Weitere Informationen zur AC-"Polarität"

Komplexe Zahlen sind für die Analyse von Wechselstromkreisen nützlich, da sie eine bequeme Methode bieten, die Phasenverschiebung zwischen Wechselstromgrößen wie Spannung und Strom symbolisch anzugeben.

Für die meisten Menschen ist die Äquivalenz zwischen abstrakten Vektoren und realen Schaltungsgrößen jedoch nicht leicht zu verstehen. Weiter oben in diesem Kapitel haben wir gesehen, wie Wechselspannungsquellen Spannungswerte in komplexer Form (Betrag und Phasenwinkel) sowie Polaritätsmarkierungen.

Da Wechselstrom im Gegensatz zu Gleichstrom keine festgelegte „Polarität“ hat, sind diese Polaritätsmarkierungen und ihr Verhältnis zum Phasenwinkel eher verwirrend. Dieser Abschnitt wurde geschrieben, um einige dieser Probleme zu klären.

Spannung ist von Natur aus relativ Menge. Wenn wir eine Spannung messen, haben wir die Wahl, wie wir ein Voltmeter oder ein anderes Spannungsmessgerät an die Spannungsquelle anschließen, da es zwei Punkte gibt, zwischen denen die Spannung anliegt, und zwei Messleitungen am Instrument, mit denen dies gemacht wird die Verbindung.

In Gleichstromkreisen bezeichnen wir die Polarität von Spannungsquellen und Spannungsabfällen explizit mit „+“ und „-“ Symbolen und verwenden farbcodierte Messleitungen (rot und schwarz). Wenn ein Digitalvoltmeter eine negative Gleichspannung anzeigt, wissen wir, dass seine Messleitungen „rückwärts“ an die Spannung angeschlossen sind (rote Leitung an „-“ und schwarze Leitung an „+“) angeschlossen.

Die Polarität von Batterien wird durch eine intrinsische Symbologie bezeichnet:Die kurze Leitungsseite einer Batterie ist immer die negative (-) Seite und die lange Leitungsseite immer die positive (+):(Abbildung unten)

Herkömmliche Batteriepolarität.

Obwohl es mathematisch korrekt wäre, die Spannung einer Batterie als negative Zahl mit umgekehrter Polaritätsmarkierung darzustellen, wäre es entschieden unkonventionell:(Abbildung unten)

Entschieden unkonventionelle Polaritätsmarkierung.

Die Interpretation einer solchen Notation könnte einfacher sein, wenn die Polaritätsmarkierungen „+“ und „-“ als Bezugspunkte für Voltmeter-Messleitungen betrachtet würden, wobei „+“ „rot“ und „-“ „schwarz“ bedeutet. Ein an die obige Batterie angeschlossenes Voltmeter mit rotem Kabel an der unteren Klemme und schwarzem Kabel an der oberen Klemme würde tatsächlich eine negative Spannung anzeigen (-6 Volt).

Tatsächlich ist diese Form der Notation und Interpretation nicht so ungewöhnlich, wie Sie vielleicht denken:Sie wird häufig bei Problemen der DC-Netzwerkanalyse angetroffen, bei denen „+“ und „-“ Polaritätsmarkierungen zunächst nach fundierten Vermutungen gezeichnet und später als richtig interpretiert werden oder „rückwärts“ entsprechend dem Vorzeichen der berechneten Zahl.

In Wechselstromkreisen haben wir es jedoch nicht mit „negativen“ Spannungsgrößen zu tun. Stattdessen beschreiben wir, inwieweit eine Spannung eine andere unterstützt oder einer anderen durch Phase . entgegenwirkt :die Zeitverschiebung zwischen zwei Wellenformen. Wir beschreiben eine Wechselspannung niemals als ein negatives Vorzeichen, da die Möglichkeit der polaren Notation es ermöglicht, dass Vektoren in eine entgegengesetzte Richtung zeigen.

Wenn eine Wechselspannung einer anderen Wechselspannung direkt gegenübersteht, sagen wir einfach, dass eine zur anderen um 180 ° phasenverschoben ist.

Trotzdem ist die Spannung zwischen zwei Punkten relativ, und wir haben die Wahl, wie wir ein Spannungsmessgerät zwischen diesen beiden Punkten anschließen. Das Vorzeichen der Messwerte eines DC-Voltmeters hat nur im Zusammenhang mit seinen Messleitungsanschlüssen Bedeutung:Welche Klemme berührt die rote Leitung und welche Klemme die schwarze Leitung berührt.

Ebenso hat der Phasenwinkel einer Wechselspannung nur Bedeutung, wenn man weiß, welcher der beiden Punkte als „Bezugspunkt“ gilt. Aus diesem Grund werden in Schaltplänen häufig „+“ und „-“ Polaritätsmarkierungen an den Anschlüssen einer Wechselspannung platziert, um dem angegebenen Phasenwinkel einen Bezugsrahmen zu geben.

Voltmeterablesung pro Messleitungsanschluss

Lassen Sie uns diese Prinzipien mit einigen grafischen Hilfsmitteln überprüfen. Erstens das Prinzip, Prüfleitungsverbindungen mit dem Vorzeichen einer DC-Voltmeteranzeige in Beziehung zu setzen:(Abbildung unten)

Die Farben der Messleitungen bieten einen Bezugsrahmen für die Interpretation des Vorzeichens (+ oder -) der Messgerätanzeige.

Das Vorzeichen der Anzeige eines digitalen DC-Voltmeters hat nur im Zusammenhang mit seinen Messleitungsanschlüssen Bedeutung. Ziehen Sie die Verwendung eines DC-Voltmeters in Betracht, um zu bestimmen, ob zwei DC-Spannungsquellen einander unterstützen oder entgegengesetzt sind, vorausgesetzt, dass beide Quellen hinsichtlich ihrer Polarität nicht gekennzeichnet sind.

Mit dem Voltmeter an der ersten Quelle messen:(Abbildung unten)

(+) Die Anzeige zeigt an, dass Schwarz (-), Rot (+) ist.

Diese erste Messung von +24 an der linken Spannungsquelle sagt uns, dass die schwarze Leitung des Messgeräts tatsächlich die negative Seite der Spannungsquelle Nr. 1 berührt und die rote Leitung des Messgeräts tatsächlich die positive Seite berührt. Daher wissen wir, dass Quelle Nr. 1 eine Batterie ist, die in dieser Ausrichtung ausgerichtet ist:(Abbildung unten).

Die 24V-Quelle ist (-) auf (+) polarisiert.

Messung der anderen unbekannten Spannungsquelle:(Abbildung unten)

(-) Lesen zeigt an, dass Schwarz (+), Rot ist (-) ist.

Dieser zweite Voltmeter-Messwert ist jedoch negativ (-) 17 Volt, was uns sagt, dass die schwarze Messleitung tatsächlich die positive Seite der Spannungsquelle Nr. 2 berührt, während die rote Messleitung tatsächlich die negative Seite berührt. Daher wissen wir, dass Quelle #2 eine Batterie ist, die im Gegenteil liegt Richtung:(Abbildung unten)

17-V-Quelle ist (+) auf (-) polarisiert

Es sollte jedem erfahrenen DC-Studenten klar sein, dass sich diese beiden Batterien gegenüberstehen. Per Definition subtrahieren gegenläufige Spannungen voneinander, also ziehen wir 17 Volt von 24 Volt ab, um die Gesamtspannung über die beiden zu erhalten:7 Volt.

Wir könnten die beiden Quellen jedoch als unscheinbare Kästchen zeichnen, die mit den genauen Spannungswerten des Voltmeters beschriftet sind, wobei die Polaritätsmarkierungen die Platzierung der Voltmeter-Messleitungen anzeigen:(Abbildung unten)

Voltmeter-Messwerte wie von Zählern abgelesen.

Bedeutung der Polaritätsmarkierungen

Gemäß diesem Diagramm zeigen die Polaritätsmarkierungen (die die Platzierung der Messgerätprüfkabel anzeigen) die Quellen an, Hilfe gegenseitig. Per Definition unterstützende Spannungsquellen hinzufügen miteinander, um die Gesamtspannung zu bilden, also addieren wir 24 Volt zu -17 Volt, um 7 Volt zu erhalten:immer noch die richtige Antwort.

Wenn wir uns von den Polaritätsmarkierungen leiten lassen, um Spannungswerte entweder zu addieren oder zu subtrahieren – ob diese Polaritätsmarkierungen die wahren darstellen Polarität oder nur die Ausrichtung der Messleitung – und schließen Sie die mathematischen Vorzeichen dieser Spannungswerte in unsere Berechnungen ein, das Ergebnis wird immer korrekt sein.

Auch hier dienen die Polaritätsmarkierungen als Referenzrahmen um die mathematischen Vorzeichen der Spannungswerte in den richtigen Kontext zu setzen.

Das gleiche gilt für Wechselspannungen, außer dass Phasenwinkel ersetzt das mathematische Zeichen . Um mehrere Wechselspannungen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln miteinander in Beziehung zu setzen, benötigen wir Polaritätsmarkierungen, um Bezugsrahmen für die Phasenwinkel dieser Spannungen bereitzustellen. (Abbildung unten)

Nehmen wir zum Beispiel die folgende Schaltung:

Phasenwinkel ersetzt das ±-Zeichen.

Die Polaritätsmarkierungen zeigen, dass sich diese beiden Spannungsquellen gegenseitig unterstützen. Um die Gesamtspannung am Widerstand zu bestimmen, müssen wir addieren die Spannungswerte von 10 V ∠ 0° und 6 V ∠ 45° zusammen ergeben 14,861 V ∠ 16,59°.

Es wäre jedoch durchaus akzeptabel, die 6-Volt-Quelle als 6 V ∠ 225° mit einer umgekehrten Polaritätsmarkierung darzustellen und immer noch die gleiche Gesamtspannung zu erhalten:(Abbildung unten)

Das Vertauschen der Voltmeterleitungen an der 6V-Quelle ändert den Phasenwinkel um 180°.

6 V ∠ 45° mit links negativ und rechts positiv ist genau das gleiche wie 6 V ∠ 225° mit links positiv und rechts negativ:die Umpolung der Markierungen ergänzt perfekt die Addition von 180° zu den Phasenwinkelbezeichnung:(Abbildung unten)

Umkehren der Polarität erhöht den Phasenwinkel um 180°

Im Gegensatz zu Gleichspannungsquellen, deren Symbole durch kurze und lange Leitungen die Polarität intrinsisch definieren, haben Wechselspannungssymbole keine intrinsische Polaritätskennzeichnung. Daher müssen alle Polaritätsmarkierungen als zusätzliche Symbole in das Diagramm eingefügt werden, und es gibt keine „richtige“ Art, sie zu platzieren.

Sie müssen jedoch mit dem gegebenen Phasenwinkel korrelieren, um die wahre Phasenbeziehung dieser Spannung mit anderen Spannungen in der Schaltung darzustellen.

RÜCKBLICK:

• Wechselspannungen werden in Schaltplänen manchmal mit Polaritätsmarkierungen versehen, um einen Bezugsrahmen für ihre Phasenwinkel zu bieten.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• AC-Netzwerkanalyse-Arbeitsblatt