變壓器極性-用指針電錶測量-示波器XY模式看相位差

變壓器有極性嗎? 有的,只不過它的極性並非像二極體般有指定正負極, 變壓器極性 指的是一次側與二次側之間的關係,我們可以用電壓或電流來敘述它們之間的關係。常有人說變壓器本身是工作在交流電,何來極性的說法? 更沒有正負極之說,有這種疑問的朋友,就要好好看我下面的解釋。

變壓器是線圈繞出來的,而交流電的方向是正負交互替換,以變壓器的單側來看確實沒有正負極之分,但若考慮另一側就有區分了。假設變壓器輸入端的兩個端點其瞬間電壓分別為正與負,那麼輸出端的兩個端點到底是”正負”還是”負正”呢? 這個就是變壓器的極性問題,它討論的是兩側的極性彼此的關係,而不是單側的極性。

變壓器極性

變壓器極性極在實務上要如何判斷呢? 通常我都會先自行定義輸入端的正負極,接著再輸入訊號,並觀察輸出端的電壓變化用以判斷輸出端的正負極,同正同負的地方就是同極性。

同級性的端點,在電路符號上都會在端子旁打上一個點來標示,下圖中我手上拿的那一顆就是一個變壓器,它的電路符號左右兩側都有打黑點,表示同極性,意思就是說當電流由左側的黑點進去的話,感應電流會從右側的黑點出來,你也可以說若左側的黑點為正極的同時,右側的黑點也同時為正極,當然交流電的方向會正負變換,所以若左側黑點為負極的話,右側黑點也會同時為負極。

變壓器的實體與電路符號
變壓器的實體與電路符號

雖然變壓器的電路符號有標黑點,但如果你仔細看變壓器實體的話,它實際上並沒有打上任何點,所以極性你就得自己找了,下面幾個段落就會告訴各位如何確定變壓器的極性。

再來附帶一提的是變壓器的端點,實體的兩側都有三個端點,怎麼跟上圖電路符號的兩個端點不一樣? 這個多出來的端點就是線圈的中間點,這稱為中間抽頭,真的就是線圈從中間點拉出來,讓你可以得到不同電壓。變壓器一側的三個接點標示為0-110V-220V,另一側的三個接點則標示24V-0-24V,它的意思就是可以把110V轉成24V或是220V轉成48V,反之亦然,但待會我使用的時候,只會使用最外圍的兩個端子,不會用到中間的端子。

極性測試-反極性

這一段就要來實際測試變壓器的極性了,首先需要一個類比的指針電錶,並把電錶的正負探針接到變壓器的220V高壓側,同時在變壓器的低壓側先準備一顆1.5V乾電池,先接電池的一端,電池的另一端先不接喔,等到一切就緒的時候再把電池開路的那端接上變壓器。

為何這樣能判斷極性呢? 因為當電池觸碰變壓器端子的瞬間,電流會從無到有,是一種電流的變化,因此電流變化會產生磁場變化,同時在變壓器的另一端感應出電壓,而這個電壓就可以從指針電錶觀察到。如下圖我將黑色負極的電池線觸碰變壓器右下角的端子,指針馬上往左邊跳一下,跳到底的時候也就是下圖黃色箭頭處,它剛好是錶頭的底部。指針本來是在刻度0的位置,此時它比刻度0還要左邊,而且還打到底,表示這是一個破錶的負電壓,也就是說下圖右邊黑色線接觸的端子,與左邊的黑色探針所接觸的端子,它們彼此互為反極性,因此我們可以推論右邊紅色夾子的端子與左邊黑色夾子的端子為同極性,也就是說這個變壓器的對角端子互為同極性。

指針顯示變壓器端子為反極性
指針顯示變壓器端子為反極性

要做這個實驗有一些眉角,例如電錶必須要接在高壓側,因為這樣才能讓電錶容易感應到電壓,畢竟另一側的電源僅有1.5V而已啊,考量這是一顆110:24的變壓器,如果把電池接在高壓側,那麼電壓到了另一側就變得更小,電錶可能會觀察不到。另外這一切都發生得很快,指針往左跳到底之後會很快地就恢復到刻度0,所以你的眼睛必須要盯著指針看才能觀察到這個現象,這也是這個實驗必須要用類比式指針電錶的原因,若使用數位電表比較無法觀察到數值的跳動,它的取樣率太低,可能會沒抓到指針跳動的最大值。

至於電錶的檔位該開在哪裡呢? 因為現在處理的是直流訊號,而且我們需要指針能夠左右偏轉,所以要開直流檔位DCV,才會有方向性,如果開交流檔位則只會向右偏轉,這樣就看不出方向性。

但直流檔位的範圍要開多大呢? 這個就要用試的,並不是把1.5V直接乘上匝數比就是你會看到的刻度喔,那是穩定的交流電才能直接這樣算,我們現在處理的並不是穩定的交流電,而是電壓由低到高的直流段差,這個在變壓器輸入端由低到高的電壓變化,就會在輸出端形成一個正相的脈衝波,脈衝波的電壓與磁場的變化程度成正比,只是輸出脈衝的電壓高度這部分比較難預測。例如我一開始電壓檔位是選10V,實測之後發現指針似乎沒有太大反應,就降低為2.5V,如此就可以觀察到指針變化了。

極性測試-同極性

既然剛才的指針是反著跳動,還打到錶頭的左邊框,那我們就來試試讓指針往右邊移動,看看正常的反應是甚麼樣子。雖然剛才在前一段的測試中,我們其實就已經能夠判斷變壓器的極性了,也就是變壓器對角的端子是同極性,只不過我對於實驗有潔癖,所以一定要弄一個同極性的測試來玩玩。作法就是將1.5V的乾電池反過來接,也就是改由電池的正極接觸變壓器右下角的端子,如此一來磁通方向就會與剛才反向,感應出來的電壓極性也會相反。

實驗的結果如下圖,當我將正極的紅色電池線觸碰變壓器的右下角端子,電錶的指針馬上就往右邊跳一下,最大的幅度是在黃色箭頭的地方,這就說明了下圖中黑色夾子的端子彼此互為同極性,這個結論與前一段是相同的。

指針顯示變壓器為同極性
指針顯示變壓器為同極性

冷次定律Lenz’s Law-欲迎還拒

剛才不管是同極性或是反極性的測試,當實驗做完總是需要把電源線移開,在將電源移開的當下,各位會發現電錶的指針會往反方向走,這個現象稱為冷次定律。以剛才的同相位測試為例,在紅色正極觸碰端子的當下,雖然指針是向右跳動,但是當我們把紅色正極從端子上移開的時候,指針卻會向左跳動,我剛好截取了這個瞬間的畫面如下圖。

電源移開端子時指針往反方向跳動
電源移開端子時指針往反方向跳動

這個現象是電磁學裡面很重要的一個定律,稱為冷次定律Lenz’s Law,它描述了感應電流的方向為抗拒磁通量變化的方向,這句話翻譯成白話就是”欲迎還拒”,例如男生追女朋友,約了好幾次都沒成功,最後男生採取暫時冷處理的策略,這時女生反而自己貼上來,這樣的狀況在人類社會裡面屢見不鮮,殺價也是如此,當你轉頭要走了,商家就說好啦! 賠錢賣你,這就是欲迎還拒,冷次定律講的就是這件事,它是個相當人性化的自然現象。當紅色正極要離開變壓器端子的時候,整個系統會朝著不要讓它離開的趨勢進行,所以指針會反轉,希望能將紅色線留下來,可惜我的手最後還是離開端子了,於是最後指針仍歸於刻度0,彷彿一切都沒發生過,但紅色線離開的那一瞬間,指針變化可是很劇烈的。

變壓器的相位

變壓器極性有很重要嗎? 如果我們是要將變壓器單純用來降壓,那麼它的極性就不是那麼重要,因為變壓器輸出端的電壓也是交流電,與輸入端是否有同步我們並不是太需要在意。但如果你是要將變壓器做串聯或並聯,那麼你一定要考慮極性,否則就會出現電壓異常,例如三相電源的變壓器,有時候會使用三顆獨立的變壓器去接線,以Y接法來說,這時候就必須將同極性的端子接在一起,變壓器才能正常工作。

變壓器的輸出與輸入端是完全獨立的,你可以自行定義兩側的電位,變壓器只保證輸出的電位差而已,所以在完全沒有更動變壓器的情況下,只需要將輸出端的接線兩極對調,就可以得到正負相反的波形。

如下圖,我將訊號產生器的訊號線接變壓器左上端子,並接上示波器的CH1,顏色為黃色;另外將變壓器的右下端子接示波器的CH2,顏色為藍色。根據前面的結論,訊號接變壓器對角端子的話,會是同極性的接法,你看下圖的示波器,黃色CH1與藍色CH2的波形正是同相位的狀態。

變壓器輸出同相位的波形
變壓器輸出同相位的波形

接著我將變壓器輸出端的示波器探棒與接地夾對調位置,如下圖各位就會發現黃色CH1與藍色CH2的波形呈現反向的狀態,變壓器本身沒有任何改變,我僅是將示波器的探棒接法對調而已,這一對調就等同於將輸出端的接地位置重新定義,因此對示波器來說波形會反相。所以若有多個變壓器要彼此連接,極性絕對是需要考慮的因素。

探棒訊號與接地對調形成反相波形
探棒訊號與接地對調形成反相波形

剛才看變壓器的輸入與輸出訊號似乎都是正相與反相而已,所謂正相就是你上升我也上升,你下降我也下降,彼此是同趨勢,也就是沒有相位差;另外所謂反相就是你上升我下降,你下降我上升,這就是完全唱反調的概念,這種相位差稱為180度。

那有沒有介於中間角度的相位差呢? 有的,當我們把輸入頻率往上調的時候,你就會看到相位差了,下圖是400Hz的弦波,輸入與輸出的視覺振福相同,變壓器兩側彼此完全同步沒有相位差。

變壓器兩側同相位的波形
變壓器兩側同相位的波形

示波器的XY Mode

但是你會發現上圖中的示波器畫面竟然是條斜線,那是因為我把顯示模式設定為XY mode,意思就是把CH1畫在X軸,把CH2畫在Y軸,這個模式很適合觀察相位差,只要有相位差它就會出現傾斜的橢圓形,如果是相位差90度,那就會是圓形或正橢圓。使用XY mode的好處是不需要調整時基Time base就可以觀察相位差,因為一般若要用波形來觀察頻率響應的相位差的話,需要不斷的調整時基,將波形Zoom in,才會方便肉眼觀察。

XY Mode就是將兩個波形分別畫在XY軸
XY Mode就是將兩個波形分別畫在XY軸

相位的頻率響應

剛才前面在XY mode看到的直線是在400Hz的情況下得到的,表示在這個頻率上沒有相位差,但若我們將頻率增加,例如增加到4000Hz,那麼各位就會發現XY mode的圖形變成傾斜的橢圓了如下圖,這就表示CH1與CH2之間有相位差,而且隨著頻率增加,這個橢圓的傾斜角度會越來越大,甚至超過90度,這種相位差隨著頻率而變化的情況,稱為相位的頻率響應。

在電子的領域內振幅、相位都會有頻率響應,所以在設計電路或是找零件的時候,必須要考慮工作的頻率在哪裡,再來尋找適合的零件,否則零件的訊號輸出可能會不是你要的喔。

頻率增加產生相位差
頻率增加產生相位差

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