Sähköpiirin aikavakio - mikä se on ja missä sitä käytetään

Jaksottaiset prosessit ovat luonnostaan ​​luontaisia: päivää seuraa yö, lämpimän vuodenajan tilalle tulee kylmä jne. Näiden tapahtumien jakso on lähes vakio, joten se voidaan määrittää tarkasti. Lisäksi meillä on oikeus väittää, että esimerkkinä mainitut jaksolliset luonnonprosessit eivät ole heikkenemässä ainakaan ihmisen eliniän suhteen.

Tekniikassa, erityisesti sähkötekniikassa ja elektroniikassa kaikki prosessit eivät kuitenkaan ole jaksoittaisia ​​ja jatkuvia. Yleensä jotkut sähkömagneettiset prosessit ensin lisääntyvät ja sitten vähenevät. Usein aine rajoittuu vain värähtelyn alun vaiheeseen, jolla ei ole aikaa todella nopeutua.

Sähkötekniikasta löytyy melko usein ns. eksponentiaalisia transientteja, joiden ydin on, että järjestelmä yksinkertaisesti pyrkii saavuttamaan jonkin tasapainotilan, joka lopulta näyttää lepotilalta. Tällainen siirtymä voi olla joko kasvava tai laskeva.

Ulkoinen voima saa ensin dynaamisen järjestelmän pois tasapainosta, eikä sitten estä tämän järjestelmän luonnollista paluuta alkuperäiseen tilaan. Tämä viimeinen vaihe on ns. siirtymäprosessi, jolle on ominaista tietty kesto. Lisäksi järjestelmän epätasapainotusprosessi on myös ohimenevä prosessi, jolla on tyypillinen kesto.

Tavalla tai toisella, transienttiprosessin aikavakioksi kutsumme sen aikaominaiskäyrää, joka määrittää ajan, jonka jälkeen tämän prosessin tietty parametri muuttuu kertaa «e», eli se kasvaa tai laskee noin 2,718 kertaa alkutilaan verrattuna.

Tarkastellaan esimerkiksi sähköpiiriä, joka koostuu tasajännitelähteestä, kondensaattorista ja vastuksesta. Tämän tyyppistä piiriä, jossa vastus on kytketty sarjaan kondensaattorin kanssa, kutsutaan RC-integrointipiiriksi.

Jos ensimmäisellä hetkellä syöttää virtaa tällaiselle piirille, toisin sanoen asettaa vakiojännite Uin sisääntuloon, Uout - kondensaattorin jännite alkaa kasvaa eksponentiaalisesti.

Ajan t1 jälkeen kondensaattorin jännite saavuttaa 63,2 % tulojännitteestä. Joten aikaväli alkuhetkestä t1:een on tämän RC-piirin aikavakio.

Tätä ketjuvakiota kutsutaan "tau", mitattuna sekunneissa ja ilmaistaan ​​sitä vastaavalla kreikkalaisella kirjaimella. Numeerisesti RC-piirille se on yhtä suuri kuin R * C, missä R on ohmeina ja C on faradeina.

Integroivia RC-piirejä käytetään elektroniikassa alipäästösuodattimina, kun korkeammat taajuudet on katkaistava (vaimennettu) ja alemmat taajuudet on kuljettava läpi.

Käytännössä tällaisen suodatuksen mekanismi perustuu seuraavaan periaatteeseen. Vaihtovirralla kondensaattori toimii kapasitiivisena resistanssina, jonka arvo on kääntäen verrannollinen taajuuteen, eli mitä suurempi taajuus, sitä pienempi on kondensaattorin reaktanssi ohmeina.

Siksi, jos vaihtovirta johdetaan RC-piirin läpi, niin, kuten jännitteenjakajan varressa, kondensaattorin yli laskee tietty jännite, joka on verrannollinen sen kapasitanssiin kuljetetun virran taajuudella.

Jos tulon vaihtosignaalin katkaisutaajuus ja amplitudi tunnetaan, suunnittelijan ei ole vaikeaa valita sellaista kondensaattoria ja vastusta RC-piirissä, jotta minimi (katkaisu)jännite ( rajataajuus - taajuuden yläraja) putoaa kondensaattoriin, koska reaktanssi tulee jakajaan vastuksen mukana.

Harkitse nyt niin kutsuttua erottelupiiriä. Se on piiri, joka koostuu vastuksesta ja induktorista, jotka on kytketty sarjaan, RL-piiri. Sen aikavakio on numeerisesti yhtä suuri kuin L / R, missä L on kelan induktanssi henrieinä ja R on vastuksen resistanssi ohmeina.

Jos tällaiseen piiriin syötetään vakiojännite lähteestä, jonkin ajan kuluttua tau kelan jännite laskee U in:iin verrattuna 63,2 % eli täysin tämän sähköpiirin aikavakion arvon mukaisesti. .

Vaihtovirtapiireissä (vaihtuvat signaalit) LR-piirejä käytetään ylipäästösuodattimina, kun matalat taajuudet on katkaistava (vaimennettu) ja yli taajuudet (rajataajuuden yläpuolella - alataajuusraja) jätetään pois.Joten mitä suurempi kelan induktanssi on, sitä korkeampi taajuus.

Kuten edellä käsitellyn RC-piirin tapauksessa, tässä käytetään jännitteenjakajan periaatetta. Suurempi taajuusvirta, joka kulkee RL-piirin läpi, johtaa suurempaan jännitehäviöön induktanssin L yli, kuten induktiivisessa resistanssissa, joka on osa jännitteenjakajaa vastuksen ohella. Suunnittelijan tehtävänä on valita sellaiset R ja L niin, että kelan minimi (raja)jännite saadaan täsmälleen rajataajuudella.