Forbigående prosesser i den elektriske kretsen

Forbigående prosesser er ikke uvanlige og er karakteristiske ikke bare for elektriske kretser. Det kan trekkes frem en rekke eksempler fra ulike felt innen fysikk og teknologi hvor slike fenomener forekommer.

For eksempel blir varmt vann som helles i en beholder gradvis avkjølt og temperaturen endres fra en startverdi til en likevektsverdi lik omgivelsestemperaturen. En pendel hentet fra hviletilstand utfører dempende svingninger og går til slutt tilbake til sin opprinnelige stasjonære stasjonære tilstand. Når en elektrisk måleenhet er tilkoblet, gjør nålen dens, før den stopper ved den tilsvarende skalainndelingen, flere svingninger rundt dette punktet på skalaen.

Stasjonær og transient modus av den elektriske kretsen

Når man analyserer prosessene i elektriske kretser du bør møte to driftsmoduser: etablert (stasjonær) og forbigående.

Den stasjonære modusen til en elektrisk krets koblet til en kilde med konstant spenning (strøm) er en modus der strømmene og spenningene i de enkelte grenene av kretsen er konstante over tid.

I en elektrisk krets koblet til en vekselstrømkilde er den stasjonære tilstanden preget av periodisk repetisjon av de øyeblikkelige verdiene av strømmer og spenninger i grenene ... I alle tilfeller av drift av kretser i stasjonære moduser, som teoretisk kan fortsette på ubestemt tid antas det at parametrene til det aktive signalet (spenning eller strøm), så vel som strukturen til kretsen og parametrene til dens elementer, ikke endres.

Strømmer og spenninger i stasjonær modus avhenger av typen ekstern påvirkning og parametrene til det elektriske målet.

En transient modus (eller en transient prosess) kalles en modus som oppstår i en elektrisk krets under overgangen fra en stasjonær tilstand til en annen, som på en eller annen måte er forskjellig fra den forrige, og spenningene og strømmene som følger med denne modusen - transiente spenninger og strømmer... En endring i stabil tilstand til en krets kan oppstå som et resultat av endrede eksterne signaler, inkludert å slå på eller av en kilde til ekstern påvirkning, eller det kan være forårsaket av svitsjing i selve kretsen.

Enhver endring i en elektrisk krets som får en transient til å oppstå kalles en kommutering.

Bytte av en elektrisk krets - prosessen med å bytte de elektriske tilkoblingene til elementene i den elektriske kretsen, koble fra en halvlederenhet (GOST 18311-80).

I de fleste tilfeller er det teoretisk tillatt å anta at vekslingen skjer momentant, d.v.s. ulike brytere i kretsen utføres uten å ta mye tid. Bytteprosessen i diagrammer er vanligvis vist med en pil nær bryteren.

Forbigående prosesser i virkelige kretser er raske... Deres varighet er tideler, hundredeler og ofte milliondeler av et sekund. Relativt sjelden når varigheten av disse prosessene noen få sekunder.

Spørsmålet oppstår naturligvis om det generelt er nødvendig å ta hensyn til forbigående regimer av så kort varighet. Svaret kan bare gis for hvert enkelt tilfelle, siden deres rolle under forskjellige forhold ikke er den samme. Deres betydning er spesielt stor i enheter designet for forsterkning, dannelse og konvertering av pulssignaler, når varigheten av signalene som virker på den elektriske kretsen står i forhold til varigheten av transientmodusene.

Transienter fører til at formen på pulser blir forvrengt når de passerer gjennom lineære kretser. Beregning og analyse av automatiseringsenheter, der det er en kontinuerlig endring i tilstanden til elektriske kretser, er utenkelig uten å ta hensyn til forbigående moduser.

I en rekke enheter er forekomsten av transiente prosesser generelt uønsket og farlig.Beregningen av transientmoduser i disse tilfellene gjør det mulig å bestemme mulige overspenninger og strømøkninger, som kan være mange ganger høyere enn spenningene og strømmene til den stasjonære. modus. Dette er spesielt viktig for kretser med betydelig induktans eller høy kapasitans.

Årsakene til overgangsprosessen

La oss vurdere fenomenene som oppstår i elektriske kretser under overgangen fra en stasjonær modus til en annen.

Vi inkluderer glødelampen i en seriekrets som inneholder en motstand R1, en bryter B og en konstant spenningskilde E.Etter at bryteren er lukket, vil lampen umiddelbart lyse opp, siden oppvarmingen av glødetråden og økningen i lysstyrken til gløden er usynlig for øyet. Betinget kan det antas at i en slik krets er den stasjonære strømmen lik Azo =E / (R1 + Rl), den installeres nesten umiddelbart, hvor Rl - aktiv motstand til glødetråden til lampen.

I lineære kretser som består av energikilder og motstander, forekommer ikke transienter knyttet til en endring i lagret energi i det hele tatt.

Ris. 1. Skjemaer for å illustrere transiente prosesser: a — krets uten reaktive elementer, b — krets med induktor, c — krets med kondensator.

Bytt ut motstanden med en L-spole hvis induktans er stor nok. Etter at du har lukket bryteren, kan du legge merke til at økningen i lysstyrken til lampens lys er gradvis. Dette viser at på grunn av tilstedeværelsen av en spole, når strømmen i kretsen gradvis sin stabile verdi. I'about =E / (rDa se + Rl), der rk — aktiv motstand til spoleviklingen.

Det neste eksperimentet vil bli utført med en krets bestående av en kilde med konstant spenning, motstander og en kondensator, parallelt med hvilken vi kobler et voltmeter (fig. 1, c). Hvis kapasiteten til kondensatoren er stor nok (flere titalls mikrofarader) og motstanden til hver av motstandene R1 og R2 flere hundre kilo-ohm, begynner nålen til voltmeteret å avvike jevnt og først etter at bryteren er lukket. noen sekunder settes den til riktig inndeling av skalaen.

Derfor er spenningen i kondensatoren, så vel som strømmen i kretsen, etablert i en relativt lang periode (tregheten til selve måleenheten i dette tilfellet kan neglisjeres).

Hva forhindrer øyeblikkelig etablering av en stasjonær modus i kretsene på fig. 1, b, c og årsaken til overgangsprosessen?

Årsaken til dette er elementene i elektriske kretser som er i stand til å lagre energi (de såkalte reaktive elementene): induktor (fig. 1, b) og kondensator (Fig. 1, c).

Forekomsten av forbigående prosesser er assosiert med særegenhetene ved endringer i energireservene i de reaktive elementene i kretsen ... Mengden energi som er lagret i magnetfeltet til induktoren L, der strømmen iL flyter, uttrykkes av formel: WL = 1/2 (LiL2)

Energien akkumulert i det elektriske feltet til en kondensator med kapasitet C ladet til en spenning ti° C er lik: W° C = 1/2 (Cu° C2)

Siden tilførselen av magnetisk energi WL bestemmes av strømmen i spolen iL og elektrisk energi W° C — spenning i kondensatoren ti° C, så i alle elektriske kretser, alle tre kommutasjoner, er to grunnleggende bestemmelser observert: spolestrømmen og kondensatorspenningen kan de ikke endre skarpt... Noen ganger er disse forskriftene formulert annerledes, nemlig: forholdet mellom spolefluksen og kondensatorladingen kan bare endres jevnt, uten hopp.

Fysisk er overgangsmodus prosesser for overgang av energitilstanden til kretsen fra pre-kommuteringsmodus til post-kommuteringsmodus. Hver stasjonær tilstand av en krets med reaktive elementer tilsvarer en viss mengde energi av elektriske og magnetiske felt.Overgangen til en ny stasjonær modus er forbundet med en økning eller reduksjon i energien til disse feltene og er ledsaget av utseendet til en forbigående prosess som slutter så snart endringen i energiforsyningen stopper. Hvis energitilstanden til kretsen ikke endres under bytte, oppstår ingen transienter.

Forbigående prosesser observeres under bytte når den stasjonære modusen til en elektrisk krets endres, som har elementer som er i stand til å lagre energi. Overganger skjer under følgende operasjoner:

a) slå på og av kretsen,

b) kortslutning individuelle grener eller elementer i kjeden,

c) frakobling eller tilkobling av grener eller kretselementer mv.

I tillegg oppstår transienter når pulssignaler tilføres elektriske kretser.