Basis-Elektronica deel 2  Wisselstroom, Wisselspanning.

Wisselspanning en -stroom,. Piek-, gemiddelde en effectieve waarde

Faseverschuiving, vermogen bij faseverschuiving, blindstroom

Blokgolf, Zaagtand, Harmonischen. (nog in bewerking)

Terug naar de Basis pagina

Wisselspanning en -stroom.  Piek-, gemiddelde- en effectieve waarde

Bij wisselspanning en de daaruit voortvloeiende stroom denken we meestal aan een zuivere sinusvormige en zich herhalende verandering van de stroom of spanning. De sinus (het griekse woord sinus betekent eenvoudigweg "golf") ontstaat als we een pijl laten ronddraaien om een vast punt en bekijken hoe hoog de punt van de pijl op elk moment is. Die pijl noemen we meestal een vector. In de wiskunde is het gebruikelijk dat zo'n vector linksom draait, en "in het oosten" of "om 3 uur" begint.

Fig 1. De sinus vormige wisselspanning.

In het linker deel van de grafiek zie je de pijl ronddraaien, in het rechterdeel is tegen de tijd uitgezet hoe hoog de punt van de pijl is.

Het aantal omwentelingen dat de pijl per seconde maakt noemen we de frequentie. Deze wordt uitgedrukt in Hertz  (Hz) naar een Duitse wetenschapper. 

De wisselspanning van het lichtnet in Europa heeft een frequentie van 50 Hz. In de VS en enkele andere landen is dat 60 Hz.

De voor mensen hoorbare frequenties (audiofrequenties, of muziekfrequenties) bestrijken een gebied van ca. 20 Hz tot 20.000 Hz (20 kiloHertz)  Het frequentie gebied waarmee de elektronica techniek in bredere zin werkt strekt zich uit tot 300 GigaHertz. (300.000.000.000 Hz) 

Bij wisselspanning- of stroom onderscheiden we:

De Piek waarde: Dat is de hoogste spamnning of stroom die ooit bereikt wordt. De piekwaarde is ook gelijk aan de lengte van de pijl.

De Gemddelde waarde: Hierbij gaat het om de oppervlakte per periode onder de sinus curve. De oppervlakken van de positieve en de negatieve helft tellen hierbij gewoon positief op. De gemiddelde waarde is 0.64 maal de piekwaarde.

De Effectieve waarde is de waarde van een gelijkstroom of -spanning die in een zuivere weerstand dezelfde hoeveelheid warmte zou produceren. De effectieve waarde is 1/wortel(2) maal de piekwaarde. Oftewel: de effectieve waarde is 0,71 maal de piekwaarde, of omgekeerd, de piekwaarde is 1.41 maal de effectieve waarde.

De Vormfactor is een getal dat de verhouding aangeeft tussen de effectieve waarde en de gemiddelde waarde. Bij een sinusvormige wisselspanning/stroom is de vormfactor 1.1. Bij niet-sinusvormige wisselspanningen/stromen is dat getal anders. 
De achtergrond van het begrip vormfactor is de omstandigheid dat de nu ouderwetse analoge draaispoel meters in feite de gemiddelde waarde meten, maar geijkt zijn in effectieve waarde voor sinusvormige spanningen. Als je dan een niet-sinusvormige golfvorm hebt en je kent de vormfactor daarvan dan kun je de benodigde omrekening maken.
Bij moderne digitale volt/ampere meters is het niet altijd duidelijk of ze gemiddelde waarde meten of piekwaarde. Ze zijn wel altijd geijkt in effectieve waarde voor een sinus vormige spanning/stroom. Raadpleeg de documentatie van je meter.

De z.g. True RMS meetinstrumenten geven altijd de effectieve waarde aan, ongeacht de golfvorm. Kijk wel in de documentatie naar het frequentiebereik waarbij het instrument gebruikt kan worden.

Top

Faseverschuiving, vermogen bij faseverschuiving, blindstroom

Als er zelfinducties (spoelen) en/of condensatoren in het circuit zitten treedt er faseverschuiving op tussen stroom en spanning. De stroom en de spanning volgen nog steeds een nette sinus curve, maar die liggen in de tijd verschoven. De faseverschuiving drukken we meestal uit in de hoek tussen de pijlen die de spanning en de stroom beschrijven.

Fig 2. Fase verschuiving bij een zelfinductie. Blind vermogen.

Hier zie je de faseverschuiving zoals die bij een zuivere zelfinductie optreedt. De stroom loopt 90 graden achter bij de spanning. (zie ook verderop).

In de onderste grafiek is -met een iets andere vertikale schaal- het product van stroom en spanning weergegeven, oftewel het vermogen. Je ziet dat het vermogen hier beurtelings positief en negatief is. Gemiddeld genomen is het echter nul. Het is alsof de energie heen-en weer geslingerd wordt tussen de bron en de belasting. In de energietechniek noemt men dit de blindstroom. Als zoiets optreedt in het lichtnet dan is het energie bedrijf er niet blij mee. Je neemt stroom op, en dat levert verliezen op in de leidingen en de transformatoren, maar je elektriciteits meter loopt niet, en je betaalt er dus ook niet voor.  
Overigens:...... Denk niet dat je met zulke truukjes je elektriciteits meter kan bedotten. 

Vaak is de faseverschuiving iets anders dan de 90 graden die hier getekend is. In dat geval is het werkelijk opgenomen vermogen:

P = U * I * cos (Fi) 

Hier is P het echte vermogen in Watt, U de spanning in Volt, I de stroom in Ampere, en cos(Fi) de cosinus van de faseverschuivings hoek Fi  (het gebruik wil nu eenmaal dat we die hoek aanduiden met de griekse letter Fi)

Het  blind vermogen is dan Pb = U * I * sin (Fi)  .

Blokgolf, Zaagtand, Harmonischen.