Časová konštanta elektrického obvodu — čo to je a kde sa používa

Periodické procesy sú prirodzené: po dni nasleduje noc, teplé obdobie je nahradené chladom atď. Obdobie týchto udalostí je takmer konštantné, a preto sa dá presne určiť. Okrem toho máme právo tvrdiť, že periodické prírodné procesy uvedené ako príklad sa neznehodnocujú, aspoň pokiaľ ide o dĺžku života človeka.

Najmä v technike, elektrotechnike a elektronike však nie sú všetky procesy periodické a nepretržité. Zvyčajne sa niektoré elektromagnetické procesy najskôr zvyšujú a potom znižujú. Často je hmota obmedzená len na fázu začiatku kmitania, ktorá nestihne poriadne nabrať rýchlosť.

Pomerne často sa v elektrotechnike môžete stretnúť s takzvanými exponenciálnymi prechodmi, ktorých podstatou je, že systém sa jednoducho snaží dosiahnuť nejaký rovnovážny stav, ktorý nakoniec vyzerá ako stav pokoja. Takýto prechod môže byť buď rastúci alebo klesajúci.

Vonkajšia sila najskôr vyvedie dynamický systém z rovnováhy a potom nezabráni prirodzenému návratu tohto systému do pôvodného stavu. Táto posledná fáza je takzvaný prechodný proces, ktorý sa vyznačuje určitým trvaním. Okrem toho je proces nerovnováhy systému tiež prechodný proces s charakteristickým trvaním.

Tak či onak, časovú konštantu prechodového procesu nazývame jej časová charakteristika, ktorá určuje čas, po ktorom sa určitý parameter tohto procesu zmení na časy «e», to znamená, že sa zvýši alebo zníži asi 2,718 krát. v porovnaní s východiskovým stavom.

Zoberme si napríklad elektrický obvod pozostávajúci zo zdroja jednosmerného napätia, kondenzátora a odporu. Tento typ obvodu, kde je rezistor zapojený do série s kondenzátorom, sa nazýva RC integračný obvod.

Ak v počiatočnom okamihu napájate takýto obvod, to znamená, že na vstupe nastavíte konštantné napätie Uin, potom Uout - napätie v kondenzátore začne exponenciálne rásť.

Po čase t1 dosiahne napätie kondenzátora 63,2 % vstupného napätia. Takže časový interval od počiatočného okamihu do t1 je časová konštanta tohto RC obvodu.

Táto reťazová konštanta sa nazýva „tau“, meria sa v sekundách a označuje sa príslušným gréckym písmenom. Číselne sa pre RC obvod rovná R * C, kde R je v ohmoch a C je vo faradoch.

Integračné RC obvody sa používajú v elektronike ako dolnopriepustné filtre, keď vyššie frekvencie musia byť odrezané (potlačené) a nižšie frekvencie musia byť prepustené.

V praxi je mechanizmus takejto filtrácie založený na nasledujúcom princípe. Pre striedavý prúd funguje kondenzátor ako kapacitný odpor, ktorého hodnota je nepriamo úmerná frekvencii, to znamená, že čím vyššia je frekvencia, tým nižšia bude reaktancia kondenzátora v ohmoch.

Ak teda RC obvodom prechádza striedavý prúd, potom, ako na ramene deliča napätia, na kondenzátore klesne určité napätie úmerné jeho kapacite pri frekvencii prechádzajúceho prúdu.

Ak je známa medzná frekvencia a amplitúda vstupného striedavého signálu, potom nebude pre projektanta ťažké zvoliť taký kondenzátor a rezistor v RC obvode, aby minimálne (vypínacie) napätie (pre medzná frekvencia — horná hranica frekvencie) pripadá na kondenzátor, pretože reaktancia vstupuje do deliča spolu s odporom.

Teraz zvážte takzvaný diferenciačný obvod. Je to obvod pozostávajúci z odporu a induktora zapojených do série, obvod RL. Jeho časová konštanta sa numericky rovná L / R, kde L je indukčnosť cievky v henry a R je odpor odporu v ohmoch.

Ak sa na takýto obvod privedie konštantné napätie zo zdroja, po určitom čase tau sa napätie cievky zníži oproti U o 63,2%, teda plne v súlade s hodnotou časovej konštanty pre tento elektrický obvod. .

V obvodoch striedavého prúdu (striedavé signály) sa obvody LR používajú ako hornopriepustné filtre, keď musia byť nízke frekvencie odrezané (potlačené) a frekvencie vyššie (nad medznou frekvenciou - dolná hranica frekvencie) - sú vynechané.Takže čím vyššia je indukčnosť cievky, tým vyššia je frekvencia.

Rovnako ako v prípade vyššie diskutovaného RC obvodu, aj tu sa používa princíp deliča napätia. Vyššia frekvencia prúdu prechádzajúceho obvodom RL bude mať za následok väčší pokles napätia na indukčnosti L, ako pri indukčnom odpore, ktorý je súčasťou deliča napätia spolu s odporom. Úlohou konštruktéra je zvoliť také R a L, aby sa minimálne (hraničné) napätie cievky dostalo presne na hraničnú frekvenciu.