Tranziens folyamatok az elektromos áramkörben
Az átmeneti folyamatok nem szokatlanok, és nem csak az elektromos áramkörökre jellemzőek. Számos példa említhető a fizika és a technológia különböző területeiről, ahol ilyen jelenségek előfordulnak.
Például a tartályba öntött forró vizet fokozatosan lehűtik, és hőmérséklete a kezdeti értékről a környezeti hőmérséklettel megegyező egyensúlyi értékre változik. A nyugalmi állapotból hozott inga csillapító oszcillációkat hajt végre, és végül visszatér eredeti álló, álló állapotába. Amikor egy elektromos mérőeszközt csatlakoztatunk, annak tűje, mielőtt megállna a megfelelő skálaosztásnál, többször megmozdul a skála ezen pontja körül.
Az elektromos áramkör álló és tranziens üzemmódja
A folyamatok elemzésekor elektromos áramkörök két működési móddal kell találkoznia: a kialakult (stacionárius) és az átmeneti.
Az állandó feszültségű (áram) forráshoz csatlakoztatott elektromos áramkör álló üzemmódja olyan üzemmód, amelyben az áramkör egyes ágaiban az áramok és feszültségek időben állandóak.
A váltakozó áramforráshoz csatlakoztatott elektromos áramkörben az álló állapotot az áramok és feszültségek pillanatnyi értékeinek időszakos ismétlődése jellemzi az ágakban... Az áramkörök stacionárius üzemmódban történő működése minden esetben, ami elméletileg folytatódhat korlátlan ideig azt feltételezzük, hogy az aktív jel paraméterei (feszültség vagy áram), valamint az áramkör felépítése és elemeinek paraméterei nem változnak.
Az áramok és feszültségek álló üzemmódban a külső hatás típusától és az elektromos célpont paramétereitől függenek.
Tranziens üzemmódnak (vagy tranziens folyamatnak) nevezzük azt az üzemmódot, amely egy elektromos áramkörben az egyik álló állapotból a másikba való átmenet során lép fel, és amely valamiben eltér az előzőtől, valamint az ezt az üzemmódot kísérő feszültségek és áramok - tranziens feszültségek és áramok... Az áramkör állandósult állapotában változás következhet be külső jelek változása következtében, ideértve a külső hatásforrás ki- és bekapcsolását, vagy magában az áramkörben történő kapcsolás is előidézheti.
Az elektromos áramkör kapcsolása - az elektromos áramkör elemeinek elektromos csatlakozásainak átkapcsolási folyamata, a félvezető eszköz leválasztása (GOST 18311-80).
A legtöbb esetben elméletileg megengedhető az a feltételezés, hogy a kapcsolás azonnali, azaz pillanatnyilag megtörténik. Az áramkör különböző kapcsolóit sok idő nélkül hajtják végre. A diagramokon a kapcsolási folyamatot általában a kapcsoló melletti nyíl mutatja.
A valós áramkörök tranziens folyamatai gyorsak... Időtartamuk tized, század és gyakran milliomod másodperc. Viszonylag ritkán ezeknek a folyamatoknak az időtartama eléri a néhány másodpercet.
Természetesen felmerül a kérdés, hogy általában szükséges-e figyelembe venni az ilyen rövid ideig tartó átmeneti rendszereket. A választ csak az egyes esetekre lehet megadni, hiszen eltérő feltételek mellett szerepük nem ugyanaz. Jelentőségük különösen nagy az impulzusjelek erősítésére, képzésére és átalakítására tervezett eszközökben, amikor az elektromos áramkörre ható jelek időtartama arányos a tranziens üzemmódok időtartamával.
A tranziensek az impulzusok alakjának torzulását okozzák, amikor lineáris áramkörökön haladnak át. Az olyan automatizálási eszközök számítása és elemzése, ahol az elektromos áramkörök állapotában folyamatosan változik, elképzelhetetlen a tranziens módok figyelembevétele nélkül.
Számos készülékben a tranziens folyamatok kialakulása általában nemkívánatos és veszélyes, ezekben az esetekben a tranziens üzemmódok számítása lehetővé teszi az esetleges túlfeszültségek és áramnövekedés meghatározását, amelyek többszöröse is lehet az állókészülék feszültségének és áramának. mód. Ez különösen fontos jelentős induktivitású vagy nagy kapacitású áramkörök esetén.
Az átállási folyamat okai
Tekintsük azokat a jelenségeket, amelyek az elektromos áramkörökben az egyik álló üzemmódból a másikba való átmenet során fordulnak elő.
Az izzólámpát egy R1 ellenállást, egy B kapcsolót és egy E állandó feszültségforrást tartalmazó soros áramkörbe foglaljuk.A kapcsoló zárása után a lámpa azonnal kigyullad, mivel az izzószál felmelegedése és fényerejének növekedése a szem számára láthatatlan. Feltételezhető, hogy egy ilyen áramkörben az állóáram egyenlő Azo =E / (R1 + Rl), szinte azonnal fel van szerelve, ahol Rl - a lámpa izzószálának aktív ellenállása.
Az energiaforrásokból és ellenállásokból álló lineáris áramkörökben a tárolt energia változásával járó tranziensek egyáltalán nem fordulnak elő.
Rizs. 1. Sémák a tranziens folyamatok szemléltetésére: a — reaktív elemek nélküli áramkör, b — tekercses áramkör, c — kondenzátoros áramkör.
Cserélje ki az ellenállást egy L tekercsre, amelynek az induktivitása elég nagy. A kapcsoló bezárása után észreveheti, hogy a lámpa fénye fokozatosan növekszik. Ez azt mutatja, hogy a tekercs jelenléte miatt az áramkörben az áram fokozatosan eléri az állandósult állapotú értékét. I'about =E / (rDa se + Rl), ahol rk – a tekercs tekercsének aktív ellenállása.
A következő kísérletet egy állandó feszültségforrásból, ellenállásokból és kondenzátorból álló áramkörrel végezzük, amelyhez párhuzamosan egy voltmérőt is csatlakoztatunk (1. ábra, c). Ha a kondenzátor kapacitása elég nagy (több tíz mikrofarad), és az R1 és R2 ellenállások mindegyike több száz kiloohm, akkor a kapcsoló bezárása után a voltmérő tűje simán eltérni kezd, és csak azután. néhány másodpercre a skála megfelelő felosztására van állítva.
Ezért a kondenzátor feszültsége, valamint az áramkörben lévő áram viszonylag hosszú ideig áll fenn (magának a mérőeszköznek a tehetetlensége ebben az esetben elhanyagolható).
Mi akadályozza meg a stacionárius üzemmód azonnali létrejöttét az 1. ábra áramköreiben? 1, b, c és az átállási folyamat oka?
Ennek oka az elektromos áramkörök energia tárolására képes elemei (ún. reaktív elemek): induktor (1. ábra, b) és kondenzátor (1. ábra c).
A ti° C feszültségre feltöltött C kapacitású kondenzátor elektromos mezőjében felhalmozódott energia egyenlő: W° C = 1/2 (Cu° C2)
Mivel a WL mágneses energia betáplálását a tekercs iL árama és a W° C elektromos energia - a kondenzátor feszültsége ti° C határozza meg, ezért minden elektromos áramkörben, tetszőleges három kommutációnál, két alapvető rendelkezést kell betartani: a tekercs áramát. és a kondenzátor feszültségét nem változtathatják élesen... Néha ezek a szabályozások másképp fogalmazódnak meg, nevezetesen: a tekercs fluxusa és a kondenzátor töltés viszonya csak simán, ugrások nélkül változhat.
Fizikailag az átmeneti módok olyan folyamatok, amelyek során az áramkör energiaállapotát a kommutáció előtti üzemmódból a kommutáció utáni üzemmódba átmeneti folyamatok végzik. A reaktív elemeket tartalmazó áramkör minden álló állapota az elektromos és mágneses mezők bizonyos mennyiségű energiájának felel meg.Az új stacionárius üzemmódra való áttérés e mezők energiájának növekedésével vagy csökkenésével jár, és egy átmeneti folyamat megjelenésével jár, amely azonnal véget ér, amint az energiaellátás változása leáll. Ha a kapcsolás során az áramkör energiaállapota nem változik, akkor tranziens nem következik be.
a) az áramkör be- és kikapcsolása,
b) rövidzárlat a lánc egyes ágai vagy elemei,
c) ágak vagy áramköri elemek leválasztása, csatlakoztatása stb.
Ezenkívül tranziensek lépnek fel, amikor impulzusjeleket adnak az elektromos áramkörökre.