Perché l'ampiezza relativa della forma d'onda della corrente CA diminuisce in base all'angolo di fase?

Question

sfondo

Prima di tutto, mi scuso se questa è una teoria relativamente semplice. La mia professione principale è il firmware e mi occupo di elettronica solo come hobby.

Sto tentando di progettare un alimentatore per un elemento riscaldante resistivo da ~ 450 W. Il circuito è piuttosto semplice e utilizza un microcontrollore, un optoisolatore e un triac per controllare il carico. Funziona come previsto ma, ora, sto tentando di leggere la corrente. Questa operazione viene eseguita utilizzando un circuito integrato di rilevamento esterno (ACS71020) che fornisce risultati strani. Questa domanda, tuttavia, non riguarda l'ACS (riceverà la sua domanda una volta che avrò capito la domanda generale posta qui).

Il set up

Nel tentativo di capire come scorre la corrente attraverso questo dispositivo, ho creato la seguente configurazione di prova (semplificata):

^{simula questo circuito - Schema creato utilizzando CircuitLab}

Dove:

• XFMR1 è un trasformatore di corrente 1: 166
• SCOPE è il mio oscilloscopio (Siglent SDS1104X-E)
• DMM è un Fluke 77 per dati aggiuntivi
• TRIG è il segnale di trigger optoisolato dall'MCU

Il problema

Sembra che l'ampiezza della forma d'onda della corrente venga progressivamente attenuata man mano che si riduce l'angolo di accensione. Considera i seguenti grafici presi dal mio oscilloscopio a diversi angoli di accensione (misurati come percentuale della potenza di uscita totale). Notare che la traccia gialla è la tensione di linea indisturbata e la traccia rosa (viola?) È la misura dal trasformatore di corrente.

• 10%:
  
• 50%:
  
• 70%:
  
• 90%:
  
• 100%:
  

Notare come la forma d'onda della corrente inizia a diminuire (relativamente) all'aumentare della potenza. In ciascuna delle forme d'onda sopra la scala viene mantenuta costante.

Domande

1. Cosa causa questo comportamento ed è previsto?
2. Il mio multimetro digitale misura un aumento lineare della corrente RMS; perché ciò sia vero la forma d'onda NON dovrebbe diminuire?
3. Come fa questo a non violare la legge di Ohm dato che il mio controller tiene già conto dell'area sotto la curva (es. Il 30% di potenza è il 30% dell'area sotto la curva; non il 30% la distanza dal punto di incrocio zero)?

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Modifica 1:

La resistenza di carico è stata calcolata seguendo questa guida.

• In primo luogo, ho calcolato il pp massima corrente secondaria: 5A max * 1.414 = 7.07A p-p * 1/166 = 0.0429A.
• Quindi, ho scelto 4V RMS come tensione massima in base alla scheda tecnica del trasformatore di corrente che avevo a portata di mano. Questo è stato convertito in pp:4 * 1.414 = 5.656V
• Avanti, Rload = V/I = 5.656 / 0.0429 = 132.8 Ohms.
• Il resistore standard più vicino che avevo a portata di mano era di 110 Ohm. Feeding questo ritorno in: Vmax = 0.0429 * 110 = 4.685 * 0.707 = 3.312V. Questo è inferiore al massimo di 4VRMS per il trasformatore, quindi dovrei essere bravo.

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Modifica 2:

Per il multimetro digitale, di seguito sono riportate le letture che ottengo alle varie uscite di potenza sulla lampadina:

Come puoi vedere, è abbastanza lineare, cosa che mi aspetterei dal momento che il mio controller gestisce l'integrale per l'area sotto la curva che corrisponde a una data potenza.

Questa ipotesi lineare è errata?

Answer 1

Il commento di Brian Drummond sulla resistenza delle lampadine che aumenta con la temperatura è (la maggior parte) la risposta. La resistenza al freddo di un filamento di lampadina a incandescenza è tipicamente 10 volte inferiore rispetto alla sua tensione nominale. A un angolo di fase basso la potenza assorbita dalla lampadina è inferiore, quindi si riscalda meno e assorbe più corrente di quanto sarebbe se la sua resistenza rimanesse la stessa a una luminosità inferiore.

Se si desidera controllare la potenza in uscita in modo accurato, sarà necessario misurare la vera potenza rms prendendo molte letture istantanee di corrente e tensione e moltiplicandole, quindi sommare e mediare i risultati su un ciclo completo di rete. Qualsiasi altro metodo sarà solo un'approssimazione che potrebbe essere abbastanza imprecisa ad angoli di fase bassi.