Meer over AC "polariteit"

Complexe getallen zijn handig voor AC-circuitanalyse omdat ze een handige methode bieden om symbolisch faseverschuiving aan te duiden tussen AC-grootheden zoals spanning en stroom.

Voor de meeste mensen is de gelijkwaardigheid tussen abstracte vectoren en reële circuitgrootheden echter niet gemakkelijk te begrijpen. Eerder in dit hoofdstuk hebben we gezien hoe wisselspanningsbronnen spanningscijfers krijgen in complexe vorm (magnitude en fasehoek), evenals polariteitsmarkeringen.

Omdat wisselstroom geen vaste "polariteit" heeft zoals de gelijkstroom, zijn deze polariteitsmarkeringen en hun relatie tot fasehoek vaak verwarrend. Dit gedeelte is geschreven in een poging enkele van deze problemen op te helderen.

Spanning is een inherent relatief hoeveelheid. Wanneer we een spanning meten, hebben we de keuze hoe we een voltmeter of ander spanningsmeetinstrument aansluiten op de spanningsbron, aangezien er twee punten zijn waartussen de spanning bestaat, en twee meetsnoeren op het instrument waarmee we de verbinding.

In DC-circuits geven we de polariteit van spanningsbronnen en spanningsdalingen expliciet aan, met behulp van "+" en "-" symbolen, en gebruiken we kleurgecodeerde meetsnoeren (rood en zwart). Als een digitale voltmeter een negatieve gelijkspanning aangeeft, weten we dat de meetsnoeren "achterwaarts" zijn aangesloten op de spanning (rode draad aangesloten op de "-" en zwarte draad op de "+").

Batterijen hebben hun polariteit aangeduid door middel van intrinsieke symboliek:de korte kant van een batterij is altijd de negatieve (-) kant en de lange kant altijd de positieve (+):(Figuur hieronder)

Conventionele batterijpolariteit.

Hoewel het wiskundig correct zou zijn om de spanning van een batterij weer te geven als een negatief getal met markeringen met omgekeerde polariteit, zou het beslist onconventioneel zijn:(figuur hieronder)

Beslist onconventionele polariteitsmarkering.

Het interpreteren van een dergelijke notatie zou gemakkelijker zijn als de polariteitsmarkeringen "+" en "-" werden beschouwd als referentiepunten voor voltmeter-meetsnoeren, de "+" voor "rood" en de "-" voor "zwart". Een voltmeter aangesloten op de bovenstaande batterij met een rode draad naar de onderste aansluiting en een zwarte draad naar de bovenste aansluiting, zou inderdaad een negatieve spanning (-6 volt) aangeven.

Eigenlijk is deze vorm van notatie en interpretatie niet zo ongebruikelijk als je zou denken:het wordt vaak aangetroffen bij problemen met DC-netwerkanalyse waarbij "+" en "-" polariteitsmarkeringen aanvankelijk worden getekend volgens een goede inschatting en later als correct worden geïnterpreteerd of "achteruit" volgens het wiskundige teken van het berekende cijfer.

In wisselstroomcircuits hebben we echter niet te maken met "negatieve" hoeveelheden spanning. In plaats daarvan beschrijven we in welke mate de ene spanning de andere helpt of tegenwerkt door fase :de tijdverschuiving tussen twee golfvormen. We beschrijven een wisselspanning nooit als een negatief teken, omdat de mogelijkheid van polaire notatie ervoor zorgt dat vectoren in een tegengestelde richting wijzen.

Als een wisselspanning direct tegenover een andere wisselspanning staat, zeggen we gewoon dat de ene 180o uit fase is met de andere.

Toch is spanning relatief tussen twee punten, en we hebben de keuze hoe we een spanningsmeetinstrument tussen die twee punten kunnen aansluiten. Het wiskundige teken van de uitlezing van een DC-voltmeter heeft alleen betekenis in de context van de testsnoerverbindingen:welke aansluiting de rode draad raakt en welke aansluiting de zwarte draad raakt.

Evenzo heeft de fasehoek van een wisselspanning alleen betekenis in de context van weten welke van de twee punten als het "referentiepunt" wordt beschouwd. Vanwege dit feit worden "+" en "-" polariteitsmarkeringen vaak geplaatst door de klemmen van een wisselspanning in schematische diagrammen om de vermelde fasehoek een referentiekader te geven.

Voltmeteruitlezing per meetsnoeraansluiting

Laten we deze principes eens bekijken met enkele grafische hulpmiddelen. Ten eerste het principe van het relateren van meetsnoeraansluitingen aan het wiskundige teken van een DC-voltmeterindicatie:(figuur hieronder)

Kleuren van meetsnoeren bieden een referentiekader voor het interpreteren van het teken (+ of -) van de meteraanduiding.

Het wiskundige teken van het display van een digitale DC-voltmeter heeft alleen betekenis in de context van de meetsnoerverbindingen. Overweeg het gebruik van een DC-voltmeter om te bepalen of twee DC-spanningsbronnen elkaar helpen of tegenwerken, ervan uitgaande dat beide bronnen ongelabeld zijn wat betreft hun polariteit.

De voltmeter gebruiken om over de eerste bron te meten:(figuur hieronder)

(+) De uitlezing geeft aan dat zwart (-), rood is (+).

Deze eerste meting van +24 over de linker spanningsbron vertelt ons dat de zwarte draad van de meter echt de negatieve kant van spanningsbron # 1 raakt, en de rode draad van de meter echt de positieve raakt. We weten dus dat bron #1 een batterij is in deze richting:(figuur hieronder).

De 24V-bron is gepolariseerd (-) naar (+).

De andere onbekende spanningsbron meten:(figuur hieronder)

(-) Uitlezing geeft aan dat zwart (+), rood is (-).

Deze tweede voltmeter-uitlezing is echter een negatief (-) 17 volt, wat ons vertelt dat het zwarte meetsnoer de positieve kant van spanningsbron #2 raakt, terwijl het rode meetsnoer de negatieve kant raakt. We weten dus dat bron #2 een batterij is die naar de tegenovergestelde is gericht richting:(figuur hieronder)

17V-bron is gepolariseerd (+) tot (-)

Het moet voor elke ervaren student van DC-elektriciteit duidelijk zijn dat deze twee batterijen tegenover elkaar staan. Tegengestelde spanningen aftrekken per definitie van elkaar, dus we trekken 17 volt af van 24 volt om de totale spanning over de twee te krijgen:7 volt.

We zouden de twee bronnen echter kunnen tekenen als onopvallende vakjes, gelabeld met de exacte spanningswaarden die door de voltmeter zijn verkregen, de polariteitsmarkeringen die de plaatsing van de voltmeter-meetsnoeren aangeven:(figuur hieronder)

Voltmeter-uitlezingen zoals afgelezen van meters.

Betekenis van polariteitsmarkeringen

Volgens dit diagram geven de polariteitstekens (die de plaatsing van de meetsnoeren van de meter aangeven) de bronnen aan die hulp elkaar. Per definitie, ondersteunende spanningsbronnen toevoegen met elkaar om de totale spanning te vormen, dus we voegen 24 volt toe aan -17 volt om 7 volt te krijgen:nog steeds het juiste antwoord.

Als we ons laten leiden door de polariteitsmarkeringen bij onze beslissing om spanningscijfers op te tellen of af te trekken, of die polariteitsmarkeringen nu de ware vertegenwoordigen polariteit of alleen de oriëntatie van de meetsnoeren van de meter - en neem de wiskundige tekens van die spanningscijfers op in onze berekeningen, het resultaat zal altijd correct zijn.

Nogmaals, de polariteitsmarkeringen dienen als referentiekaders om de wiskundige tekens van de spanningscijfers in de juiste context te plaatsen.

Hetzelfde geldt voor wisselspanningen, behalve dat fasehoek vervangt het wiskundige teken . Om meerdere wisselspanningen met verschillende fasehoeken aan elkaar te relateren, hebben we polariteitsmarkeringen nodig om referentiekaders te bieden voor de fasehoeken van die spanningen. (Figuur hieronder)

Neem bijvoorbeeld het volgende circuit:

Fasehoek vervangt ± teken.

De polariteitsmarkeringen laten zien dat deze twee spanningsbronnen elkaar helpen, dus om de totale spanning over de weerstand te bepalen, moeten we toevoegen de spanningswaarden van 10 V ∠ 0° en 6 V ∠ 45° samen om 14,861 V ∠ 16,59° te verkrijgen.

Het zou echter volkomen acceptabel zijn om de 6-volt-bron weer te geven als 6 V 225°, met een omgekeerde reeks polariteitsmarkeringen, en toch op dezelfde totale spanning uit te komen:(figuur hieronder)

Als u de voltmeterdraden op de 6V-bron omdraait, verandert de fasehoek met 180°.

6 V ∠ 45° met negatief links en positief rechts is precies hetzelfde als 6 V ∠ 225° met positief links en negatief rechts:de omkering van de polariteitsmarkeringen vormt een perfecte aanvulling op de toevoeging van 180° aan de fasehoekaanduiding:(figuur hieronder)

Omkering van polariteit voegt 180° toe aan fasehoek

In tegenstelling tot DC-spanningsbronnen, waarvan de symbolen intrinsiek de polariteit bepalen door middel van korte en lange lijnen, hebben AC-spanningssymbolen geen intrinsieke polariteitsmarkering. Daarom moeten eventuele polariteitsmarkeringen als extra symbolen in het diagram worden opgenomen en is er geen "juiste" manier om ze te plaatsen.

Ze moeten echter correleren met de gegeven fasehoek om de echte faserelatie van die spanning met andere spanningen in het circuit weer te geven.

BEOORDELING:

• Polariteitsmarkeringen worden soms gegeven aan wisselspanningen in circuitschema's om een ​​referentiekader te bieden voor hun fasehoeken.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Werkblad AC-netwerkanalyse