Egy elektromos áramkör időállandója – mi az és hol használják
Az időszakos folyamatok a természetben rejlenek: a nappalt éjszaka követi, a meleg évszakot a hideg váltja fel stb. Ezen események időszaka szinte állandó, ezért szigorúan meghatározható. Sőt joggal állíthatjuk, hogy a példaként említett időszakos természeti folyamatok nem amortizálódnak, legalábbis az ember élettartamát tekintve.
A technikában, különösen az elektrotechnikában és az elektronikában azonban nem minden folyamat periodikus és folyamatos. Általában néhány elektromágneses folyamat először fokozódik, majd csökken. Az anyag gyakran csak az oszcilláció kezdetének fázisára korlátozódik, amelynek nincs ideje igazán felgyorsítani.
Az elektrotechnikában elég gyakran találkozhatunk úgynevezett exponenciális tranziensekkel, amelyek lényege, hogy a rendszer egyszerűen törekszik valamilyen egyensúlyi állapot elérésére, ami végül nyugalmi állapotnak tűnik. Az ilyen átmenet lehet növekvő vagy csökkenő.
A külső erő először a dinamikus rendszert hozza ki az egyensúlyból, majd nem akadályozza meg a rendszer természetes visszatérését eredeti állapotába. Ez az utolsó fázis az úgynevezett átmeneti folyamat, amelyet egy bizonyos időtartam jellemez. Ezenkívül a rendszer kiegyensúlyozatlanságának folyamata is egy átmeneti folyamat, amelynek jellemző időtartama van.
Így vagy úgy, a tranziens folyamat időállandójának nevezzük időkarakterisztikáját, amely meghatározza azt az időt, amely után ennek a folyamatnak egy bizonyos paramétere «e»-szeresére változik, azaz körülbelül 2,718-szorosára nő vagy csökken. a kezdeti állapothoz képest.
Vegyünk például egy elektromos áramkört, amely egyenfeszültség-forrásból, kondenzátorból és ellenállásból áll. Az ilyen típusú áramkört, ahol az ellenállás sorba van kötve egy kondenzátorral, RC integráló áramkörnek nevezzük.
Ha egy ilyen áramkör tápellátásának kezdeti pillanatában, azaz állandó Uin feszültséget állít be a bemeneten, akkor az Uout - a kondenzátor feszültsége - exponenciálisan növekedni kezd.
A t1 idő elteltével a kondenzátor feszültsége eléri a bemeneti feszültség 63,2%-át. Tehát a kezdeti pillanattól a t1-ig tartó időintervallum az RC áramkör időállandója.
Ezt a láncállandót „tau”-nak nevezik, másodpercekben mérve, és a megfelelő görög betűvel jelöljük. Számszerűen egy RC áramkör esetében ez egyenlő R * C-vel, ahol R ohmban, C pedig faradban van.
Az integráló RC áramköröket az elektronikában aluláteresztő szűrőként használják, amikor a magasabb frekvenciákat le kell vágni (elnyomni), és alacsonyabb frekvenciákat kell átengedni.
A gyakorlatban az ilyen szűrés mechanizmusa a következő elven alapul. Váltakozó áram esetén a kondenzátor kapacitív ellenállásként működik, amelynek értéke fordítottan arányos a frekvenciával, vagyis minél nagyobb a frekvencia, annál kisebb lesz a kondenzátor reaktanciája ohmban.
Ezért, ha váltakozó áramot vezetnek át az RC áramkörön, akkor, mint a feszültségosztó karján, egy bizonyos feszültség csökken a kondenzátoron, arányos a kapacitásával az áthaladó áram frekvenciáján.
Ha ismert a bemeneti váltakozó jel vágási frekvenciája és amplitúdója, akkor a tervezőnek nem lesz nehéz olyan kondenzátort és ellenállást választani az RC áramkörben, hogy a minimális (levágási) feszültség (az vágási frekvencia - a frekvencia felső határa) a kondenzátorra esik, mivel a reaktancia egy ellenállással együtt belép az osztóba.
Most nézzük az úgynevezett differenciáló áramkört. Ez egy sorba kapcsolt ellenállásból és induktorból álló áramkör, egy RL áramkör. Időállandója számszerűen egyenlő L / R-vel, ahol L a tekercs induktivitása henry-ben, R pedig az ellenállás ellenállása ohmban.
Ha egy forrásból állandó feszültséget kapcsolunk egy ilyen áramkörre, egy idő után tau a tekercs feszültsége U in-hez képest 63,2%-kal csökken, azaz teljes összhangban az elektromos áramkör időállandójának értékével. .
Az AC áramkörökben (váltakozó jelek) az LR áramköröket felüláteresztő szűrőként használják, amikor az alacsony frekvenciákat le kell vágni (elnyomni), és a vágási frekvencia feletti frekvenciákat (az alsó frekvenciahatárt) ki kell hagyni.Tehát minél nagyobb a tekercs induktivitása, annál nagyobb a frekvencia.
Mint a fent tárgyalt RC áramkör esetében, itt is a feszültségosztó elvét alkalmazzuk. Az RL áramkörön áthaladó nagyobb frekvenciájú áram nagyobb feszültségesést eredményez az L induktivitáson, mint az induktív ellenállás esetében, amely az ellenállással együtt a feszültségosztó részét képezi. A tervező feladata olyan R és L kiválasztása, hogy a tekercs minimális (határ)feszültségét pontosan a határfrekvencián kapjuk meg.