Procese tranzitorii în circuitul electric

Procesele tranzitorii nu sunt neobișnuite și sunt caracteristice nu numai circuitelor electrice. O serie de exemple pot fi citate din diverse domenii ale fizicii și tehnologiei în care apar astfel de fenomene.

De exemplu, apa fierbinte turnată într-un recipient este răcită treptat și temperatura acesteia se schimbă de la o valoare inițială la o valoare de echilibru egală cu temperatura ambiantă. Un pendul adus dintr-o stare de repaus efectuează oscilații de amortizare și în cele din urmă revine la starea staționară inițială. Atunci când este conectat un dispozitiv electric de măsurare, acul său, înainte de a se opri la diviziunea corespunzătoare a scalei, face mai multe oscilații în jurul acestui punct de pe scară.

Modul staționar și tranzitoriu al circuitului electric

Când se analizează procesele în circuite electrice ar trebui să întâlniți două moduri de funcționare: stabilit (staționar) și tranzitorie.

Modul staționar al unui circuit electric conectat la o sursă de tensiune constantă (curent) este un mod în care curenții și tensiunile din ramurile individuale ale circuitului sunt constante în timp.

Într-un circuit electric conectat la o sursă de curent alternativ, starea staționară se caracterizează prin repetarea periodică a valorilor instantanee ale curenților și tensiunilor din ramuri... În toate cazurile de funcționare a circuitelor în moduri staționare, care teoretic pot continua pe termen nelimitat, se presupune că parametrii semnalului activ (tensiune sau curent), precum și structura circuitului și parametrii elementelor sale, nu se modifică.

Curenții și tensiunile în regim staționar depind de tipul de influență externă și de parametrii țintei electrice.

Un mod tranzitoriu (sau un proces tranzitoriu) se numește un mod care apare într-un circuit electric în timpul tranziției de la o stare staționară la alta, care este oarecum diferită de cea anterioară, iar tensiunile și curenții care însoțesc acest mod - tensiuni tranzitorii și curenți... O modificare a stării de echilibru a unui circuit poate apărea ca urmare a modificării semnalelor externe, inclusiv pornirea sau oprirea unei surse de influență externă, sau poate fi cauzată de comutarea în circuitul însuși.

Orice modificare a unui circuit electric care provoacă un tranzitoriu se numește comutație.

Comutarea unui circuit electric - procesul de comutare a conexiunilor electrice ale elementelor circuitului electric, deconectarea unui dispozitiv semiconductor (GOST 18311-80).

În cele mai multe cazuri, este teoretic permis să presupunem că comutarea are loc instantaneu, adică diferite comutatoare din circuit sunt efectuate fără a lua mult timp. Procesul de comutare în diagrame este de obicei prezentat printr-o săgeată lângă comutator.

Procesele tranzitorii din circuitele reale sunt rapide... Durata lor este de zecimi, sutimi și adesea milioane de secundă. Relativ rar, durata acestor procese ajunge la câteva secunde.

Desigur, se pune întrebarea dacă este, în general, necesar să se țină seama de regimurile tranzitorii de atât de scurtă durată. Răspunsul poate fi dat doar pentru fiecare caz specific, deoarece în condiții diferite rolul lor nu este același. Importanța lor este deosebit de mare în dispozitivele destinate amplificarii, formării și conversiei semnalelor de impuls, când durata semnalelor care acționează asupra circuitului electric este proporțională cu durata modurilor tranzitorii.

Tranzitorii fac ca forma impulsurilor să fie distorsionată pe măsură ce trec prin circuite liniare. Calculul și analiza dispozitivelor de automatizare, unde există o schimbare continuă a stării circuitelor electrice, este de neconceput fără a lua în considerare modurile tranzitorii.

Într-o serie de dispozitive, apariția proceselor tranzitorii este în general nedorită și periculoasă.Calculul modurilor tranzitorii în aceste cazuri face posibilă determinarea posibilelor supratensiuni și creșteri de curent, care pot fi de multe ori mai mari decât tensiunile și curenții staționarului. modul. Acest lucru este deosebit de important pentru circuitele cu inductanță semnificativă sau capacitate mare.

Motivele procesului de tranziție

Să luăm în considerare fenomenele care apar în circuitele electrice în timpul trecerii de la un mod staționar la altul.

Includem lampa incandescentă într-un circuit în serie care conține un rezistor R1, un comutator B și o sursă de tensiune constantă E.După ce întrerupătorul este închis, lampa se va aprinde imediat, deoarece încălzirea filamentului și creșterea luminozității strălucirii sale sunt invizibile pentru ochi. Condițional, se poate presupune că într-un astfel de circuit curentul staționar este egal cu Azo =E / (R1 + Rl), este instalat aproape imediat, unde Rl - rezistența activă a filamentului lămpii.

În circuitele liniare formate din surse de energie și rezistențe, tranzitorii asociați cu o modificare a energiei stocate nu apar deloc.

Orez. 1. Scheme de ilustrare a proceselor tranzitorii: a — circuit fără elemente reactive, b — circuit cu inductor, c — circuit cu condensator.

Înlocuiți rezistența cu o bobină L a cărei inductanță este suficient de mare. După închiderea comutatorului, puteți observa că creșterea luminozității strălucirii lămpii este graduală. Acest lucru arată că, datorită prezenței unei bobine, curentul din circuit ajunge treptat la valoarea sa de echilibru. I'aproximativ =E / (rDa se + Rl), unde rk — rezistența activă a înfășurării bobinei.

Următorul experiment va fi efectuat cu un circuit format dintr-o sursă de tensiune constantă, rezistențe și un condensator, în paralel cu care conectăm un voltmetru (Fig. 1, c). Dacă capacitatea condensatorului este suficient de mare (câteva zeci de microfaradi) și rezistența fiecăruia dintre rezistențele R1 și R2 câteva sute de kilo-ohmi, atunci după închiderea comutatorului, acul voltmetrului începe să devieze ușor și numai după câteva secunde se setează la diviziunea corespunzătoare a scalei.

Prin urmare, tensiunea din condensator, precum și curentul din circuit, sunt stabilite pentru o perioadă de timp relativ lungă (inerția dispozitivului de măsurare în sine poate fi neglijată în acest caz).

Ceea ce împiedică stabilirea instantanee a unui regim staționar în circuitele din fig. 1, b, c și motivul procesului de tranziție?

Motivul pentru aceasta este elementele circuitelor electrice capabile să stocheze energie (așa-numitele elemente reactive): inductor (Fig. 1, b) și condensator (Fig. 1, c).

Apariția proceselor tranzitorii este asociată cu particularitățile modificărilor rezervelor de energie în elementele reactive ale circuitului... Cantitatea de energie stocată în câmpul magnetic al inductorului L, în care curge curentul iL, este exprimată prin formula: WL = 1/2 (LiL2)

Energia acumulată în câmpul electric al unui condensator de capacitate C încărcat la o tensiune ti° C este egală cu: W° C = 1/2 (Cu° C2)

Deoarece alimentarea cu energie magnetică WL este determinată de curentul din bobină iL și de energia electrică W° C — tensiunea în condensatorul ti° C, atunci în toate circuitele electrice, oricare trei comutații, se respectă două prevederi de bază: curentul bobinei iar tensiunea condensatorului nu se pot modifica brusc... Uneori aceste reglementari sunt formulate diferit si anume: relatia fluxului bobinei si sarcina condensatorului se poate schimba doar lin, fara salturi.

Din punct de vedere fizic, modurile de tranziție sunt procese de tranziție a stării energetice a circuitului de la modul de pre-comutație la modul de post-comutație. Fiecare stare staționară a unui circuit cu elemente reactive corespunde unei anumite cantități de energie a câmpurilor electrice și magnetice.Trecerea la un nou mod staționar este asociată cu o creștere sau scădere a energiei acestor câmpuri și este însoțită de apariția unui proces tranzitoriu care se încheie de îndată ce schimbarea aprovizionării cu energie se oprește. Dacă în timpul comutării starea de energie a circuitului nu se modifică, atunci nu apar tranzitorii.

Procesele tranzitorii sunt observate în timpul comutării atunci când se schimbă modul staționar al unui circuit electric, care are elemente capabile să stocheze energie. Tranzițiile au loc în timpul următoarelor operațiuni:

a) pornirea și oprirea circuitului,

b) scurt circuit ramuri sau elemente individuale ale lanțului,

c) deconectarea sau conectarea ramurilor sau a elementelor de circuit etc.

În plus, tranzitorii apar atunci când semnalele de impuls sunt aplicate circuitelor electrice.