Más sobre la “polaridad” de CA

Los números complejos son útiles para el análisis de circuitos de CA porque proporcionan un método conveniente para denotar simbólicamente el cambio de fase entre cantidades de CA como voltaje y corriente.

Sin embargo, para la mayoría de la gente, la equivalencia entre vectores abstractos y cantidades de circuito reales no es fácil de comprender. Anteriormente en este capítulo, vimos cómo las fuentes de voltaje de CA reciben cifras de voltaje en forma compleja (magnitud y ángulo de fase), así como las marcas de polaridad.

Dado que la corriente alterna no tiene una "polaridad" establecida como lo hace la corriente continua, estas marcas de polaridad y su relación con el ángulo de fase tienden a ser confusas. Esta sección está escrita en un intento de aclarar algunos de estos problemas.

El voltaje es inherentemente relativo cantidad. Cuando medimos un voltaje, tenemos la opción de cómo conectar un voltímetro u otro instrumento de medición de voltaje a la fuente de voltaje, ya que hay dos puntos entre los cuales existe el voltaje y dos cables de prueba en el instrumento con los cuales hacer la conexión.

En los circuitos de CC, denotamos la polaridad de las fuentes de voltaje y las caídas de voltaje de manera explícita, usando los símbolos “+” y “-”, y usamos cables de prueba del medidor codificados por colores (rojo y negro). Si un voltímetro digital indica un voltaje de CC negativo, sabemos que sus cables de prueba están conectados "al revés" al voltaje (el cable rojo está conectado al "-" y el cable negro al "+").

Las baterías tienen su polaridad designada por medio de una simbología intrínseca:el lado de la línea corta de una batería es siempre el lado negativo (-) y el lado de la línea larga siempre es el positivo (+):(Figura siguiente)

Polaridad de batería convencional.

Aunque sería matemáticamente correcto representar el voltaje de una batería como una cifra negativa con marcas de polaridad invertida, sería decididamente poco convencional:(Figura siguiente)

Marca de polaridad decididamente poco convencional.

La interpretación de dicha notación podría ser más fácil si las marcas de polaridad “+” y “-” se vieran como puntos de referencia para los cables de prueba del voltímetro, el “+” significa “rojo” y el “-” significa “negro”. Un voltímetro conectado a la batería anterior con un cable rojo al terminal inferior y un cable negro al terminal superior indicaría un voltaje negativo (-6 voltios).

En realidad, esta forma de notación e interpretación no es tan inusual como podría pensar:se encuentra comúnmente en problemas de análisis de redes de CC donde las marcas de polaridad “+” y “-” se dibujan inicialmente de acuerdo con conjeturas fundamentadas y luego se interpretan como correctas. o "hacia atrás" según el signo matemático de la cifra calculada.

En los circuitos de CA, sin embargo, no tratamos con cantidades "negativas" de voltaje. En cambio, describimos hasta qué punto un voltaje ayuda o se opone a otro por fase :el cambio de tiempo entre dos formas de onda. Nunca describimos un voltaje de CA como de signo negativo, porque la facilidad de la notación polar permite que los vectores apunten en una dirección opuesta.

Si un voltaje de CA se opone directamente a otro voltaje de CA, simplemente decimos que uno está desfasado 180o con el otro.

Aún así, el voltaje es relativo entre dos puntos, y tenemos la opción de cómo conectar un instrumento de medición de voltaje entre esos dos puntos. El signo matemático de la lectura de un voltímetro de CC tiene significado solo en el contexto de las conexiones de los cables de prueba:qué terminal está tocando el cable rojo y qué terminal está tocando el cable negro.

Asimismo, el ángulo de fase de un voltaje de CA tiene significado solo en el contexto de saber cuál de los dos puntos se considera el punto de “referencia”. Debido a este hecho, las marcas de polaridad “+” y “-” a menudo se colocan en los terminales de un voltaje de CA en diagramas esquemáticos para dar al ángulo de fase indicado un marco de referencia.

Lectura del voltímetro por conexión de cable de prueba

Repasemos estos principios con algunas ayudas gráficas. Primero, el principio de relacionar las conexiones de los cables de prueba con el signo matemático de la indicación de un voltímetro de CC:(Figura siguiente)

Los colores de los cables de prueba proporcionan un marco de referencia para interpretar el signo (+ o -) de la indicación del medidor.

El signo matemático de la pantalla de un voltímetro de CC digital tiene significado solo en el contexto de sus conexiones de cables de prueba. Considere el uso de un voltímetro de CC para determinar si dos fuentes de voltaje de CC se están ayudando o se oponen entre sí, asumiendo que ambas fuentes no están etiquetadas en cuanto a sus polaridades.

Usando el voltímetro para medir a través de la primera fuente:(Figura siguiente)

(+) La lectura indica que el negro es (-), el rojo es (+).

Esta primera medición de +24 a través de la fuente de voltaje de la izquierda nos dice que el cable negro del medidor realmente está tocando el lado negativo de la fuente de voltaje # 1, y el cable rojo del medidor realmente está tocando el positivo. Por lo tanto, sabemos que la fuente n. ° 1 es una batería orientada en esta orientación:(Figura siguiente).

La fuente de 24 V está polarizada (-) a (+).

Midiendo la otra fuente de voltaje desconocida:(Figura siguiente)

(-) La lectura indica que el negro es (+), el rojo es (-).

Esta segunda lectura del voltímetro, sin embargo, es negativa (-) 17 voltios, lo que nos dice que el cable de prueba negro está tocando el lado positivo de la fuente de voltaje n. ° 2, mientras que el cable de prueba rojo está tocando el negativo. Por lo tanto, sabemos que la fuente n. ° 2 es una batería que se encuentra en el opuesto dirección:(Figura siguiente)

La fuente de 17 V está polarizada (+) a (-)

Para cualquier estudiante experimentado de la electricidad de CC debería ser obvio que estas dos baterías se oponen entre sí. Por definición, los voltajes opuestos restan unos de otros, por lo que restamos 17 voltios de 24 voltios para obtener el voltaje total entre los dos:7 voltios.

Sin embargo, podríamos dibujar las dos fuentes como cuadros anodinos, etiquetados con las cifras exactas de voltaje obtenidas por el voltímetro, las marcas de polaridad que indican la ubicación de los cables de prueba del voltímetro:(Figura siguiente)

Lecturas del voltímetro como se leen en los medidores.

Importancia de las marcas de polaridad

Según este diagrama, las marcas de polaridad (que indican la ubicación de los cables de prueba del medidor) indican las fuentes que ayudan El uno al otro. Por definición, ayudar a las fuentes de voltaje agregar entre sí para formar el voltaje total, por lo que agregamos 24 voltios a -17 voltios para obtener 7 voltios:sigue siendo la respuesta correcta.

Si dejamos que las marcas de polaridad guíen nuestra decisión de sumar o restar cifras de voltaje, ya sea que esas marcas de polaridad representen el verdadero polaridad o simplemente la orientación de los cables de prueba del medidor, e incluya los signos matemáticos de esas cifras de voltaje en nuestros cálculos, el resultado siempre será correcto.

Nuevamente, las marcas de polaridad sirven como marcos de referencia para colocar los signos matemáticos de las cifras de voltaje en el contexto adecuado.

Lo mismo ocurre con los voltajes de CA, excepto que el ángulo de fase sustituye al signo matemático . Para relacionar múltiples voltajes de CA en diferentes ángulos de fase entre sí, necesitamos marcas de polaridad para proporcionar marcos de referencia para los ángulos de fase de esos voltajes. (Figura siguiente)

Tomemos, por ejemplo, el siguiente circuito:

El ángulo de fase sustituye al signo ±.

Las marcas de polaridad muestran estas dos fuentes de voltaje ayudándose entre sí, por lo que para determinar el voltaje total a través de la resistencia debemos agregar las cifras de voltaje de 10 V ∠ 0 ° y 6 V ∠ 45 ° juntas para obtener 14.861 V ∠ 16.59 °.

Sin embargo, sería perfectamente aceptable representar la fuente de 6 voltios como 6 V ∠ 225 °, con un conjunto invertido de marcas de polaridad, y aún así llegar al mismo voltaje total:(Figura siguiente)

Invertir los cables del voltímetro en la fuente de 6V cambia el ángulo de fase en 180 °.

6 V ∠ 45 ° con negativo a la izquierda y positivo a la derecha es exactamente lo mismo que 6 V ∠ 225 ° con positivo a la izquierda y negativo a la derecha:la inversión de las marcas de polaridad complementa perfectamente la suma de 180 ° a la designación del ángulo de fase:(Figura siguiente)

La polaridad inversa agrega 180 ° al ángulo de fase

A diferencia de las fuentes de voltaje de CC, cuyos símbolos definen intrínsecamente la polaridad por medio de líneas cortas y largas, los símbolos de voltaje de CA no tienen marcas de polaridad intrínseca. Por lo tanto, las marcas de polaridad deben incluirse como símbolos adicionales en el diagrama y no existe una forma "correcta" de colocarlas.

Sin embargo, deben correlacionarse con el ángulo de fase dado para representar la verdadera relación de fase de ese voltaje con otros voltajes en el circuito.

REVISAR:

• Las marcas de polaridad a veces se dan a los voltajes de CA en los esquemas del circuito para proporcionar un marco de referencia para sus ángulos de fase.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de análisis de red de CA