Основы домашнего железоделания. Уровень 2

В прошлый раз мы разобрались, какое бывает электричество, и научились делить его в нужных нам пропорциях (полную версию этой статьи ищите на нашем компакте в разделе “По журналу”). Однако некоторые его свойства остались пока за бортом. Мы вкратце упомянули, что переменный характер тока бывает далеко не безразличен некоторым приборам. Пришла пора разобраться, что это за приборы, как они взрываются, а также что имеем с этого мы. Вернемся к нашей аналогии с водой (см. предыдущую статью “Уровень 1”). Помимо того, что вода может течь, ее еще можно запасать. Кроме того, она, будучи

Рисунок 1
разогнана в трубе, может бить струей и не терять скорости некоторое время даже там, где ее уже не “подгоняет” разница давлений. Так же можно заставить себя вести и электрический ток. Представим себе бак с двумя трубами и упругой перегородкой посередине. Если мы создадим между трубами разницу давления, перегородка прогнется ( см. рис. 1 ). Теперь, если мы сомкнем трубы друг с другом, перегородка возвратится в прежнее положение и создаст ток воды. Похожими свойствами обладает прибор, называемый конденсатор (то есть “запасалка”, по-нашему). Сие устройство при подаче на него напряжения короткое время пропускает ток, а потом, напряжением зарядившись, пропускать его перестает, зато может разрядиться через что-нибудь полезное для хозяйства. Логично предположить, что чем выше напряжение, тем больше электричества запасено в конденсаторе. Но конденсаторы могут быть разные… Что ж, более емкий конденсатор — это тот, который при том же напряжении хранит больше электричества (“бачок” у него шире). __ Единица измерения емкости названа в честь Майкла Фарадея: фарад. Вообще-то, сначала ее называли “фарада”, но через пару десятков лет кто-то все-таки сообразил, что Майкл был мужик и единицу тоже хорошо бы склонять по мужскому роду. Конденсатор емкостью в один фарад хранит при напряжении в 1 вольт одну ватт-секунду (то есть 1/3600000 киловатт-часа). Конденсатор — не аккумулятор, и емкость у него весьма маленькая — обычно доли фарада, от сотых до триллионных. Хотя в последнее время появились очень емкие ионные конденсаторы ( ионисторы ), емкость которых составляет несколько фарад. Обычно они используются в системах питания — блоку с ними не страшны не только броски, но и отключение на пару секунд (ибо это время устройство питается от запасенного электричества). Прямую противоположность конденсатору представляет собой катушка индуктивности. Представьте себе большую спиральную трубу, в которой стоит тяжелая вертушка ( рис. 2 ). Сначала она создает большое сопротивление потоку, потом же, раскрутившись, вращается себе и вращается (если ток воды постоянен и не вынуждает ее менять скорость). Катушка индуктивности (роль тяжелой вертушки выполняет в ней магнитное поле) тоже запасает энергию. Она может ее даже передать другой катушке (представьте себе две вертушки на одной оси) — тогда получится трансформатор (наши катушки-вертушки могут быть разные). Присмотревшись к нашим приборам, мы легко увидим, что конденсатор пропускает переменный ток, причем чем выше частота, тем лучше пропускает. Катушка же, наоборот, менять ток не любит и старается поддерживать его постоянным. Значит, их сопротивление зависит от частоты.

Рисунок 2 Рисунок 3
Индуктивное сопротивление XL (не будем влезать в дебри физики, сразу “посмотрим в ответ”) равно L*2p f , где f — частота в герцах, а L — индуктивность в Генри. Емкостное же сопротивление — Xc=1/(С*2p f). Самое занятное, что ток через наших сегодняшних героев идет “не в ногу” с напряжением, поэтому суммарная мощность на них равна нулю ( рис. 3 ). Такое сопротивление называется “реактивным” — сколько взял (всучили), столько отдал (в данном случае “реактивный” от слова “реакция”). Складываются же друг с другом они по-дурацки: каждый тянет сопротивление в свою сторону ( рис. 4 — “лебедь, рак и щука”). Нетрудно видеть, что, если индуктивное сопротивление равно емкостному, то они друг друга компенсируют. Поскольку это возможно только на одной частоте, у нас получается прекрасный фильтр. Собственно, их возможно как минимум четыре типа ( рис. 5 ). Мы можем пропускать нижние частоты, верхние частоты, какую-то одну и все, кроме какой-то одной. Так, например, чтобы заставить наш старый магнитофон играть менее глухо, мы можем подпаять в наш переходник пару конденсаторов последовательно “верхним” резисторам. Теперь давайте сделаем простое устройство: преобразователь 220 в 110. Причем лишенный дорогого, воющего, тяжелого и имеющего свойство очень красиво гореть трансформатора. В принципе, это устройство — тоже, как и в прошлый раз, делитель напряжения. Но собран он не из резисторов, а из конденсаторов. Почему?

Рисунок 4 Рисунок 5
Сопротивление элементов делителя должно быть значительно меньше сопротивления полезной нагрузки. Иначе при подключении ее плечи делителя “перекосятся”, и на нагрузке будет уже совсем не то напряжение, которое нужно. А хуже всего то, что у всех устройств сложнее кирпича (даже у лампочки) сопротивление может меняться, и, если оно способно оказать хоть сколько-нибудь серьезное влияние на делитель, напряжение тоже будет “гулять”. Если, скажем, нагрузка имеет мощность 55 Вт (на 110 В потребляет 0,5 А), более “тяжелый” делитель должен потреблять хотя бы 5 ампер (и то погрешность получается около 5 %). Такой “делитель” сам будет потреблять около киловатта. Не говоря даже о том, что большая часть энергии будет просто греть комнату, нам его и не сделать: резисторы, способные рассеять такую мощность, водятся разве что на электровозах. Конечно, можно соединить два электронагревателя, но это только на самый крайний случай. Конденсаторы не нуждаются в таких мерах: их сопротивление реактивно, и они, не нагреваясь, пропускают через себя весьма приличные токи (на счетчике это тоже не отразится). Поэтому, чтобы сделать этот делитель, просто возьмем два конденсатора нужной емкости, способные выдержать 310 вольт и неполярные (т.е. не имеющие “плюса” и “минуса”, работать-то им в переменном токе). Конденсаторы такие называются в просторечии “пусковыми”, т.к. применяются в электродвигателях, имеют вид невзрачный, а цену — потребную из-за грубого изготовления. Для нашей нагрузки ( 0 — 50 Вт, денди китайские) и тока делителя 5 А нам понадобится сопротивление обоих плеч 44 Ом. Значит, одного — 22. Для этого, как видно из формулы, нужен конденсатор в 144 МкФ: 1/(144х10 -623.14*50)=22 Стандартного такого нет, поэтому возьмем ближайший побольше. Соединим два последовательно, подключим провод и на каждом получим по 110 В ( рис. 6 ). Естественно, если правильно подобрать разные конденсаторы, можно делить напряжение на 100 и 120 В, 127 и 93 , да и вообще как душе угодно. Только помните, что, если нагрузка слишком мощная, делителя “с запасом” не получится, и придется или как-то выкручиваться (вариантов много, но все они для конкретных устройств типа холодильника имени Штирлица или пылесоса имени Сталина), или все-таки ставить трансформатор.

Рис. 6. Две розетки по 110 В — выбирай любую! Кстати, если в обе включить одинаковые приборы, погрешность напряжения значительно уменьшится Рис. 7. Вот так складываются емкости и индуктивности. Знакомая картина, не так ли?