Passiv skilte konvention - Passive sign convention

Illustration af " referenceretninger " for strøm- , spændings- og effektvariabler, der anvendes i passivskiltkonventionen. Hvis positiv strøm defineres som at strømme ind i enhedens terminal, der er defineret som positiv spænding, repræsenterer positiv effekt ( stor pil ) givet ved ligningen elektrisk strøm, der strømmer ind i enheden, og negativ effekt repræsenterer strøm, der strømmer ud.${\ displaystyle \ mathbf {i}}$${\ displaystyle \ mathbf {v}}$${\ displaystyle \ mathbf {p}}$${\ displaystyle \ mathbf {p} = \ mathbf {i} \ cdot \ mathbf {v}}$

I elektroteknik er den passive tegnkonvention ( PSC ) en tegnkonvention eller vilkårlig standardregel, der er vedtaget universelt af elektroteknikfællesskabet for at definere tegn på elektrisk strøm i et elektrisk kredsløb . Det fastsættes effekt, der strømmer ud af kredsløbet i en elektrisk komponent som positiv, og effekt, der strømmer ind i kredsløbet ud af en komponent som negative. Så en passiv komponent, der forbruger strøm, såsom et apparat eller en pære, vil have en positiv strømafbrydelse, mens en aktiv komponent, en strømkilde som en elektrisk generator eller et batteri , vil have en negativ strømafbrydelse. Dette er standarddefinitionen af ​​effekt i elektriske kredsløb; det anvendes for eksempel i computer kredsløb simuleringsprogrammer såsom SPICE .

For at opfylde den konvention, retningen af spænding og nuværende skal variabler, der anvendes til at beregne og modstandsevnen i komponenten har en vis relation: den aktuelle variabel skal defineres så positiv strøm ind i positive spændingstilslutning af indretningen. Disse retninger kan være forskellige fra retningerne for den aktuelle strømning og spænding.

Stævnet

Passivskiltkonventionen siger, at i komponenter, hvor den konventionelle strømvariabel i er defineret som at komme ind i enheden via terminalen, som er positiv som defineret af spændingsvariablen v , er effekten p og modstand r givet ved

${\ displaystyle p = vi \,}$     og     ${\ displaystyle r = v/i \,}$

I komponenter, hvor strømmen i er defineret således, at positiv strøm kommer ind i enheden via den negative spændingsterminal, gives effekt og modstand ved

${\ displaystyle p = -vi \,}$   og   ${\ displaystyle r = -v/i \ qquad \,}$

Med disse definitioner vil passive komponenter (belastninger) have p > 0 og r > 0, og aktive komponenter (strømkilder) vil have p <0 og r <0.

Forklaring

Strømkilde (aktiv komponent)

Belastning (passiv komponent)

Pilene E repræsenterer det elektriske felts retning

Aktive og passive komponenter

I elektroteknik repræsenterer strøm hastigheden af ​​elektrisk energi, der strømmer ind i eller ud af en given enhed ( elektrisk komponent ) eller kontrolvolumen . Strøm er en signeret mængde ; negativ effekt repræsenterer bare strøm, der strømmer i den modsatte retning fra positiv effekt. En simpel komponent (vist i disse diagrammer som et rektangel) er forbundet til kredsløbet med to ledninger, gennem hvilke elektrisk strøm passerer gennem enheden. Set fra strømningens synspunkt kan elektriske komponenter i et kredsløb opdeles i to typer:

• I en kilde eller aktiv komponent, såsom et batteri eller en elektrisk generator , tvinges strøm til at bevæge sig gennem enheden i retning af større elektrisk potentiale, fra den negative til den positive spændingsterminal. Dette øger de elektriske ladningers potentielle energi, så elektrisk strøm strømmer ud af komponenten ind i kredsløbet. Arbejdet skal ske på de bevægelige sigtelser efter nogle energikilde i komponenten, for at gøre dem bevæge sig i denne retning mod den modsatte kraft elektriske felt E .
• I en belastning eller passiv komponent, såsom en pære , modstand eller elmotor , bevæger elektrisk strøm ( konventionel strøm , strøm af positive ladninger) sig gennem enheden under påvirkning af det elektriske felt E i retning af lavere elektrisk potentiale , fra den positive terminal til den negative. Så der arbejdes ud fra afgifterne på komponenten; potentiel energi strømmer ud af ladningerne og elektrisk strøm strømmer fra kredsløbet ind i komponenten, hvor den omdannes til en anden form for energi, såsom varme eller mekanisk arbejde.

Nogle komponenter kan enten være en kilde eller en belastning, afhængigt af spændingen eller strømmen igennem dem. For eksempel fungerer et genopladeligt batteri som en kilde, når det bruges til at levere energi, men som en belastning, når det genoplades. En kondensator eller en induktor virker som en belastning, når den lagrer energi i sit elektriske eller magnetiske felt fra henholdsvis det eksterne kredsløb, men som en kilde, når den frigiver den lagrede energi fra det elektriske eller magnetiske felt til det eksterne kredsløb.

Da den kan flyde i begge retninger, er der to mulige måder at definere elektrisk strøm på; to mulige referenceretninger : enten strøm der strømmer ind i en elektrisk komponent, eller strøm der strømmer ud af komponenten, kan defineres som positiv. Uanset hvad der defineres som positivt, vil det andet være negativt. Den passive tegnkonvention definerer vilkårligt, at strøm, der strømmer ind i komponenten ( ud af kredsløbet), er positiv, så passive komponenter har "positiv" effektstrøm.

I et vekselstrømskredsløb ( strøm ) skifter strøm- og spændingsomskifteretningen med hver halvcyklus af strømmen, men definitionerne ovenfor gælder stadig. På et givet tidspunkt flyder strømmen i ikke -reaktive passive komponenter fra den positive terminal til den negative, mens den i ikke -reaktive aktive komponenter flyder den anden retning. Derudover lagrer komponenter med reaktans ( kapacitans eller induktans ) energi midlertidigt, så de fungerer som kilder eller synker i forskellige dele af vekselstrømscyklussen. For eksempel i en kondensator, når spændingen over den stiger, ledes strømmen ind i den positive terminal, så komponenten lagrer energi fra kredsløbet i sit elektriske felt, mens strømmen, når spændingen falder, ledes ud af strømmen positiv terminal, så den fungerer som en kilde og returnerer lagret energi til kredsløbet. I et AC-kredsløb i steady-state returneres al den energi, der er lagret i reaktanser inden for vekselstrømcyklussen, så en ren reaktans, en kondensator eller induktor, hverken forbruger eller producerer nettoeffekt, det er hverken en kilde eller en belastning.

Referencevejledning

Effektstrømmen p og modstand r for en elektrisk komponent er relateret til variablerne spænding v og strøm i ved den definerende ligning for effekt og Ohms lov :

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

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

Ligesom strøm er spænding og strøm signeret mængder. Strømmen i en ledning har to mulige retninger, så når der defineres en strømvariabel i, skal retningen, der repræsenterer positiv strømstrøm, angives, normalt med en pil på kredsløbsdiagrammet. Dette kaldes referenceretning for nuværende i . Hvis den aktuelle strøm er i den modsatte retning, vil variablen i have en negativ værdi.

På samme måde ved definition af en variabel v, der repræsenterer spændingen mellem to terminaler, skal terminalen, der er positiv, når spændingen er positiv, specificeres, normalt med et plustegn. Dette kaldes referenceretning eller referenceterminal for spænding v . Hvis terminalen markeret positiv faktisk har en lavere spænding end den anden, vil variablen v have en negativ værdi.

For at forstå konventionen om passivt tegn er det vigtigt at skelne referenceretningerne for variablerne, v og i , som kan tildeles efter ønske, fra retningen af ​​den faktiske spænding og strøm , som bestemmes af kredsløbet. Ideen med PSC er, at ved tildeling af referenceretningen for variablerne v og i i en komponent med det rigtige forhold, beregnes effektstrømmen i passive komponenter ud fra ligning. (1) vil komme positivt ud, mens effektstrømmen i aktive komponenter vil komme ud negativ. Det er ikke nødvendigt at vide, om en komponent producerer eller forbruger strøm ved analyse af kredsløbet; referenceretninger kan tildeles vilkårligt, retninger til strømme og polariteter til spændinger, derefter bruges PSC til at beregne effekten i komponenter. Hvis strømmen kommer positivt ud, er komponenten en belastning, der forbruger elektrisk energi og konverterer den til en anden form for energi. Hvis strømmen kommer negativ ud, er komponenten en kilde, der konverterer en anden form for energi til elektrisk energi.

Skilt konventioner

Ovenstående diskussion viser, at valg af referenceretninger for spændings- og strømvariablerne i en komponent bestemmer retningen af ​​effektstrømmen, der betragtes som positiv. Referenceretningerne for de enkelte variabler er ikke vigtige, kun deres relation til hinanden. Der er to valg:

• Aktivt tegn konvention : referenceretningen for den aktuelle variabel (pilen repræsenterer retningen af ​​positiv strøm) peger ind i den negative referenceterminal i spændingsvariablen. Dette betyder, at hvis spændings- og strømvariablerne har positive værdier, strømmer strøm gennem enheden fra den negative til den positive terminal, så der arbejdes på strømmen, og strømmen strømmer ud af komponenten. Så strøm der strømmer ud af komponenten er defineret som positiv; effektvariablen repræsenterer produceret effekt. Derfor:
  • Aktive komponenter vil have positiv modstand og positiv effektstrøm
  • Passive komponenter vil have negativ modstand og negativ effektstrøm

Denne konvention bruges sjældent, bortset fra særlige tilfælde inden for energiteknik.

• Passivskiltkonvention : referenceretningen for den aktuelle variabel (pilen repræsenterer retningen af ​​positiv strøm) peger ind i den positive referenceterminal i spændingsvariablen. Dette betyder, at hvis spændings- og strømvariablerne har positive værdier, strømmer strømmen gennem enheden fra den positive til den negative terminal og udfører arbejde på komponenten, som det sker i en passiv komponent. Så strøm, der strømmer ind i komponenten fra ledningen, er defineret som positiv; effektvariablen repræsenterer effekttab i komponenten. Derfor
  • Aktive komponenter (strømkilder) vil have negativ modstand og negativ effektstrøm
  • Passive komponenter (belastninger) vil have positiv modstand og positiv effektstrøm

Dette er den konvention, der normalt bruges.

I praksis er det ikke nødvendigt at tildele spændings- og strømvariablerne i et kredsløb for at overholde PSC. Komponenter, hvor variablerne har et "bagud" forhold, hvor den aktuelle variabel kommer ind i den negative terminal, kan stadig gøres til at overholde PSC ved at ændre tegnet på de konstitutive relationer (1) og (2), der bruges med dem. En strøm, der kommer ind i den negative terminal, svarer til en negativ strøm, der kommer ind i den positive terminal, så i en sådan komponent

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

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

Bevaring af energi

En fordel ved at definere alle variablerne i et kredsløb for at overholde PSC er, at det gør det let at udtrykke energibesparelse . Da elektrisk energi ikke kan skabes eller ødelægges, skal hvert watt strøm forbrugt af en belastningskomponent på et givet tidspunkt produceres af en eller anden kildekomponent i kredsløbet. Derfor er summen af ​​al den effekt, der forbruges af belastninger, lig med summen af ​​al den effekt, der produceres af kilder. Da med PSC er effekttab i kilder negativ og effekttab i belastninger positiv, er den algebraiske sum af al strømafbrydelse i alle komponenterne i et kredsløb altid nul

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

AC kredsløb

Da tegnkonventionen kun omhandler variablernes retninger og ikke om retningen af ​​den aktuelle strøm , gælder den også for vekselstrøm (AC) kredsløb, hvor retningen af ​​spændingen og strømmen periodisk vender. I et vekselstrømskredsløb, selvom spændingen og strømmen vender om i løbet af anden halvdel af cyklussen, adlyder den på et givet tidspunkt PSC: i passive komponenter strømmer den øjeblikkelige strøm gennem enheden fra den positive til den negative terminal, mens den er i aktive komponenter flyder det gennem komponenten fra den negative til den positive terminal. I ikke -reaktive kredsløb, da strøm er produktet af spænding og strøm, og både spændingen og strømens omvendte retning, annullerer de to tegnvendinger hinanden, og tegnet på strømstrømmen er uændret i begge halvdele af cyklussen.

I belastninger med reaktans er spændingen og strømmen ikke i fase, så belastningen lagrer også midlertidigt noget energi, der returneres til kredsløbet hver cyklus, så den øjeblikkelige retning af strømstrømmen vender under dele af cyklussen. Den gennemsnitlige effekt adlyder dog stadig passivskiltkonventionen. Den gennemsnitlige effekttab over en cyklus er , hvor er spændingsamplituden, den aktuelle amplitude og er fasevinklen mellem dem. Hvis belastningen har modstand er fasevinklen mellem +90 ° og −90 °, så den gennemsnitlige effekt er positiv. ${\ displaystyle P = IV \ cos {\ theta}}$${\ displaystyle V}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

Alternativ konvention i kraftteknik

I praksis er strømudgang fra strømkilder som f.eks. Batterier og generatorer ikke angivet i negative tal, som krævet af passivskiltkonventionen. Ingen producent sælger en "−5 kilowatt generator". Standardpraksis i elektriske kredsløb er at bruge positive værdier for strøm og modstand fra strømkilder såvel som belastninger. Dette undgår forvirring om betydningen af ​​"negativ magt" og især " negativ modstand ". For at få strømmen til både kilder og belastninger til at komme positivt ud, i stedet for PSC, skal der bruges separate skiltekonventioner for kilder og belastninger. Disse kaldes " generator-belastningskonventionerne ", der bruges inden for elektrisk teknik

• Generatorkonvention - I kildekomponenter som generatorer og batterier er variablerne V og I defineret i henhold til konventionelt aktivt tegn ovenfor; den aktuelle variabel er defineret som indtastning af enhedens negative terminal.
• Belastningskonvention - I belastninger er variablerne defineret i henhold til den normale passive tegnkonvention; den aktuelle variabel er defineret som indtastning af den positive terminal.

Ved hjælp af denne konvention, positiv effekt flow i kildekomponenter er strøm produceret , mens positiv effekt flow i load komponenter er strøm forbruges . Som med PSC, hvis variablerne i en given komponent ikke er i overensstemmelse med den gældende konvention, kan komponenten stadig gøres i overensstemmelse med brug af negative tegn i konstitutive ligninger (1) og (2)

${\ displaystyle P = -VI \,}$   og   ${\ displaystyle R = -V/I \,}$

Denne konvention kan synes at foretrække frem for PSC, da effekten P og modstand R altid har positive værdier. Det kan dog ikke bruges i elektronik , fordi det ikke er muligt at klassificere nogle elektroniske komponenter entydigt som "kilder" eller "belastninger". Nogle elektroniske komponenter kan fungere som strømkilder med negativ modstand i nogle dele af deres driftsområde og som absorbere af strøm med positiv modstand i andre dele eller endda i forskellige dele af vekselstrømscyklussen. Strømforbruget eller produktionen af ​​en komponent afhænger af dens karakteristiske kurve for strøm -spænding . Om komponenten fungerer som en kilde eller belastning, kan afhænge af strømmen i eller spændingen v i den, hvilket ikke er kendt, før kredsløbet er analyseret. For eksempel, hvis spændingen over et genopladeligt batteris terminaler er mindre end dens åbne kredsløbsspænding, vil den fungere som en kilde, mens hvis spændingen er større, vil den fungere som en belastning og genoplade. Så det er nødvendigt for effekt- og modstandsvariabler at kunne antage både positive og negative værdier.

Referencer