоидальной, пилообразной или иной другой формы, удовлетворяющей основному определению.
Надеюсь, эта статья поможет Вам больше приблизиться к пониманию электротехники и электроники.
Всего доброго!
Google