Transienta processer i den elektriska kretsen
Transienta processer är inte ovanliga och är karakteristiska inte bara för elektriska kretsar. Ett antal exempel kan nämnas från olika fysik- och teknikområden där sådana fenomen förekommer.
Till exempel kyls hett vatten som hälls i en behållare gradvis och dess temperatur ändras från ett initialt värde till ett jämviktsvärde lika med omgivningstemperaturen. En pendel hämtad från vilotillstånd utför dämpande svängningar och återgår så småningom till sitt ursprungliga stationära stationära tillstånd. När en elektrisk mätanordning är ansluten gör dess nål, innan den stannar vid motsvarande skalindelning, flera svängningar runt denna punkt på skalan.
Stationärt och transientläge för den elektriska kretsen
När man analyserar processerna i elektriska kretsar Du bör möta två driftsätt: etablerad (stationär) och transient.
Det stationära läget för en elektrisk krets ansluten till en källa med konstant spänning (ström) är ett läge där strömmarna och spänningarna i kretsens individuella grenar är konstanta över tiden.
I en elektrisk krets ansluten till en växelströmskälla kännetecknas det stationära tillståndet av periodisk upprepning av de momentana värdena av strömmar och spänningar i grenarna... I alla fall av drift av kretsar i stationära lägen, som teoretiskt kan fortsätta på obestämd tid antas det att parametrarna för den aktiva signalen (spänning eller ström), såväl som kretsens struktur och parametrarna för dess element, inte ändras.
Strömmar och spänningar i stationärt läge beror på typen av yttre påverkan och på parametrarna för det elektriska målet.
Ett transientläge (eller en transientprocess) kallas ett läge som inträffar i en elektrisk krets under övergången från ett stationärt tillstånd till ett annat, vilket på något sätt skiljer sig från det föregående, och de spänningar och strömmar som följer med detta läge - transientspänningar och strömmar... En förändring i en krets stabila tillstånd kan uppstå som ett resultat av förändrade externa signaler, inklusive att slå på eller stänga av en källa till yttre påverkan, eller så kan det orsakas av att kretsen själv byts.
Omkoppling av en elektrisk krets — processen att byta de elektriska anslutningarna för elementen i den elektriska kretsen, koppla bort en halvledarenhet (GOST 18311-80).
I de flesta fall är det teoretiskt tillåtet att anta att omkopplingen sker momentant, d.v.s. olika omkopplare i kretsen utförs utan att ta mycket tid. Växlingsprocessen i diagram visas vanligtvis med en pil nära omkopplaren.
Transienta processer i verkliga kretsar är snabba... Deras varaktighet är tiondelar, hundradelar och ofta miljondelar av en sekund. Relativt sällan når varaktigheten av dessa processer några sekunder.
Naturligtvis uppstår frågan om det generellt är nödvändigt att ta hänsyn till övergående regimer av så kort varaktighet. Svaret kan bara ges för varje specifikt fall, eftersom deras roll under olika förhållanden inte är densamma. Deras betydelse är särskilt stor i anordningar utformade för förstärkning, bildning och omvandling av pulssignaler, när varaktigheten av signalerna som verkar på den elektriska kretsen är proportionerlig med varaktigheten av de transienta moderna.
Transienter gör att formen på pulser förvrängs när de passerar genom linjära kretsar. Beräkning och analys av automationsanordningar, där det sker en kontinuerlig förändring i tillståndet för elektriska kretsar, är otänkbart utan att ta hänsyn till transienta lägen.
I ett antal enheter är förekomsten av transienta processer i allmänhet oönskade och farliga.Beräkningen av transienta lägen i dessa fall gör det möjligt att bestämma möjliga överspänningar och strömökningar, som kan vara många gånger högre än spänningarna och strömmarna för den stationära läge. Detta är särskilt viktigt för kretsar med betydande induktans eller hög kapacitans.
Skälen till övergångsprocessen
Låt oss överväga de fenomen som uppstår i elektriska kretsar under övergången från ett stationärt läge till ett annat.
Vi inkluderar glödlampan i en seriekrets som innehåller ett motstånd R1, en omkopplare B och en konstant spänningskälla E.När omkopplaren är stängd tänds lampan omedelbart, eftersom uppvärmningen av glödtråden och ökningen av ljusstyrkan i dess glöd är osynliga för ögat. Villkorligt kan det antas att i en sådan krets är den stationära strömmen lika med Azo =E / (R1 + Rl), den installeras nästan omedelbart, där Rl - aktivt motstånd hos lampans glödtråd.
I linjära kretsar som består av energikällor och resistorer uppstår inte transienter som är förknippade med en förändring av lagrad energi alls.
Ris. 1. Schema för att illustrera transienta processer: a — krets utan reaktiva element, b — krets med induktor, c — krets med kondensator.
Byt ut motståndet mot en L-spole vars induktans är tillräckligt stor. Efter att ha stängt strömbrytaren kan du märka att ökningen av ljusstyrkan hos lampans glöd är gradvis. Detta visar att på grund av närvaron av en spole når strömmen i kretsen gradvis sitt stabila tillståndsvärde. I'about =E / (rDa se + Rl), där rk — aktivt motstånd för spollindningen.
Nästa experiment kommer att utföras med en krets bestående av en källa med konstant spänning, motstånd och en kondensator, parallellt med vilken vi ansluter en voltmeter (fig. 1, c). Om kondensatorns kapacitet är tillräckligt stor (flera tiotals mikrofarader) och resistansen hos var och en av motstånden R1 och R2 flera hundra kilo-ohm, börjar voltmeterns nål mjukt avvika efter att ha stängts. några sekunder ställs den in på lämplig indelning av skalan.
Därför är spänningen i kondensatorn, såväl som strömmen i kretsen, etablerad under en relativt lång tidsperiod (trögheten hos själva mätanordningen i detta fall kan försummas).
Vad förhindrar det momentana upprättandet av ett stationärt läge i kretsarna i fig. 1, b, c och anledningen till övergångsprocessen?
Anledningen till detta är elementen i elektriska kretsar som kan lagra energi (de så kallade reaktiva elementen): induktor (Fig. 1, b) och kondensator (Fig. 1, c).
Energin som ackumuleras i det elektriska fältet hos en kondensator med kapacitet C laddad till en spänning ti° C är lika med: W° C = 1/2 (Cu° C2)
Eftersom tillförseln av magnetisk energi WL bestäms av strömmen i spolen iL och elektrisk energi W° C — spänning i kondensatorn ti° C, då i alla elektriska kretsar, valfria tre kommutationer, iakttas två grundläggande bestämmelser: spolströmmen och kondensatorspänningen kan de inte ändra kraftigt... Ibland är dessa regler formulerade annorlunda, nämligen: förhållandet mellan spolflödet och kondensatorladdningen kan bara ändras smidigt, utan hopp.
Fysiskt är övergångsmoder övergångsprocesser för kretsens energitillstånd från förkommuteringsmoden till postkommuteringsmoden. Varje stationärt tillstånd i en krets med reaktiva element motsvarar en viss mängd energi av elektriska och magnetiska fält.Övergången till ett nytt stationärt läge är förknippat med en ökning eller minskning av energin i dessa fält och åtföljs av uppkomsten av en övergående process som slutar så snart förändringen i energitillförseln upphör. Om kretsens energitillstånd inte ändras under omkoppling, inträffar inga transienter.
a) slå på och stänga av kretsen,
b) kortslutning enskilda grenar eller delar av kedjan,
c) frånkoppling eller inkoppling av grenar eller kretselement m.m.
Dessutom uppstår transienter när pulssignaler appliceras på elektriska kretsar.