2024年2月2日 星期五

不同阻抗的電壓總和_消除相位移篇

串電感會讓電流落後又怎樣?會爆炸嗎?
這對用電戶確實不會怎樣
但對台電就會了
這件事和功率因數(PF,Power Factor)有關
詳細可以先看這篇,就不再多說了

因此若電感讓電流落後使得PF下降
那再串電容補上落後的電流不就可以提高PF了
沒錯,真實世界我們確實是這麼做的
這就是所謂的電容補償
但沒實驗沒真相

我們先做一個LR的電路



抓出負載和VCC的波形
VCC是藍線,負載是橘線


可以看到兩者有明顯相位差
因為示波器抓的是負載,所以電流這時候反而是超前的
總之就是有相位差就對了
功率表顯示PF為0.62


這時我們在電感前再串聯電容
就可以把落後的電流補上了
正常需要串接交流電容
但我沒有那麼大容量的交流電容
所以暫時用電解電容(直流電容)先頂著
反向充電時直流電容無法放電,所以會發熱
不能串太久,只是實驗而已,看到現象就好
而且一定要低壓,交萬別接AC110
不然就要打110了

電容需要多少是需要和電感值搭配的
若電容太小,這時電流反而會超前太多
示波器上橘線的顯示是落後(因為是抓負載的波形,還記得嗎?)
47微法,PF0.72




所以慢慢增加電容量(直接並聯就可以了)
示波器上的橘線就會慢慢往前,最後會和藍線幾乎吻合
47+22微法,PF0.89




47+22+10微法,PF0.90-0.92




功率表顯示PF,明顯提高許多了
所以要消除電感產生的相位移(功率因數下降),電容補償是絕對有效的
但如果再繼續往上補呢(補越多越好??)
橘線反而超前,就沒有效果了
220微法,PF0.72



所以事實告訴我們學校不能補過頭...

2024年2月1日 星期四

倒車攝影自動切換裝置

用了15年的倒車小螢幕之前已經修過一次燈條
最近又開始耍脾氣
想把他換掉
手中有以前做電子放大鏡留下的螢幕
我車子前後都有攝影機
平時照前面,倒車時會自動切換
但這個螢幕只有一個輸入
我不想二擇一,不然就設計一個自動切換好了

基本概念很簡單
只要倒車時觸發一個切換開關就可以
開關就用繼電器,有NC和NO可以選擇
觸發就拉倒車燈的電源到relay的線圈就可以
電路圖如下


先在實驗室測試看看
果然如我預期可以自動切換






影片如下


這樣就可以換掉我的倒車螢幕了~~

2024年1月31日 星期三

不同阻抗的電壓總和_相位移測量篇

上一篇提到交流電串接電容時,電流會超前90度
串接電感時,電壓會超前90度


用示波器來看看相位
電容電壓是橘線,電源電壓是藍線
橘線超前藍線(向右為正)



但串接電感時,電感電壓是橘線,電源電壓是藍線
此時橘線落後藍線



啊不是說交流電串接電感時,電壓會超前90度嗎!!
為甚麼橘線會落後藍線?

這個問題就要回到電表的工作原理來看了
很多實際生活發生的事(不是課本的理想狀況)
如果要了解透徹,科學和工程是不能分家的

不管是伏特計或安培計
基本上都是一個分流電路
儀器讀取分流出來的電流
再利用這個電流來換算電壓
細節可以看這篇這篇

所以電表不管測量電壓還是電流
其實真正讀取的物理量都是「電流」
數位電表再把這個電流通過一個精密的取樣電阻換算成電壓
指針電表則是把這個電流利用磁效應變成指針偏轉
示波器基本上就是一個高速抓取資料的伏特計
因此我們必須從電流來看才是正確的

串接電容,電流超前
所以橘線在前


串接電感,電壓超前,也就是電流落後
因此橘線在後


這樣就會符合理論的推導結果了

很多儀器的設計如果不清楚
反而會在學習過程中產生反效果
這也是身為老師必須要留意的

後記(2025,7)
以上的解釋還是不完善
其實雙通道的示波器負極共點
因此兩隻探針分別接在負載的另外兩端
結果電流走向是相反的
本來就會產生180度的相位差,因此必須反轉電容或電感的波形才是真正的情況
這樣才是比較合理的解釋


不同阻抗的電壓總和_相位移原理篇

電阻串聯電容(RC circuit)或電感(RL circuit)為甚麼會產生相位差?
這就要回到電容和電感的特性開始說起
這件事其實已經研究了好幾年
看了幾十篇資料,但沒有一篇說得明白
大部分都是含糊帶過
其實如果沒有配合實驗,真的不容易理解
真的不要再只是搞理論和計算
這只適合天才,我們都不是啊~~

電感的本質就是線圈
線圈在遇到電流變化時會產生一個感應電動勢 ε
當電流突增,感應電動勢反向生成(抵銷突增的磁場)
電流突減,感應電動勢同向生成(補足突減的磁場)
因此當電感串接在交流電上
交流電的電流會週期性的變化
電感也會產生一個週期性的感應電動勢
使得原本電源的電壓產生位移
位移的角度(相位)剛好就是90度

交流電容(以下就稱電容)比較複雜
基本上可以看成兩片隔離的金屬板
可以聚集電子產生電位差
因為容量小,充電速度極快
也沒有極性的問題,不管哪一邊都可以聚集電子
因此電容在瞬間充滿電之後
就會因為外加電壓的增減釋放不同大小的電流
所以連接交流電時
電容也會產生一個週期性的電流
使得原本電源的電流產生位移
位移的角度(相位)剛好也是90度
每個時間點發生的事可以參考以下筆記


因此我們可以這樣簡單結論
交流電串接電容時,電流會超前90度
交流電串接電感時,電壓會超前90度

再用示波器抓電源波形和電抗(電容或電感)的波形
電容是橘線,電源是藍線



電感是橘線,電源是藍線



可以觀察到串接電容時,橘線超前藍線(向右為正)
但串接電感時,橘線落後藍線
啊不是說交流電串接電感時,電壓會超前90度嗎!!
為甚麼橘線會落後藍線?

2024年1月30日 星期二

不同阻抗的電壓總和_解決篇

有些問題只看表面很容易被誤導
電壓本身不是純量,而是向量
但因為我們太習慣用直流電的角度在思考
所以經常會忘記電壓的本質
這時候就要回到原點了

交流電不像直流電是固定方向的
1/60秒就會轉一圈
當兩組電壓轉到同向,0度或180度
這時我們才能直接加減
若兩組電壓的方向夾角在0-90度之間時
就要用向量的方法處理了
這件事情若用合力的角度思考
大家就會比較容易理解了

回到原本的實驗
1.阻性負載
我們利用示波器才能看到交流電在通過負載時的角度變化
紅燈是橘線,黃燈是藍線



可以看到這兩組電壓的角度剛好是180度
所以我們可以直接將電壓相加剛好就會是總電壓




2.感性負載
但如果我們將紅色燈泡換成5.5微法的交流電容
因為電容會吸收電壓,在電壓下降時放出電流
所以會使得電容兩側的電流和原本輸入的電流疊加後產生偏移
這時候就會變成電容兩側的電壓和燈泡兩側的電壓出現了一個角度(相位差)
這個相位差理論上會很接近90度
示波器看看
電容是橘線,黃燈是藍線



所以此時我們必須用向量的方法來處理
如下


這樣得到的電壓總和115.25V就會很接近量測到的數字115.1V




3.感性負載1
如果我們將紅色燈泡換成70mH的電感
同樣的,電感會因為電流的變化產生同向或反向的感應電動勢
這個感應電動勢灌入電源後也會在電感兩側產生偏移
這時候電感兩側的電壓和燈泡兩側的電壓也出現了一個角度(相位差)
同樣很接近90度
示波器看看
電感是橘線,黃燈是藍線



相同的方法計算,電壓向量總和是114.13V
量測值是114.3V

若用安定器加LED燈那組實驗來看
電感是橘線,黃燈是藍線



也是接近90度的相位差
但因為LED燈管內部有電源板的關係,波形產生明顯的波動
但還是保持有正弦波的外觀
電壓向量總合為114.25V
量測值是114.7V





4.感性負載2
但能這樣用向量計算必須是標準(至少也要接近)正弦波才可以
有些負載因為某些原因產生電位差不穩定的情況
這時就會比較麻煩了
以普通日光燈來看
因為日光燈管是氣體放電,電壓會隨著內部氣體的阻值變化
因此出來的波形很醜...
電感是橘線,日光燈是藍線


日光燈的波形已經接近方波了
雖然感覺上也是接近90度的相位差
但直接計算電壓向量總合為104.58V
量測值是114.9V




人生好難啊~~
我為什麼要在放假時搞這些