Prechodné procesy v elektrickom obvode

Prechodné procesy nie sú nezvyčajné a sú charakteristické nielen pre elektrické obvody. Je možné uviesť množstvo príkladov z rôznych oblastí fyziky a techniky, kde sa takéto javy vyskytujú.

Napríklad horúca voda naliata do nádoby sa postupne ochladzuje a jej teplota sa mení z počiatočnej hodnoty na rovnovážnu hodnotu rovnajúcu sa teplote okolia. Kyvadlo privedené z pokoja vykonáva tlmenie kmitov a nakoniec sa vráti do svojho pôvodného stacionárneho stavu. Keď je pripojené elektrické meracie zariadenie, jeho ručička pred zastavením na príslušnom dieliku stupnice vykoná niekoľko kmitov okolo tohto bodu na stupnici.

Stacionárny a prechodový režim elektrického obvodu

Pri analýze procesov v elektrické obvody mali by ste sa stretnúť s dvoma režimami prevádzky: ustálený (stacionárny) a prechodný.

Stacionárny režim elektrického obvodu pripojeného na zdroj konštantného napätia (prúdu) je režim, v ktorom sú prúdy a napätia v jednotlivých vetvách obvodu v čase konštantné.

V elektrickom obvode napojenom na zdroj striedavého prúdu je stacionárny stav charakterizovaný periodickým opakovaním okamžitých hodnôt prúdov a napätí vo vetvách... Vo všetkých prípadoch prevádzky obvodov v stacionárnych režimoch, ktoré teoreticky môžu pokračovať neurčito sa predpokladá, že parametre aktívneho signálu (napätie alebo prúd), ako aj štruktúra obvodu a parametre jeho prvkov sa nemenia.

Prúdy a napätia v stacionárnom režime závisia od typu vonkajšieho vplyvu a od parametrov elektrického cieľa.

Prechodový režim (alebo prechodný proces) sa nazýva režim, ktorý sa vyskytuje v elektrickom obvode počas prechodu z jedného stacionárneho stavu do druhého, ktorý je nejakým spôsobom odlišný od predchádzajúceho, a napätia a prúdy sprevádzajúce tento režim — prechodné napätia a prúdy... Zmena ustáleného stavu obvodu môže nastať v dôsledku zmeny vonkajších signálov, vrátane zapnutia alebo vypnutia zdroja vonkajšieho vplyvu, alebo môže byť spôsobená prepnutím samotného obvodu.

Akákoľvek zmena v elektrickom obvode, ktorá spôsobí výskyt prechodného javu, sa nazýva komutácia.

Spínanie elektrického obvodu — proces prepínania elektrických spojení prvkov elektrického obvodu, odpájanie polovodičového zariadenia (GOST 18311-80).

Vo väčšine prípadov je teoreticky prípustné predpokladať, že prepnutie prebieha okamžite, t.j. rôzne spínače v obvode sa vykonávajú bez toho, aby zaberali veľa času. Proces spínania v diagramoch je zvyčajne znázornený šípkou v blízkosti spínača.

Prechodné procesy v reálnych obvodoch sú rýchle... Ich trvanie je desatiny, stotiny a často aj milióntiny sekundy. Relatívne zriedkavo trvanie týchto procesov dosahuje niekoľko sekúnd.

Prirodzene vzniká otázka, či je vo všeobecnosti potrebné brať do úvahy prechodné režimy takého krátkeho trvania. Odpoveď možno dať len pre každý konkrétny prípad, keďže za rôznych podmienok nie je ich úloha rovnaká. Ich význam je obzvlášť veľký v zariadeniach určených na zosilnenie, tvorbu a konverziu impulzných signálov, kedy je trvanie signálov pôsobiacich na elektrický obvod úmerné trvaniu prechodových režimov.

Prechodové javy spôsobujú skreslenie tvaru impulzov, keď prechádzajú lineárnymi obvodmi. Výpočet a analýza automatizačných zariadení, kde dochádza k neustálej zmene stavu elektrických obvodov, je nemysliteľná bez zohľadnenia prechodných režimov.

Vo viacerých zariadeniach je výskyt prechodových procesov vo všeobecnosti nežiaduci a nebezpečný.Výpočet prechodových režimov v týchto prípadoch umožňuje určiť možné prepätia a prírastky prúdu, ktoré môžu byť mnohonásobne vyššie ako napätia a prúdy stacionárnych režim. Toto je obzvlášť dôležité pre obvody s výraznou indukčnosťou alebo vysokou kapacitou.

Dôvody procesu prechodu

Uvažujme o javoch, ktoré sa vyskytujú v elektrických obvodoch pri prechode z jedného stacionárneho režimu do druhého.

Žiarovka zaradíme do sériového obvodu obsahujúceho rezistor R1, spínač B a zdroj konštantného napätia E.Po zatvorení spínača sa lampa okamžite rozsvieti, pretože zahrievanie vlákna a zvýšenie jasu jeho žiary sú pre oko neviditeľné. Podmienečne možno predpokladať, že v takomto obvode sa stacionárny prúd rovná Azo =E / (R1 + Rl), je inštalovaný takmer okamžite, kde Rl - aktívny odpor vlákna žiarovky.

V lineárnych obvodoch pozostávajúcich zo zdrojov energie a rezistorov sa prechodové javy spojené so zmenou uloženej energie vôbec nevyskytujú.

Ryža. 1. Schémy na znázornenie prechodových procesov: a — obvod bez reaktívnych prvkov, b — obvod s induktorom, c — obvod s kondenzátorom.

Vymeňte rezistor za L cievku, ktorej indukčnosť je dostatočne veľká. Po zatvorení spínača si môžete všimnúť, že zvýšenie jasu svietidla je postupné. To ukazuje, že v dôsledku prítomnosti cievky prúd v obvode postupne dosiahne svoju ustálenú hodnotu. I'about =E / (rDa se + Rl), kde rk - aktívny odpor vinutia cievky.

Ďalší experiment sa uskutoční s obvodom pozostávajúcim zo zdroja konštantného napätia, rezistorov a kondenzátora, paralelne s ktorým pripojíme voltmeter (obr. 1, c). Ak je kapacita kondenzátora dostatočne veľká (niekoľko desiatok mikrofarád) a odpor každého z rezistorov R1 a R2 niekoľko stoviek kiloohmov, tak sa po zopnutí spínača začne ručička voltmetra plynulo vychyľovať a až po niekoľko sekúnd sa nastaví na príslušný dielik stupnice.

Preto je napätie v kondenzátore, ako aj prúd v obvode, ustálené na pomerne dlhú dobu (zotrvačnosť samotného meracieho zariadenia v tomto prípade možno zanedbať).

Čo bráni okamžitému nastoleniu stacionárneho režimu v obvodoch na obr. 1, b, c a dôvod procesu prechodu?

Dôvodom sú prvky elektrických obvodov schopné akumulovať energiu (tzv. reaktívne prvky): induktor (obr. 1, b) a kondenzátor (obr. 1, c).

Výskyt prechodných procesov je spojený so zvláštnosťami zmien energetických zásob v reaktívnych prvkoch obvodu... Množstvo energie uloženej v magnetickom poli tlmivky L, v ktorej preteká prúd iL, vyjadruje tzv. vzorec: WL = 1/2 (LiL2)

Energia akumulovaná v elektrickom poli kondenzátora s kapacitou C nabitého na napätie ti°C sa rovná: W°C = 1/2 (Cu° C2)

Keďže dodávka magnetickej energie WL je určená prúdom v cievke iL a elektrickou energiou W° C — napätím v kondenzátore ti° C, potom vo všetkých elektrických obvodoch, ľubovoľných troch komutáciách, sú dodržané dve základné ustanovenia: prúd cievky a napätie kondenzátora sa nemôžu prudko meniť... Niekedy sú tieto predpisy formulované inak, a to: vzťah toku cievky a náboja kondenzátora sa môže meniť len plynulo, bez skokov.

Fyzicky sú prechodové režimy procesy prechodu energetického stavu obvodu z predkomutačného režimu do postkomutačného režimu. Každému stacionárnemu stavu obvodu s reaktívnymi prvkami zodpovedá určité množstvo energie elektrických a magnetických polí.Prechod na nový stacionárny režim je spojený so zvýšením alebo znížením energie týchto polí a je sprevádzaný objavením sa prechodného procesu, ktorý končí, akonáhle sa zastaví zmena dodávky energie. Ak sa počas spínania energetický stav obvodu nezmení, nevzniknú žiadne prechodné javy.

Prechodné procesy sú pozorované pri spínaní, keď sa mení stacionárny režim elektrického obvodu, ktorý má prvky schopné akumulovať energiu. Prechody sa vyskytujú počas nasledujúcich operácií:

a) zapínanie a vypínanie okruhu,

b) skrat jednotlivé vetvy alebo prvky reťazca,

c) odpojenie alebo pripojenie odbočiek alebo prvkov obvodu a pod.

Okrem toho dochádza k prechodovým javom, keď sú impulzné signály aplikované do elektrických obvodov.