Полярность напряжения источника питания
- Вы здесь:
- Главная
- Уроки начинающим
- Часть1 — Постоянный ток
- 2. Закон Ома
- 8. Полярность напряжения
8. Полярность напряжения
Полярность напряжения
В любой схеме мы можем проследить направление и путь движения электронов, вытекающих из отрицательного (-) контакта батареи, и возвращающихся к ее положительному (+) контакту. Если проанализировать схему из предыдущего урока, то можно увидеть, что электроны двигаются против часовой стрелки из точки 6 к точке 5, затем к точке 4, к точке 3, к точке 2, к точке 1, и обратно к точке 6.
Поскольку на пути потока электронов находится только резистор сопротивлением 5 Ом, то получается что напряжение батареи приложено к выводам этого резистора. Полярность напряжения на резисторе мы можем пометить знаками «+» и «-» в соответствии направлением потока электронов: отрицательным (-) будет тот контакт, в который поток входит, а положительным (+) — тот из которого поток выходит. Таким образом, полярность отрицательна (-) в точке 4 и положительна (+) в точке 3:
Ниже представлена полная таблица напряжений (с указанием полярности) для каждой пары точек этой схемы:
Напряжение между точками 1 (+) и 4 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 2 (+) и 4 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 3 (+) и 4 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 1 (+) и 5 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 2 (+) и 5 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 3 (+) и 5 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 1 (+) и 6 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 2 (+) и 6 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 3 (+) и 6 (-) = 10 вольт
Определение полярности напряжения на различных компонентах схемы имеет очень важное значение для освоения электроники. Правильное определение полярности критически важно при анализе сложных схем, содержащих множество различных компонентов.
Следует понимать, что полярность не имеет ничего общего с законом Ома: ни в одном из уравнений этого закона вы никогда не увидите отрицательных значений силы тока, напряжения или сопротивления. В электронике существуют другие математические инструменты, которые учитывают полярность (+ или -), но закон Ома к ним не относится.
Источник
Полярность напряжения источника питания
- Вы здесь:
- Главная
- Уроки начинающим
- Часть2 — Переменный ток
- 2. Комплексные числа
- 7. Несколько слов о «полярности» переменного тока
7. Несколько слов о «полярности» переменного тока
Несколько слов о «полярности» переменного тока
Комплексные числа полезны для анализа цепей переменного тока, поскольку они обеспечивают удобный метод символического обозначения фазового сдвига между такими величинами как напряжение и ток. Однако, большинство людей не совсем понимают эквивалентность между абстрактными векторами и реальными величинами цепи . Ранее мы с вами видели, что значение переменного напряжения обозначается комплексным числом (величина и фазовый угол), а так же полярностью. Так как у переменного напряжения не существует полярностей в том же понимании, что и у постоянного напряжения, маркировка этих полярностей и их отношение к фазовому углу может немного вас запутать. Данная статья написана с целью прояснения некоторых из этих вопросов.
Напряжение по своей сути является относительной величиной. При измерении напряжения у нас есть выбор того, как мы подсоединим вольтметр или другой измерительный прибор к источнику этого напряжения, поскольку существуют две точки, между которыми есть напряжение, и два щупа, которыми мы подключаем прибор. Полярность источников напряжения и других напряжений в цепях постоянного тока обозначается в явном виде, используя знаки «+» и «-«, а для их измерения используются щупы измерительных приборов с соответствующей цветовой маркировкой (красный и черный). Если цифровой вольтметр показывает отрицательное постоянное напряжение, то мы знаем, что его щупы подключены «обратно» напряжению (красный щуп подключен к «-«, а черный — к «+»).
Полярность батареи можно определить по ее схематическому обозначению: сторона батареи с короткой линией имеет отрицательную полярность (-), а с длинной линией — положительную (+):
Обозначение напряжения батареи отрицательным числом и обратной полярностью тоже будет математически правильным, но это решение не является традиционным:
Интерпретация такого обозначения может быть более понятной, если знаки «+» и «-» полярности рассматривать в качестве ориентиров для щупов вольтметра, где «+» означает «красный», а «-» — «черный». Вольтметр, подключенный к вышеуказанной батарее красным щупом за нижнюю клемму, а черным — за верхнюю, действительно покажет отрицательное напряжение (-6 В). Такая форма записи и интерпретации на самом деле не столь необычна, как вы думаете. Она часто встречается в задачах анализа цепей постоянного тока, в которых полярности «+» и «-» первоначально проставляются в соответствии с базовыми предположениями, а потом интерпретируются как правильные или «обратные» в соответствии с математическими расчетами.
В цепях переменного тока мы не имеем дел с «отрицательными» величинами напряжений. Вместо этого мы описываем, в какой степени одно напряжение помогает или противодействует другому по фазе (временной сдвиг между двумя волнами). Мы никогда не описываем переменные напряжения отрицательными числами, так как полярная форма представления позволяет векторам указывать в противоположных направлениях. Если одно переменное напряжение полностью противодействует другому, то мы говорим, что они не совпадают друг с другом по фазе на 180 градусов.
Как известно, напряжение всегда соотносится с двумя точками цепи, поэтому у нас есть выбор способа подключения измерительного прибора к этим точкам. Математический знак показаний вольтметра постоянного напряжения зависит только от варианта подключения его щупов к испытываемой схеме: к какой точке будет подключен красный щуп, и к какой точке — черный. Аналогично, фазовый угол переменного напряжения зависит только от того, какая из двух точек цепи будет выбрана в качестве «опорной». Благодаря этому факту, знаки «+» и «-» часто отображаются в электрических схемах на выводах источников переменного напряжения, чтобы дать систему отсчета для фазовых углов.
Давайте рассмотрим эти принципы более наглядно. Сначала мы рассмотрим показания вольтметра постоянного напряжения в зависимости от варианта подключения его щупов к цепи:
Математический знак, отображаемый на дисплее цифрового вольтметра, зависит только от варианта подключения его щупов. А теперь, используя вольтметр мы определим, как работают два источника постоянного напряжения, маркировка полярностей на которых отсутствует (помогают или противодействуют друг другу). Для начала, произведем замер напряжения на первом источнике:
Первое измерение, показавшее +24 вольта на левом источнике постоянного напряжения, говорит нам о том, что черный щуп измерительного прибора действительно подключен к отрицательной клемме данного источника, а красный щуп действительно подключен к его положительной клемме. Таким образом, мы узнали напряжение и полярность источника № 1:
Далее, произведем замер напряжения на втором источнике:
Второе измерение, показавшее отрицательное значение напряжения (-17 вольт) на правом источнике, говорит нам о том, что черный щуп прибора фактически подключен к положительному контакту источника, а красный щуп — к отрицательному. Таким образом, мы узнали напряжение и полярность источника № 2:
Любому опытному радиолюбителю должно быть очевидно, что эти источники подключены противоположно друг другу. По определению, противоположные напряжения вычитаются друг из друга, а значит, отняв 17 вольт от 24 вольт, мы получим общее напряжение равное 7 вольтам.
С другой стороны, мы можем отобразить эти два источника в виде прямоугольников, обозначив их напряжения и полярности в соответствии с тем, как мы подключали щупы измерительного прибора, и какие показания получили:
На этой схеме мы видим, что полярности источников напряжения (отображенные в соответствии с вариантом подключения щупов измерительного прибора) указывают нам на их совместную работу (они помогают друг другу). По определению, напряжения действующих совместно источников складываются, а значит, прибавив к 24 вольтам -17 вольт, мы получим то же самое общее напряжение равное 7 вольтам. Таким образом, вне зависимости от того, как мы обозначим полярности (истинные или в соответствии с подключением щупов измерительного прибора) и математические знаки величин напряжений, общее напряжение (полученное в результате сложения или вычитания этих величин) всегда будет одинаковым. Из всего этого можно сделать вывод, что обозначение полярностей служит отсчетом для написания математических знаков величин напряжений в соответствующем контексте.
То же самое справедливо и для переменных напряжений, за исключением того, что вместо математического знака здесь ставится фазовый угол. Для связи друг с другом переменных напряжений с разными фазовыми углами нам также понадобится обозначить полярность, которая как раз и будет выступать отсчетом для фазовых углов этих напряжений.
Давайте в качестве примера рассмотрим следующую схему:
Обозначение полярностей в данной схеме говорит о том, что эти два источника действуют совместно (помогают друг другу). Чтобы определить общее напряжение, мы должны сложить 10 В ∠ 0° и 6 В ∠ 45°, получив при этом 14,861 В ∠ 16.59°. Однако, можно представить 6-вольтовый источник и в виде 6 В ∠ 225° с обратным набором полярностей. В результате мы все равно получим то же самое общее напряжение:
6 В ∠ 45° с отрицательным знаком слева и положительным справа эквивалентно 6 В ∠ 225° с положительным знаком слева и отрицательным справа: разворот полярности обеспечивается добавлением 180 ° к фазовому углу:
В отличии от источников постоянного напряжения, условные обозначения которых явно показывают полярности при помощи длинных и коротких линий, условные обозначения источников переменного напряжения явного отображения полярностей не имеют. Полярности этих источников обозначаются на схеме дополнительными знаками «+» и «-«, «правильного» способа размещения которых не существует. Однако, при помощи этих знаков фазовый угол данного источника напряжения связывается с фазовыми углами других напряжений.
Источник
Пара слов о «полярности» переменного напряжения
Комплексные числа полезны для анализа цепей переменного тока, поскольку они предоставляют удобный метод символьной записи сдвига фаз между параметрами переменного тока, такими как напряжение и ток.
Однако большинству людей нелегко понять эквивалентность абстрактных векторов и реальных параметров схемы. Ранее в данной главе мы видели, как источники переменного напряжения задаются значениями напряжения в комплексной форме (амплитуда и угол фазы), а также обозначением полярности.
Поскольку у переменного тока нет параметра «полярности», как у постоянного тока, эти обозначения полярности и их связь с углом фазы могут вводить в заблуждение. Данный раздел написан с целью, прояснить некоторые из этих вопросов.
Напряжение, по своей сути, – относительная величина. Когда мы измеряем напряжение, у нас есть выбор, как подключить вольтметр или другой измерительный прибор к источнику напряжения, поскольку есть две точки, между которыми существует разность потенциалов, и два измерительных щупа у прибора, которые необходимо подключить.
В цепях постоянного тока мы явно обозначаем полярность источников напряжения и падений напряжения, используя символы «+» и «-«, а также используем измерительные щупы с цветовой маркировкой (красный и черный). Если цифровой вольтметр показывает отрицательное постоянное напряжение, мы знаем, что его измерительные щупы подключены «обратно» напряжению (красный провод подключен к «-«, а черный провод – к «+»).
Полярность батарей обозначается специфичными для них символами: короткая линия батареи всегда является отрицательной (-) клеммой, а длинная линия – всегда положительной (+):
Рисунок 1 – Общепринятое обозначение полярности батареи
Хотя было бы математически правильно представить напряжение батареи в виде отрицательного значения с обозначением обратной полярности, но это было бы явно необычно:
Рисунок 2 – Совершенно нестандартное обозначение полярности
Интерпретация таких обозначений могла бы быть проще, если бы обозначения полярности «+» и «-» рассматривались как контрольные точки для измерительных щупов вольтметра, «+» означал бы «красный», а «-» означал бы «черный». Вольтметр, подключенный к указанной выше батарее красным щупом к нижней клемме и черным щупом к верхней клемме, действительно будет указывать отрицательное напряжение (-6 вольт).
На самом деле, эта форма обозначения и интерпретации не так уж необычна, как вы могли подумать: она часто встречается в задачах анализа цепей постоянного тока, где знаки полярности «+» и «-» сначала рисуются согласно обоснованному предположению, а затем интерпретируются как правильные или «обратные» в соответствии с математическим знаком рассчитанного значения.
Однако в цепях переменного тока мы не имеем дело с «отрицательными» значениями напряжения. Вместо этого мы описываем, в какой степени одно напряжение совпадает или не совпадает с другим по фазе: т.е. по сдвигу по времени между двумя сигналами. Мы никогда не описываем переменное напряжение как отрицательное по знаку, потому что возможность полярной записи позволяет векторам указывать в противоположных направлениях.
Если одно переменное напряжение прямо противоположно другому переменному напряжению, мы просто говорим, что одно напряжение на 180° не совпадает по фазе с другим.
Тем не менее, напряжение между двумя точками является относительным, и у нас есть выбор, как подключить прибор для измерения напряжения между этими двумя точками. Математический знак показаний вольтметра постоянного напряжения имеет значение только в контексте подключений его измерительных щупов: к какой клемме подключен красный щуп, а к какой клемме подключен черный щуп.
Кроме того, угол фазы переменного напряжения имеет значение только в контексте знания, какая из этих двух точек считаются «опорной». Поэтому, чтобы дать заявленному углу фазы точку отсчета, на схемах часто указываются обозначения полярности «+» и «-» на клеммах переменного напряжения.
Показания вольтметра при подключении измерительных щупов
Давайте рассмотрим эти принципы более наглядно. Во-первых, связь между подключением измерительных щупов со знаком на показаниях вольтметра при измерении постоянного напряжения:
Рисунок 3 – Цвета измерительных щупов служат ориентиром для интерпретации знака (+ или -) показаний измерительного прибора
Математический знак на дисплее цифрового вольтметра постоянного напряжения имеет значение только в контексте подключения его измерительных проводов. Рассмотрим возможность использования вольтметра постоянного напряжения для определения того, складываются ли два источника постоянного напряжения друг с другом или вычитаются друг из друга, предполагая, что на обоих источниках нет маркировки их полярности.
Использование вольтметра для измерения на первом источнике:
Рисунок 4 – Положительные (+) показания указывают, что черный – это (-), красный – это (+)
Этот результат первого измерения +24 на левом источнике напряжения говорит нам, что черный провод вольтметра действительно подключен к отрицательной клемме источника напряжения № 1, а красный провод вольтметра действительно подключен к положительной клемме. Таким образом, мы узнаем, что источник №1 – это батарея, включенная следующим образом:
Рисунок 5 – Полярность источника 24 В
Измерение другого неизвестного источника напряжения:
Рисунок 6 – Отрицательные (-) показания указывают, что черный – это (+), красный – это (-)
Второе измерение вольтметром показало отрицательные (-) 17 вольт, что говорит нам о том, что черный измерительный щуп на самом деле подключен к положительной клемме источника напряжения № 2, а красный измерительный провод подключен к отрицательной клемме. Таким образом, мы узнаем, что источник №2 – это батарея, включенная в противоположную сторону:
Рисунок 7 – Полярность источника 17 В
Для любого, знакомого с постоянным током, должно быть очевидно, что эти две батареи противодействуют друг другу. Противоположные напряжения, априори, вычитаются друг из друга, поэтому, чтобы получить общее напряжение на обоих батареях, мы вычитаем 17 вольт из 24 вольт и получаем 7 вольт.
Но мы могли бы изобразить два источника в виде невзрачных прямоугольников, помеченных точными значениями напряжений, полученными с помощью вольтметра, и маркировкой полярности, указывающей на положение измерительных щупов вольтметра:
Рисунок 8 – Показания вольтметра, как они отображались на нем
Важность маркировки полярности
В соответствии со схемой на рисунке 8 (выше) обозначения полярности (которые указывают на положение измерительного щупа вольтметра) указывают, что источники складываются друг с другом. Источники напряжения складываются друг с другом, чтобы сформировать общее напряжение, поэтому мы добавляем 24 вольта к -17 вольтам, чтобы получить 7 вольт: всё еще правильный ответ.
Если мы позволим маркировке полярности определять наше решение, складывать или вычитать значения напряжения (независимо от того, представляют ли эти маркировки полярности истинную полярность или только положение измерительного провода вольтметра), и включим математические знаки этих значений напряжений в наши расчеты, результат всегда будет правильным.
Опять же, маркировка полярности служит ориентиром для размещения математических знаков значений напряжений в правильном контексте.
То же самое верно и для переменного напряжения, за исключением того, что математический знак заменяется углом фазы. Чтобы связать друг с другом несколько переменных напряжений с разными углами фазы, нам нужна маркировка полярности, чтобы обеспечить систему отсчета для углов фаз этих напряжений.
Возьмем, к примеру, следующую схему:
Рисунок 9 – Угол фазы заменяет знак ±
Маркировка полярности показывает, что эти два источника напряжения складываются друг с другом, поэтому для определения общего напряжения на резисторе мы должны сложить значения напряжения 10 В 0° и 6 В ∠ 45° вместе, чтобы получить 14,861 В 16,59 °.
Однако было бы вполне приемлемо представить 6-вольтовый источник как 6 В 225°, с обратной маркировкой полярности, и при этом получить такое же общее напряжение:
Рисунок 10 – Переключение проводов вольтметра на источнике 6 В изменяет угол фазы на 180°
6 В 45° с минусом слева и плюсом справа – это точно то же самое, что 6 В ∠ 225 ° с плюсом слева и минусом справа: изменение маркировки полярности идеально дополняет добавление 180° к значению угла фазы:
Рисунок 11 – Изменение полярности добавляет 180° к углу фазы
В отличие от источников постоянного напряжения, где полярность определяется символами из линий, у переменных напряжений нет собственного обозначения полярности. Следовательно, любые знаки полярности должны быть включены в качестве дополнительных символов на схему, и не существует единственного «правильного» способа их размещения.
Однако они должны коррелировать с заданными углами фаз, чтобы представлять истинное фазовое соотношение одного напряжения с другими напряжениями в цепи.
Источник