Voorbijgaande processen in het elektrische circuit
Voorbijgaande processen zijn niet ongebruikelijk en zijn niet alleen kenmerkend voor elektrische circuits. Er zijn een aantal voorbeelden te noemen uit verschillende gebieden van de natuurkunde en techniek waar dergelijke verschijnselen voorkomen.
Heet water dat in een container wordt gegoten, wordt bijvoorbeeld geleidelijk afgekoeld en de temperatuur verandert van een beginwaarde naar een evenwichtswaarde die gelijk is aan de omgevingstemperatuur. Een slinger die vanuit een rusttoestand wordt gebracht, voert dempende oscillaties uit en keert uiteindelijk terug naar zijn oorspronkelijke stationaire stationaire toestand. Wanneer een elektrisch meetinstrument is aangesloten, maakt de naald, voordat hij stopt bij de overeenkomstige schaalverdeling, verschillende oscillaties rond dit punt op de schaal.
Stationaire en voorbijgaande modus van het elektrische circuit
Bij het analyseren van de processen in elektrische circuits u zou twee werkingsmodi moeten tegenkomen: gevestigd (stationair) en tijdelijk.
De stationaire modus van een elektrisch circuit dat is aangesloten op een bron van constante spanning (stroom) is een modus waarin de stromen en spanningen in de afzonderlijke takken van het circuit in de loop van de tijd constant zijn.
In een elektrisch circuit dat is aangesloten op een wisselstroombron, wordt de stationaire toestand gekenmerkt door periodieke herhaling van de momentane waarden van stromen en spanningen in de takken... In alle gevallen van werking van circuits in stationaire modi, die theoretisch kunnen doorgaan voor onbepaalde tijd wordt aangenomen dat de parameters van het actieve signaal (spanning of stroom), evenals de structuur van het circuit en de parameters van zijn elementen, niet veranderen.
Stromen en spanningen in stationaire modus zijn afhankelijk van het type externe invloed en van de parameters van het elektrische doelwit.
Een voorbijgaande modus (of een voorbijgaand proces) wordt een modus genoemd die optreedt in een elektrisch circuit tijdens de overgang van de ene stationaire toestand naar de andere, die op de een of andere manier verschilt van de vorige, en de spanningen en stromen die bij deze modus horen - voorbijgaande spanningen en stromen... Een verandering in de stabiele toestand van een circuit kan optreden als gevolg van veranderende externe signalen, waaronder het in- of uitschakelen van een bron van externe invloed, of het kan worden veroorzaakt door het circuit zelf in te schakelen.
Schakelen van een elektrisch circuit - het proces van het schakelen van de elektrische verbindingen van de elementen van het elektrische circuit, het loskoppelen van een halfgeleiderapparaat (GOST 18311-80).
In de meeste gevallen is het theoretisch toelaatbaar om aan te nemen dat de omschakeling ogenblikkelijk plaatsvindt, d.w.z. verschillende schakelaars in het circuit worden zonder veel tijd uitgevoerd. Het schakelproces in diagrammen wordt meestal weergegeven door een pijl in de buurt van de schakelaar.
Voorbijgaande processen in echte circuits zijn snel... Hun duur is tienden, honderdsten en vaak miljoensten van een seconde. Relatief zelden bereikt de duur van deze processen enkele seconden.
De vraag rijst natuurlijk of het in het algemeen nodig is rekening te houden met voorbijgaande regimes van zo'n korte duur. Het antwoord kan alleen voor elk specifiek geval worden gegeven, aangezien hun rol onder verschillende omstandigheden niet dezelfde is. Hun belang is vooral groot in apparaten die zijn ontworpen voor versterking, vorming en conversie van pulssignalen, wanneer de duur van de signalen die op het elektrische circuit inwerken, evenredig is met de duur van de tijdelijke modi.
Transiënten zorgen ervoor dat de vorm van pulsen wordt vervormd als ze door lineaire circuits gaan. Berekening en analyse van automatiseringsapparaten, waarbij de toestand van elektrische circuits voortdurend verandert, is ondenkbaar zonder rekening te houden met tijdelijke modi.
In een aantal apparaten is het optreden van transiënte processen over het algemeen ongewenst en gevaarlijk.De berekening van transiënte modi maakt het in deze gevallen mogelijk om mogelijke overspanningen en stroomtoenames te bepalen, die vele malen hoger kunnen zijn dan de spanningen en stromen van de stationaire modus. Dit is vooral belangrijk voor circuits met een aanzienlijke inductiviteit of hoge capaciteit.
De redenen voor het overgangsproces
Laten we eens kijken naar de verschijnselen die optreden in elektrische circuits tijdens de overgang van de ene stationaire modus naar de andere.
We nemen de gloeilamp op in een serieschakeling met daarin een weerstand R1, een schakelaar B en een constante spanningsbron E.Nadat de schakelaar is gesloten, gaat de lamp onmiddellijk branden, omdat de verwarming van de gloeidraad en de toename van de helderheid van de gloed onzichtbaar zijn voor het oog. Voorwaardelijk kan worden aangenomen dat in zo'n circuit de stationaire stroom gelijk is aan Azo =E / (R1 + Rl), deze wordt bijna onmiddellijk geïnstalleerd, waarbij Rl - actieve weerstand van de gloeidraad van de lamp.
In lineaire circuits bestaande uit energiebronnen en weerstanden komen transiënten die verband houden met een verandering in opgeslagen energie helemaal niet voor.
Rijst. 1. Schema's om tijdelijke processen te illustreren: a - circuit zonder reactieve elementen, b - circuit met een inductor, c - circuit met een condensator.
Vervang de weerstand door een L-spoel waarvan de inductantie groot genoeg is. Na het sluiten van de schakelaar, kunt u merken dat de helderheid van de lampgloed geleidelijk toeneemt. Hieruit blijkt dat door de aanwezigheid van een spoel de stroom in het circuit geleidelijk zijn stationaire waarde bereikt. I'about =E / (rDa se + Rl), waarbij rk — actieve weerstand van de spoelwikkeling.
Het volgende experiment zal worden uitgevoerd met een circuit bestaande uit een bron van constante spanning, weerstanden en een condensator, parallel waarmee we een voltmeter aansluiten (Fig. 1, c). Als de capaciteit van de condensator groot genoeg is (enkele tientallen microfarads) en de weerstand van elk van de weerstanden R1 en R2 enkele honderden kilo-ohms, dan begint na het sluiten van de schakelaar de naald van de voltmeter soepel af te wijken en pas daarna een paar seconden is het ingesteld op de juiste verdeling van de schaal.
Daarom wordt de spanning in de condensator, evenals de stroom in het circuit, gedurende een relatief lange periode tot stand gebracht (de traagheid van het meetapparaat zelf kan in dit geval worden verwaarloosd).
Wat verhindert het onmiddellijk tot stand brengen van een stationaire modus in de circuits van Fig. 1, b, c en de aanleiding voor het transitieproces?
De reden hiervoor zijn de elementen van elektrische circuits die energie kunnen opslaan (de zogenaamde reactieve elementen): Spoel (Afb. 1, b) en condensator (Afb. 1, c).
De energie geaccumuleerd in het elektrische veld van een condensator met capaciteit C opgeladen tot een spanning ti° C is gelijk aan: W° C = 1/2 (Cu° C2)
Aangezien de toevoer van magnetische energie WL wordt bepaald door de stroom in de spoel iL en elektrische energie W° C - spanning in de condensator ti° C, dan worden in alle elektrische circuits drie willekeurige commutaties in acht genomen: de spoelstroom en de condensatorspanning kunnen ze niet scherp veranderen... Soms zijn deze voorschriften anders geformuleerd, namelijk: de verhouding van de spoelflux en de condensatorlading kan alleen vloeiend veranderen, zonder sprongen.
Fysiek zijn overgangsmodi overgangsprocessen van de energietoestand van het circuit van de pre-commutatiemodus naar de post-commutatiemodus. Elke stationaire toestand van een circuit met reactieve elementen komt overeen met een bepaalde hoeveelheid energie van elektrische en magnetische velden.De overgang naar een nieuwe stationaire modus gaat gepaard met een toename of afname van de energie van deze velden en gaat gepaard met het verschijnen van een voorbijgaand proces dat eindigt zodra de verandering in energietoevoer stopt. Als tijdens het schakelen de energietoestand van het circuit niet verandert, treden er geen transiënten op.
a) het circuit in- en uitschakelen,
B) kortsluiting individuele takken of elementen van de keten,
c) ontkoppeling of verbinding van takken of circuitelementen, enz.
Bovendien treden transiënten op wanneer pulssignalen worden toegepast op elektrische circuits.