Transienttiprosessit sähköpiirissä

Transienttiprosessit eivät ole epätavallisia, ja ne ovat ominaisia ​​paitsi sähköpiireille. Fysiikan ja tekniikan eri aloilta voidaan mainita useita esimerkkejä, joilla tällaisia ​​ilmiöitä esiintyy.

Esimerkiksi säiliöön kaadettu kuuma vesi jäähdytetään vähitellen ja sen lämpötila muuttuu alkuarvosta ympäristön lämpötilaa vastaavaan tasapainoarvoon. Lepotilasta tuotu heiluri suorittaa vaimentavia värähtelyjä ja palaa lopulta alkuperäiseen stationaariseen tilaan. Kun sähköinen mittauslaite kytketään, sen neula, ennen kuin se pysähtyy vastaavaan asteikkojakoon, tekee useita värähtelyjä tämän asteikon pisteen ympärillä.

Sähköpiirin kiinteä ja transienttitila

Kun analysoidaan prosesseja sisään sähköpiirit sinun pitäisi kohdata kaksi toimintatilaa: vakiintunut (kiinteä) ja ohimenevä.

Vakiojännitteen lähteeseen (virtaan) kytketyn sähköpiirin kiinteä tila on tila, jossa virrat ja jännitteet piirin yksittäisissä haaroissa ovat vakioita ajan myötä.

Vaihtovirtalähteeseen kytketyssä sähköpiirissä paikallaanolotilalle on ominaista virtojen ja jännitteiden hetkellisten arvojen jaksollinen toistuminen haaroissa... Kaikissa tapauksissa, joissa piirit toimivat kiinteässä tilassa, mikä teoriassa voi jatkua toistaiseksi oletetaan, että aktiivisen signaalin parametrit (jännite tai virta), samoin kuin piirin rakenne ja sen elementtien parametrit, eivät muutu.

Virrat ja jännitteet kiinteässä tilassa riippuvat ulkoisen vaikutuksen tyypistä ja sähköisen kohteen parametreista.

Transienttimoodiksi (tai transienttiprosessiksi) kutsutaan tilaa, joka esiintyy sähköpiirissä siirryttäessä kiinteästä tilasta toiseen ja joka on jotenkin erilainen kuin edellinen, ja tähän tilaan liittyvät jännitteet ja virrat - transienttijännitteet ja -virrat. virrat... Muutos piirin vakaassa tilassa voi tapahtua ulkoisten signaalien muuttumisen seurauksena, mukaan lukien ulkoisen vaikutuksen lähteen kytkeminen päälle tai pois, tai se voi johtua itse piirin kytkemisestä.

Mitä tahansa muutosta sähköpiirissä, joka aiheuttaa transientin esiintymisen, kutsutaan kommutaatioksi.

Sähköpiirin kytkentä - prosessi, jossa kytketään sähköpiirin elementtien sähköiset kytkennät, irrotetaan puolijohdelaite (GOST 18311-80).

Useimmissa tapauksissa on teoreettisesti sallittua olettaa, että kytkentä tapahtuu välittömästi, ts. eri kytkimet piirissä suoritetaan ilman paljon aikaa. Kytkentäprosessi kaavioissa on yleensä esitetty nuolella kytkimen lähellä.

Transienttiprosessit todellisissa piireissä ovat nopeita... Niiden kesto on sekunnin kymmenesosia, sadasosia ja usein miljoonasosia. Suhteellisen harvoin näiden prosessien kesto saavuttaa muutaman sekunnin.

Luonnollisesti herää kysymys, onko yleensä tarpeen ottaa huomioon näin lyhytkestoiset ohimenevät järjestelmät. Vastaus voidaan antaa vain kullekin yksittäiselle tapaukselle, koska eri olosuhteissa niiden rooli ei ole sama. Niiden merkitys on erityisen suuri pulssisignaalien vahvistamiseen, muodostamiseen ja muuntamiseen suunnitelluissa laitteissa, kun sähköpiiriin vaikuttavien signaalien kesto on oikeassa suhteessa transienttimoodien kestoon.

Transientit aiheuttavat pulssien muodon vääristymisen, kun ne kulkevat lineaaristen piirien läpi. Automaatiolaitteiden laskeminen ja analysointi, joissa sähköpiirien tila muuttuu jatkuvasti, on mahdotonta ajatella ottamatta huomioon transienttitiloja.

Useissa laitteissa transienttiprosessien esiintyminen on yleensä ei-toivottua ja vaarallista, jolloin transienttimoodien laskeminen mahdollistaa mahdollisten ylijännitteiden ja virran lisäysten määrittämisen, jotka voivat olla monta kertaa suurempia kuin kiinteän laitteen jännitteet ja virrat. -tilassa. Tämä on erityisen tärkeää piireissä, joissa on merkittävä induktanssi tai suuri kapasitanssi.

Siirtymäprosessin syyt

Tarkastellaan ilmiöitä, joita esiintyy sähköpiireissä siirtyessä kiinteästä tilasta toiseen.

Sisällytämme hehkulampun sarjaan, joka sisältää vastuksen R1, kytkimen B ja vakiojännitelähteen E.Kytkimen sulkemisen jälkeen lamppu syttyy välittömästi, koska hehkulangan kuumeneminen ja sen hehkun kirkkauden lisääntyminen ovat silmälle näkymättömiä. Ehdollisesti voidaan olettaa, että tällaisessa piirissä paikallaan oleva virta on yhtä suuri kuin Azo =E / (R1 + Rl), se asennetaan melkein välittömästi, missä Rl - lampun hehkulangan aktiivinen vastus.

Lineaarisissa piireissä, jotka koostuvat energialähteistä ja vastuksista, varastoidun energian muutokseen liittyviä transientteja ei esiinny ollenkaan.

Riisi. 1. Kaaviot transienttiprosessien havainnollistamiseksi: a — piiri ilman reaktiivisia elementtejä, b — piiri kelalla, c — piiri kondensaattorilla.

Vaihda vastus L-kelaan, jonka induktanssi on riittävän suuri. Kytkimen sulkemisen jälkeen voit huomata, että lampun hehkun kirkkaus lisääntyy asteittain. Tämä osoittaa, että kelan läsnäolon vuoksi virta piirissä saavuttaa vähitellen vakaan tilan arvonsa. I'noin =E / (rDa se + Rl), missä rk — kelan käämin aktiivinen vastus.

Seuraava koe suoritetaan piirillä, joka koostuu vakiojännitteen lähteestä, vastuksista ja kondensaattorista, jonka rinnalle kytkemme volttimittarin (kuva 1, c). Jos kondensaattorin kapasiteetti on riittävän suuri (useita kymmeniä mikrofaradia) ja kunkin vastuksen R1 ja R2 vastus useita satoja kiloohmeja, kytkimen sulkemisen jälkeen volttimittarin neula alkaa poiketa tasaisesti ja vasta sen jälkeen muutaman sekunnin kuluttua se asetetaan sopivaan asteikon jakoon.

Siksi kondensaattorin jännite sekä virtapiirissä muodostuvat suhteellisen pitkäksi ajaksi (itse mittauslaitteen inertia voidaan tässä tapauksessa jättää huomiotta).

Mikä estää kiinteän tilan hetkellisen muodostumisen kuvan 1 piireissä? 1, b, c ja siirtymäprosessin syy?

Syynä tähän ovat sähköpiirien elementit, jotka pystyvät varastoimaan energiaa (ns. reaktiiviset elementit): induktori (Kuva 1, b) ja kondensaattori (Kuva 1, c).

Transienttiprosessien esiintyminen liittyy piirin reaktiivisten elementtien energiavarantojen muutosten erityispiirteisiin... Induktorin L magneettikenttään varastoitunut energiamäärä, jossa virta iL kulkee, ilmaistaan kaava: WL = 1/2 (LiL2)

Kapasiteetin C kondensaattorin sähkökenttään kertynyt energia, joka on ladattu jännitteeseen ti° C, on yhtä suuri kuin: W° C = 1/2 (Cu° C2)

Koska magneettisen energian WL syöttämisen määrää kelan virta iL ja sähköenergia W° C — kondensaattorin jännite ti° C, niin kaikissa sähköpiireissä, missä tahansa kolmessa kommutaatiossa, huomioidaan kaksi perusehtoa: kelan virta. ja kondensaattorin jännite eivät voi muuttua jyrkästi... Joskus nämä määräykset on muotoiltu eri tavalla, nimittäin: kelavuon ja kondensaattorin varauksen suhde voi muuttua vain tasaisesti, ilman hyppyjä.

Fyysisesti siirtymämoodit ovat prosesseja, joissa piirin energiatila siirtyy kommutointia edeltävästä tilasta kommutoinnin jälkeiseen tilaan. Jokainen reaktiivisten elementtien piirin kiinteä tila vastaa tiettyä määrää sähkö- ja magneettikenttien energiaa.Siirtyminen uuteen kiinteään tilaan liittyy näiden kenttien energian lisääntymiseen tai vähenemiseen, ja siihen liittyy ohimenevän prosessin ilmaantuminen, joka päättyy heti, kun energiansyötön muutos pysähtyy. Jos kytkennän aikana piirin energiatila ei muutu, transientteja ei tapahdu.

Siirtymisen aikana havaitaan ohimeneviä prosesseja, kun sähköpiirin kiinteä tila muuttuu, jossa on elementtejä, jotka pystyvät varastoimaan energiaa. Siirtymiä tapahtuu seuraavien toimintojen aikana:

a) piirin kytkeminen päälle ja pois,

b) oikosulku ketjun yksittäiset haarat tai osat,

c) haarojen tai piirielementtien irrottaminen tai kytkeminen jne.

Lisäksi transientteja esiintyy, kun pulssisignaaleja syötetään sähköpiireihin.