Forbigående processer i det elektriske kredsløb
Forbigående processer er ikke usædvanlige og er karakteristiske ikke kun for elektriske kredsløb. Der kan nævnes en række eksempler fra forskellige områder inden for fysik og teknologi, hvor sådanne fænomener forekommer.
For eksempel afkøles varmt vand, der hældes i en beholder, gradvist, og dets temperatur ændres fra en begyndelsesværdi til en ligevægtsværdi svarende til den omgivende temperatur. Et pendul bragt fra en hviletilstand udfører dæmpende svingninger og vender til sidst tilbage til sin oprindelige stationære stationære tilstand. Når en elektrisk måleanordning er tilsluttet, foretager dens nål, før den stopper ved den tilsvarende skalainddeling, flere svingninger omkring dette punkt på skalaen.
Stationær og transient tilstand af det elektriske kredsløb
Når man analyserer processerne i elektriske kredsløb du bør støde på to driftsformer: etableret (stationær) og forbigående.
Den stationære tilstand af et elektrisk kredsløb forbundet med en kilde med konstant spænding (strøm) er en tilstand, hvor strømme og spændinger i de enkelte grene af kredsløbet er konstante over tid.
I et elektrisk kredsløb forbundet med en vekselstrømkilde er den stationære tilstand karakteriseret ved periodisk gentagelse af de øjeblikkelige værdier af strømme og spændinger i grenene... I alle tilfælde af drift af kredsløb i stationære tilstande, som teoretisk kan fortsætte på ubestemt tid antages det, at parametrene for det aktive signal (spænding eller strøm), såvel som strukturen af kredsløbet og parametrene for dets elementer, ikke ændres.
Strømme og spændinger i stationær tilstand afhænger af typen af ekstern påvirkning og af parametrene for det elektriske mål.
En transient tilstand (eller en transient proces) kaldes en tilstand, der forekommer i et elektrisk kredsløb under overgangen fra en stationær tilstand til en anden, som på en eller anden måde er forskellig fra den foregående, og de spændinger og strømme, der ledsager denne tilstand - transiente spændinger og strømme... En ændring i et kredsløbs konstante tilstand kan opstå som et resultat af skiftende eksterne signaler, herunder at tænde eller slukke for en kilde til ekstern påvirkning, eller det kan være forårsaget af kobling i selve kredsløbet.
Skift af et elektrisk kredsløb - processen med at skifte de elektriske forbindelser af elementerne i det elektriske kredsløb, afbryde en halvlederenhed (GOST 18311-80).
I de fleste tilfælde er det teoretisk tilladt at antage, at skiftet sker øjeblikkeligt, dvs. forskellige kontakter i kredsløbet udføres uden at tage meget tid. Skifteprocessen i diagrammer er normalt vist med en pil nær kontakten.
Forbigående processer i rigtige kredsløb er hurtige... Deres varighed er tiendedele, hundrededele og ofte milliontedele af et sekund. Relativt sjældent når varigheden af disse processer et par sekunder.
Spørgsmålet opstår naturligvis, om det generelt er nødvendigt at tage hensyn til forbigående regimer af så kort varighed. Svaret kan kun gives for hvert enkelt tilfælde, da deres rolle under forskellige forhold ikke er den samme. Deres betydning er især stor i enheder designet til forstærkning, dannelse og konvertering af pulssignaler, når varigheden af signalerne, der virker på det elektriske kredsløb, svarer til varigheden af de transiente tilstande.
Transienter forårsager, at formen af impulser bliver forvrænget, når de passerer gennem lineære kredsløb. Beregning og analyse af automationsenheder, hvor der er en kontinuerlig ændring i tilstanden af elektriske kredsløb, er utænkelig uden at tage hensyn til transiente tilstande.
I en række enheder er forekomsten af transiente processer generelt uønsket og farlig.Beregningen af transiente tilstande gør det i disse tilfælde muligt at bestemme mulige overspændinger og strømstigninger, som kan være mange gange højere end spændingerne og strømmene i den stationære. mode. Dette er især vigtigt for kredsløb med betydelig induktans eller høj kapacitans.
Årsagerne til overgangsprocessen
Lad os overveje de fænomener, der opstår i elektriske kredsløb under overgangen fra en stationær tilstand til en anden.
Vi inkluderer glødelampen i et seriekredsløb, der indeholder en modstand R1, en kontakt B og en konstant spændingskilde E.Efter at kontakten er lukket, lyser lampen straks, da opvarmningen af glødetråden og stigningen i lysstyrken af dens glød er usynlig for øjet. Betinget kan det antages, at i et sådant kredsløb er den stationære strøm lig med Azo =E / (R1 + Rl), den installeres næsten øjeblikkeligt, hvor Rl - aktiv modstand af lampens glødetråd.
I lineære kredsløb bestående af energikilder og modstande forekommer der slet ikke transienter forbundet med en ændring i lagret energi.
Ris. 1. Skemaer til illustration af transiente processer: a — kredsløb uden reaktive elementer, b — kredsløb med en induktor, c — kredsløb med en kondensator.
Udskift modstanden med en L-spole, hvis induktans er stor nok. Efter at have lukket kontakten, kan du bemærke, at stigningen i lysstyrken af lampens lys er gradvis. Dette viser, at på grund af tilstedeværelsen af en spole, når strømmen i kredsløbet gradvist sin stabile tilstandsværdi. I'about =E / (rDa se + Rl), hvor rk — aktiv modstand af spoleviklingen.
Det næste eksperiment vil blive udført med et kredsløb bestående af en kilde til konstant spænding, modstande og en kondensator, parallelt med hvilken vi forbinder et voltmeter (fig. 1, c). Hvis kondensatorens kapacitet er stor nok (flere tiere mikrofarader) og modstanden af hver af modstandene R1 og R2 flere hundrede kilo-ohm, begynder voltmeterets nål at afvige jævnt efter at have lukket kontakten og først efter et par sekunder indstilles den til den passende inddeling af skalaen.
Derfor er spændingen i kondensatoren såvel som strømmen i kredsløbet etableret i en relativt lang periode (inertien af selve måleanordningen i dette tilfælde kan forsømmes).
Hvad forhindrer den øjeblikkelige etablering af en stationær tilstand i kredsløbene i fig. 1, b, c og årsagen til overgangsprocessen?
Årsagen til dette er elementerne i elektriske kredsløb, der er i stand til at lagre energi (de såkaldte reaktive elementer): induktor (fig. 1, b) og kondensator (fig. 1, c).
Den akkumulerede energi i det elektriske felt af en kondensator med kapacitet C opladet til en spænding ti° C er lig med: W° C = 1/2 (Cu° C2)
Da forsyningen af magnetisk energi WL bestemmes af strømmen i spolen iL og elektrisk energi W° C — spænding i kondensatoren ti° C, så er der i alle elektriske kredsløb, alle tre kommutationer, to grundlæggende bestemmelser overholdt: spolens strøm og kondensatorspændingen kan de ikke ændre skarpt... Nogle gange er disse regler formuleret anderledes, nemlig: forholdet mellem spolefluxen og kondensatorladningen kan kun ændre sig jævnt, uden spring.
Fysisk er overgangstilstande processer med overgang af kredsløbets energitilstand fra præ-kommuteringstilstanden til post-kommuteringstilstanden. Hver stationær tilstand af et kredsløb med reaktive elementer svarer til en vis mængde energi af elektriske og magnetiske felter.Overgangen til en ny stationær tilstand er forbundet med en stigning eller et fald i energien i disse felter og er ledsaget af fremkomsten af en forbigående proces, der slutter, så snart ændringen i energiforsyningen stopper. Hvis kredsløbets energitilstand ikke ændres under omskiftning, forekommer der ingen transienter.
a) tænde og slukke for kredsløbet,
b) kortslutning individuelle grene eller elementer i kæden,
c) frakobling eller tilslutning af afgreninger eller kredsløbselementer mv.
Derudover forekommer transienter, når impulssignaler påføres elektriske kredsløb.