Pasif işaret kuralı - Passive sign convention

Pasif işaret kuralında kullanılan akım , gerilim ve güç değişkenlerinin " referans yönleri "nin gösterimi. Pozitif akım akışı olarak tanımlanırsa içine daha sonra pozitif gerilim pozitif gücü (olarak tanımlanır cihaz terminale büyük ok eşitleme ile verilir) akan elektrik gücü temsil içine cihaz ve negatif elektrik dışarı akan gücü temsil eder.${\displaystyle \mathbf {i} }$${\displaystyle \mathbf {v} }$${\displaystyle \mathbf {p} }$${\displaystyle \mathbf {p} =\mathbf {i} \cdot \mathbf {v} }$

Gelen elektrik mühendisliği , pasif işaret kuralı ( PSC ) bir olduğunu işaret kongre işareti tanımlamak için elektrik mühendisliği topluluğu tarafından evrensel olarak kabul edilen ya da keyfi standart kural elektrik enerjisi bir in elektrik devresi . Kongre elektrik devresinin dışarı akan tanımlar içine bir elektrik bileşeni Pozitif olarak ve güç devresine akan üzerinden negatif olarak bir bileşenin. Bu nedenle , bir cihaz veya ampul gibi güç tüketen pasif bir bileşen pozitif güç kaybına sahip olurken, bir elektrik jeneratörü veya pil gibi bir güç kaynağı olan aktif bir bileşen negatif güç tüketimine sahip olacaktır . Bu, elektrik devrelerinde gücün standart tanımıdır; örneğin SPICE gibi bilgisayar devre simülasyon programlarında kullanılır .

Konvansiyona uymak için , bileşendeki güç ve direnci hesaplamak için kullanılan voltaj ve akım değişkenlerinin yönü belirli bir ilişkiye sahip olmalıdır: akım değişkeni, pozitif akımın cihazın pozitif voltaj terminaline girmesi için tanımlanmalıdır. Bu yönler, gerçek akım akışının ve voltajın yönlerinden farklı olabilir.

kongre

Pasif işaret kuralı, geleneksel akım değişkeni i'nin , voltaj değişkeni v tarafından tanımlandığı gibi pozitif olan terminal aracılığıyla cihaza girmek olarak tanımlandığı bileşenlerde , güç p ve direnç r ile verildiğini belirtir .

${\görüntüleme stili p=vi\,}$     ve     ${\görüntüleme stili r=v/i\,}$

i akımının, cihaza negatif gerilim terminalinden pozitif akım girecek şekilde tanımlandığı bileşenlerde , güç ve direnç ile verilir.

${\görüntüleme stili p=-vi\,}$   ve   ${\displaystyle r=-v/i\qquad\,}$

Bu tanımlarla pasif bileşenler (yükler) p > 0 ve r > 0, aktif bileşenler (güç kaynakları) p < 0 ve r < 0 olacaktır.

Açıklama

Güç kaynağı (aktif bileşen)

Yük (pasif bileşen)

E okları elektrik alanının yönünü temsil eder.

Aktif ve pasif bileşenler

Elektrik mühendisliğinde güç , belirli bir cihaza ( elektrik bileşeni ) veya kontrol hacmine giren veya çıkan elektrik enerjisinin oranını temsil eder . Güç, işaretli bir niceliktir ; negatif güç, pozitif gücün tam tersi yönde akan gücü temsil eder. Basit bir bileşen (bu şemalarda bir dikdörtgen olarak gösterilmiştir), elektrik akımının cihazdan geçtiği iki kablo ile devreye bağlanır . Güç akışı açısından, bir devredeki elektrik bileşenleri iki tipe ayrılabilir:

• Pil veya elektrik jeneratörü gibi bir kaynak veya aktif bileşende, akım, negatiften pozitif voltaj terminaline, daha büyük elektrik potansiyeli yönünde cihaz boyunca hareket etmeye zorlanır. Bu, elektrik yüklerinin potansiyel enerjisini arttırır, böylece elektrik gücü bileşenden devreye akar. E elektrik alanının karşıt kuvvetine karşı bu yönde hareket etmelerini sağlamak için, bileşendeki bir enerji kaynağı tarafından hareketli yükler üzerinde iş yapılmalıdır .
• Bir de yük ya da pasif bileşen, örneğin bir şekilde ampul , direnç ya da elektrik motoru , elektrik akımı ( geleneksel akım etkisi altında, cihazın üzerinde hareket ederken, pozitif yüklerin akış) elektrik alanı E düşük yönünde elektrik potansiyelinin , pozitif terminalden negatife. Böylece iş, bileşen üzerindeki yükler tarafından yapılır ; yüklerden potansiyel enerji akar; ve elektrik gücü devreden bileşene akar ve burada ısı veya mekanik iş gibi başka bir enerji biçimine dönüştürülür.

Bazı bileşenler, içlerinden geçen gerilime veya akıma bağlı olarak bir kaynak veya bir yük olabilir. Örneğin, şarj edilebilir bir pil , enerji sağlamak için kullanıldığında kaynak görevi görür, ancak yeniden şarj edildiğinde bir yük görevi görür. Bir kapasitör veya bir indüktör , sırasıyla harici devreden kendi elektrik veya manyetik alanında enerji depolarken bir yük görevi görür, ancak elektrik veya manyetik alandan depolanan enerjiyi harici devreye bırakırken bir kaynak görevi görür.

Her iki yönde de akabileceğinden, elektrik gücünü tanımlamanın iki olası yolu vardır; iki olası referans yönü : ya bir elektrik bileşenine akan güç, ya da bileşenden dışarı akan güç, pozitif olarak tanımlanabilir. Hangisi pozitif olarak tanımlanırsa, diğeri negatif olacaktır. Pasif işaret kongre keyfi güç akışı tanımlar içine (bileşen üzerinden çok pasif bileşenler "pozitif" güç akışına sahip pozitif olarak devrenin).

Bir AC ( alternatif akım ) devresinde, akımın her yarım döngüsünde akım ve gerilim anahtarı yönü, ancak yukarıdaki tanımlar hala geçerlidir. Herhangi bir anda, reaktif olmayan pasif bileşenlerde akım, pozitif terminalden negatife akar, reaktif olmayan aktif bileşenlerde ise diğer yönde akar. Ek olarak, reaktansa ( kapasitans veya endüktans ) sahip bileşenler enerjiyi geçici olarak depolarlar, bu nedenle AC döngüsünün farklı bölümlerinde kaynak veya yutak görevi görürler. Örneğin, bir kapasitörde, üzerindeki voltaj arttığında akım pozitif terminale yönlendirilir, bu nedenle bileşen devreden enerjiyi kendi elektrik alanında depolarken, voltaj düştüğünde akım dışarı yönlendirilir. pozitif terminaldir, bu nedenle bir kaynak görevi görür ve depolanan enerjiyi devreye geri döndürür. Kararlı durumdaki bir AC devresinde, reaktanslarda depolanan tüm enerji AC döngüsü içinde geri döndürülür, bu nedenle saf bir reaktans, bir kapasitör veya indüktör net güç tüketmez veya üretmez, dolayısıyla ne bir kaynak ne de bir yüktür.

Referans yönergeleri

Bir elektrik bileşeninin güç akışı p ve direnci r , güç için tanımlayıcı denklem ve Ohm yasası ile voltaj v ve akım i değişkenleriyle ilişkilidir :

${\displaystyle p=vi\qquad \qquad \qquad \,\,\,(1)\,}$

${\displaystyle r=v/i\qquad \qquad \qquad (2)\,}$

Güç gibi, voltaj ve akım da işaretli niceliklerdir. Bir teldeki akım akışının iki olası yönü vardır, bu nedenle bir akım değişkeni i tanımlanırken pozitif akım akışını temsil eden yön, genellikle devre şemasında bir okla belirtilmelidir. Buna akım i için referans yönü denir . Gerçek akım ters yönde ise, i değişkeni negatif bir değere sahip olacaktır.

Benzer şekilde, iki terminal arasındaki voltajı temsil eden bir v değişkenini tanımlarken , voltaj pozitif olduğunda pozitif olan terminal, genellikle bir artı işaretiyle belirtilmelidir. Bu, v gerilimi için referans yönü veya referans terminali olarak adlandırılır . Pozitif olarak işaretlenmiş terminal aslında diğerinden daha düşük bir voltaja sahipse, v değişkeni negatif bir değere sahip olacaktır.

Pasif işaret kuralını anlamak için , isteğe bağlı olarak atanabilecek v ve i değişkenlerinin referans yönlerini , devre tarafından belirlenen gerçek voltaj ve akımın yönünden ayırt etmek önemlidir . PSC'nin fikri , doğru ilişkiye sahip bir bileşende v ve i değişkenlerinin referans yönünü atayarak, Denklem 2'den hesaplanan pasif bileşenlerdeki güç akışıdır. (1) pozitif çıkarken aktif bileşenlerdeki güç akışı negatif çıkacaktır. Devreyi analiz ederken bir bileşenin güç üretip üretmediğini veya tükettiğini bilmek gerekli değildir; referans yönleri keyfi olarak, yönler akımlara ve polariteler voltajlara atanabilir, daha sonra bileşenlerdeki gücü hesaplamak için PSC kullanılır. Güç pozitif çıkarsa, bileşen bir yüktür, elektrik enerjisi tüketir ve onu başka bir tür enerjiye dönüştürür. Güç negatif çıkarsa, bileşen başka bir enerji biçimini elektrik enerjisine dönüştüren bir kaynaktır.

imza sözleşmeleri

Yukarıdaki tartışma, bir bileşendeki gerilim ve akım değişkenlerinin referans yönlerinin seçilmesinin, pozitif kabul edilen güç akışının yönünü belirlediğini göstermektedir. Bireysel değişkenlerin referans yönleri önemli değildir, sadece birbirleriyle olan ilişkileri önemlidir. İki seçenek var:

• Aktif işaret kuralı : akım değişkeninin referans yönü (pozitif akımın yönünü temsil eden ok), voltaj değişkeninin negatif referans terminalini gösterir. Bu, gerilim ve akım değişkenlerinin pozitif değerlere sahip olması durumunda, akımın cihazdan negatif terminalden pozitif terminaledoğru aktığı, dolayısıyla akım üzerinde iş yapıldığıve bileşendengüç çıktığı anlamına gelir. Böylece bileşenden akan güç pozitif olarak tanımlanır; güç değişkeni üretilen gücü temsil eder. Öyleyse:
  • Aktif bileşenler pozitif dirence ve pozitif güç akışına sahip olacaktır
  • Pasif bileşenlerin negatif direnci ve negatif güç akışı olacaktır.

Bu kural, güç mühendisliğindeki özel durumlar dışında nadiren kullanılır.

• Pasif işaret kuralı : akım değişkeninin referans yönü (pozitif akımın yönünü temsil eden ok), voltaj değişkeninin pozitif referans terminalini gösterir. Bu, voltaj ve akım değişkenleri pozitif değerlere sahipse, akım, pasif bir bileşende olduğu gibi, bileşen üzerinde iş yaparak pozitiften negatif terminale cihazdan geçer. Akan elektrik Yani içine hattından bileşen pozitifliği gibi tanımlanır; güç değişkeni, bileşendekigüç kaybını temsil eder. Öyleyse
  • Aktif bileşenler (güç kaynakları) negatif dirence ve negatif güç akışına sahip olacaktır.
  • Pasif bileşenler (yükler) pozitif dirence ve pozitif güç akışına sahip olacaktır.

Bu normalde kullanılan konvansiyondur.

Pratikte, PSC'ye uymak için bir devredeki gerilim ve akım değişkenlerini atamak gerekli değildir. Değişkenlerin "geri" bir ilişkiye sahip olduğu, mevcut değişkenin negatif terminale girdiği bileşenler, onlarla birlikte kullanılan kurucu ilişkilerin (1) ve (2) işareti değiştirilerek PSC'ye uygun hale getirilebilir. Negatif terminale giren bir akım, pozitif terminale giren negatif akıma eşdeğerdir, bu nedenle böyle bir bileşende

${\displaystyle p=v(-i)=-vi\,}$, ve

${\görüntüleme stili r=v/(-i)=-v/i\,}$

Enerjinin korunumu

Bir devredeki tüm değişkenleri PSC ile uyumlu olacak şekilde tanımlamanın bir avantajı , enerjinin korunumunu ifade etmeyi kolaylaştırmasıdır . Elektrik enerjisi yaratılamayacağı veya yok edilemeyeceği için, herhangi bir anda bir yük bileşeni tarafından tüketilen her watt gücün devredeki bazı kaynak bileşenler tarafından üretilmesi gerekir. Bu nedenle, yükler tarafından tüketilen tüm gücün toplamı, kaynaklar tarafından üretilen tüm gücün toplamına eşittir. PSC ile kaynaklardaki güç kaybı negatif ve yüklerdeki güç kaybı pozitif olduğundan, bir devredeki tüm bileşenlerdeki tüm güç tüketiminin cebirsel toplamı her zaman sıfırdır.

${\displaystyle \sum _{n}p_{n}=\sum _{n}v_{n}i_{n}=0\,}$

AC devreleri

İşaret kuralı , gerçek akımın yönüyle değil , yalnızca değişkenlerin yönleriyle ilgilendiğinden, voltaj ve akımın yönünün periyodik olarak tersine döndüğü alternatif akım (AC) devreleri için de geçerlidir . Bir AC devresinde, döngünün ikinci yarısında voltaj ve akım ters yönde olsa bile, herhangi bir anda PSC'ye uyar: pasif bileşenlerde anlık akım cihazdan pozitif terminalden negatif terminale akar. aktif bileşenler, bileşen boyunca negatif terminalden pozitif terminale akar. Reaktif olmayan devrelerde, güç, voltaj ve akımın ve hem voltaj hem de akımın ters yönünün ürünü olduğundan, iki işaretin ters çevrilmesi birbirini iptal eder ve güç akışının işareti, çevrimin her iki yarısında da değişmez.

Reaktanslı yüklerde, voltaj ve akım aynı fazda değildir, bu nedenle yük ayrıca her çevrimde devreye geri dönen bir miktar enerjiyi geçici olarak depolar, bu nedenle çevrimin bazı kısımlarında güç akışının anlık yönü tersine döner. Ancak ortalama güç hala pasif işaret kuralına uyar. Bir çevrimi üzerinde ortalama güç dağılımı olup burada, gerilim genliği, akım genliği ve aralarındaki faz açısıdır. Yükün direnci varsa faz açısı +90° ile -90° arasındadır, dolayısıyla ortalama güç pozitiftir. ${\displaystyle P=IV\cos {\theta}}$${\görüntüleme stili V}$${\görüntüleme stili I}$${\görüntüleme stili \teta}$${\görüntüleme stili \teta}$

Güç mühendisliğinde alternatif sözleşme

Pratikte, piller ve jeneratörler gibi güç kaynaklarının güç çıkışı, pasif işaret kuralı gereği negatif sayılarla verilmez. Hiçbir üretici "-5 kilovatlık jeneratör" satmaz. Elektrik güç devrelerinde standart uygulama, güç kaynaklarının yanı sıra yüklerin gücü ve direnci için pozitif değerler kullanmaktır. Bu, "negatif güç"ün ve özellikle " olumsuz direnişin " anlamı üzerindeki kafa karışıklığını önler . Hem kaynaklar hem de yükler için gücün pozitif çıkması için PSC yerine kaynaklar ve yükler için ayrı işaret konvansiyonları kullanılmalıdır. Bunlar, elektrik enerjisi mühendisliğinde kullanılan " jeneratör-yük kuralları " olarak adlandırılır.

• Jeneratör kuralı - Jeneratörler ve piller gibi kaynak bileşenlerde , V ve I değişkenleri yukarıdaki aktif işaret kuralına göre tanımlanır ; akım değişkeni, cihazın negatif terminaline girmek olarak tanımlanır.
• Yük kuralı - Yüklerde, değişkenler normal pasif işaret kuralına göre tanımlanır; mevcut değişken, pozitif terminale girmek olarak tanımlanır.

Bu kuralı kullanarak, kaynak bileşenlerdeki pozitif güç akışı üretilen güç iken, yük bileşenlerindeki pozitif güç akışı tüketilen güçtür . PSC'de olduğu gibi, belirli bir bileşendeki değişkenler geçerli kurala uymuyorsa, bileşen (1) ve (2)'deki negatif işaretler kullanılarak yine de bileşen uyumlu hale getirilebilir.

${\görüntüleme stili P=-VI\,}$   ve   ${\görüntüleme stili R=-V/I\,}$

Güç P ve direnç R her zaman pozitif değerlere sahip olduğundan, bu kural PSC'ye tercih edilebilir görünebilir . Ancak elektronikte kullanılamaz çünkü bazı elektronik bileşenleri açık bir şekilde "kaynaklar" veya "yükler" olarak sınıflandırmak mümkün değildir. Bazı elektronik bileşenler, çalışma aralıklarının bazı bölümlerinde negatif dirençli güç kaynakları ve diğer bölümlerde veya hatta AC çevriminin farklı bölümlerinde pozitif dirençli güç emiciler olarak hareket edebilir. Bir bileşenin güç tüketimi veya üretimi, onun akım-voltaj karakteristik eğrisine bağlıdır . Bileşenin kaynak olarak mı yoksa yük olarak mı davrandığı , devre analiz edilinceye kadar bilinmeyen, içindeki i akımına veya v gerilimine bağlı olabilir . Örneğin, şarj edilebilir bir pilin terminallerindeki voltaj, açık devre voltajından düşükse, bir kaynak görevi görürken, voltaj daha büyükse bir yük ve yeniden şarj görevi görür. Dolayısıyla güç ve direnç değişkenlerinin hem pozitif hem de negatif değerler alabilmesi gereklidir.

Referanslar