Processos transitoris en el circuit elèctric
Els processos transitoris no són inusuals i són característics no només dels circuits elèctrics. Es poden citar una sèrie d'exemples de diversos camps de la física i la tecnologia on es produeixen aquests fenòmens.
Per exemple, l'aigua calenta abocada en un recipient es refreda gradualment i la seva temperatura canvia d'un valor inicial a un valor d'equilibri igual a la temperatura ambient. Un pèndol portat d'un estat de repòs realitza oscil·lacions amortidores i finalment torna al seu estat estacionari original. Quan es connecta un aparell de mesura elèctrica, la seva agulla, abans d'aturar-se a la divisió d'escala corresponent, fa diverses oscil·lacions al voltant d'aquest punt de l'escala.
Mode estacionari i transitori del circuit elèctric
En analitzar els processos en circuits elèctrics hauríeu de trobar dos modes de funcionament: establert (estacionari) i transitori.
El mode estacionari d'un circuit elèctric connectat a una font de tensió constant (corrent) és un mode en què els corrents i les tensions a les branques individuals del circuit són constants al llarg del temps.
En un circuit elèctric connectat a una font de corrent altern, l'estat estacionari es caracteritza per la repetició periòdica dels valors instantanis de corrents i tensions a les branques... En tots els casos de funcionament de circuits en modes estacionaris, que teòricament poden continuar. indefinidament, se suposa que els paràmetres del senyal actiu (tensió o corrent), així com l'estructura del circuit i els paràmetres dels seus elements, no canvien.
Els corrents i les tensions en mode estacionari depenen del tipus d'influència externa i dels paràmetres de l'objectiu elèctric.
Un mode transitori (o procés transitori) s'anomena un mode que es produeix en un circuit elèctric durant la transició d'un estat estacionari a un altre, que d'alguna manera és diferent de l'anterior, i les tensions i corrents que acompanyen aquest mode: voltatges transitoris i corrents... Un canvi en l'estat estacionari d'un circuit pot produir-se com a resultat del canvi de senyals externs, inclòs l'encesa o apagada d'una font d'influència externa, o pot ser causada per la commutació del propi circuit.
Canvi d'un circuit elèctric: procés de commutació de les connexions elèctriques dels elements del circuit elèctric, desconnectant un dispositiu semiconductor (GOST 18311-80).
En la majoria dels casos, teòricament és admissible suposar que la commutació té lloc de manera instantània, és a dir. es realitzen diversos interruptors del circuit sense trigar molt de temps. El procés de commutació als diagrames es mostra normalment amb una fletxa prop de l'interruptor.
Els processos transitoris en circuits reals són ràpids... La seva durada és de dècimes, centèsimes i sovint milionèsimes de segon. Relativament poques vegades, la durada d'aquests processos arriba a uns quants segons.
Naturalment, sorgeix la pregunta de si, en general, cal tenir en compte els règims transitoris de tan curta durada. La resposta només es pot donar per a cada cas concret, ja que en diferents condicions el seu paper no és el mateix. La seva importància és especialment gran en dispositius dissenyats per a l'amplificació, formació i conversió de senyals d'impuls, quan la durada dels senyals que actuen sobre el circuit elèctric és proporcional a la durada dels modes transitoris.
Els transitoris fan que la forma dels polsos es distorsioni quan passen per circuits lineals. El càlcul i l'anàlisi dels dispositius d'automatització, on hi ha un canvi continu en l'estat dels circuits elèctrics, és impensable sense tenir en compte els modes transitoris.
En una sèrie de dispositius, l'aparició de processos transitoris és generalment indesitjable i perillós.El càlcul de modes transitoris en aquests casos permet determinar possibles sobretensions i augments de corrent, que poden ser moltes vegades superiors a les tensions i corrents de l'estacionari. mode. Això és especialment important per a circuits amb una inductància important o una capacitat elevada.
Els motius del procés de transició
Considerem els fenòmens que es produeixen en els circuits elèctrics durant la transició d'un mode estacionari a un altre.
Incloem la làmpada incandescent en un circuit en sèrie que conté una resistència R1, un interruptor B i una font de tensió constant E.Després de tancar l'interruptor, la làmpada s'il·luminarà immediatament, ja que l'escalfament del filament i l'augment de la brillantor del seu resplendor són invisibles als ulls. Condicionalment, es pot suposar que en aquest circuit el corrent estacionari és igual a Azo =E / (R1 + Rl), s'instal·la gairebé immediatament, on Rl - la resistència activa del filament de la làmpada.
En circuits lineals formats per fonts d'energia i resistències, no es produeixen transitoris associats a un canvi en l'energia emmagatzemada.
Arròs. 1. Esquemes per il·lustrar processos transitoris: a — circuit sense elements reactius, b — circuit amb inductor, c — circuit amb condensador.
Substituïu la resistència per una bobina L la inductància de la qual és prou gran. Després de tancar l'interruptor, podeu notar que l'augment de la brillantor de la llum és gradual. Això demostra que a causa de la presència d'una bobina, el corrent al circuit assoleix gradualment el seu valor d'estat estacionari. I'about =E / (rDa se + Rl), on rk — la resistència activa del bobinat de la bobina.
El següent experiment es realitzarà amb un circuit format per una font de tensió constant, resistències i un condensador, en paral·lel amb el qual connectem un voltímetre (Fig. 1, c). Si la capacitat del condensador és prou gran (diverses desenes de microfarads) i la resistència de cadascuna de les resistències R1 i R2 diversos centenars de quiloohms, després de tancar l'interruptor, l'agulla del voltímetre comença a desviar-se sense problemes i només després de uns segons s'ajusta a la divisió adequada de l'escala.
Per tant, la tensió del condensador, així com el corrent del circuit, s'estableix durant un període de temps relativament llarg (la inèrcia del propi dispositiu de mesura en aquest cas es pot descuidar).
El que impedeix l'establiment instantani d'un mode estacionari en els circuits de la fig. 1, b, c i el motiu del procés de transició?
La raó d'això són els elements dels circuits elèctrics capaços d'emmagatzemar energia (els anomenats elements reactius): inductor (Fig. 1, b) i condensador (Fig. 1, c).
L'energia acumulada en el camp elèctric d'un condensador de capacitat C carregat a una tensió ti° C és igual a: W° C = 1/2 (Cu° C2)
Atès que el subministrament d'energia magnètica WL està determinat pel corrent a la bobina iL i l'energia elèctrica W ° C - voltatge en el condensador ti ° C, llavors en tots els circuits elèctrics, qualsevol tres commutacions, s'observen dues disposicions bàsiques: el corrent de la bobina i la tensió del condensador no poden canviar bruscament... De vegades aquestes regulacions es formulen de manera diferent, és a dir: la relació del flux de la bobina i la càrrega del condensador només pot canviar suaument, sense salts.
Físicament, els modes de transició són processos de transició de l'estat energètic del circuit del mode pre-commutació al mode post-commutació. Cada estat estacionari d'un circuit amb elements reactius correspon a una certa quantitat d'energia de camps elèctrics i magnètics.La transició a un nou mode estacionari va associada a un augment o disminució de l'energia d'aquests camps i va acompanyada de l'aparició d'un procés transitori que acaba tan bon punt s'atura el canvi de subministrament d'energia. Si durant la commutació l'estat d'energia del circuit no canvia, no es produeixen transitoris.
a) encendre i apagar el circuit,
b) curtcircuit branques individuals o elements de la cadena,
c) desconnexió o connexió de branques o elements de circuit, etc.
A més, els transitoris es produeixen quan s'apliquen senyals d'impuls als circuits elèctrics.