Η σταθερά χρόνου ενός ηλεκτρικού κυκλώματος — τι είναι και πού χρησιμοποιείται
Οι περιοδικές διεργασίες είναι εγγενείς στη φύση: τη μέρα διαδέχεται η νύχτα, η ζεστή εποχή αντικαθίσταται από το κρύο κ.λπ. Η περίοδος αυτών των γεγονότων είναι σχεδόν σταθερή και επομένως μπορεί να προσδιοριστεί αυστηρά. Επιπλέον, δικαιούμαστε να ισχυριστούμε ότι οι περιοδικές φυσικές διεργασίες που αναφέρονται ως παράδειγμα δεν υποτιμώνται, τουλάχιστον όσον αφορά τη διάρκεια ζωής ενός ατόμου.
Ωστόσο, στην τεχνολογία, στην ηλεκτρική μηχανική και στα ηλεκτρονικά, ειδικά, δεν είναι όλες οι διαδικασίες περιοδικές και συνεχείς. Συνήθως, ορισμένες ηλεκτρομαγνητικές διεργασίες αρχικά αυξάνονται και μετά μειώνονται. Συχνά η ύλη περιορίζεται μόνο στη φάση της έναρξης της ταλάντωσης, η οποία δεν έχει χρόνο να ανεβάσει πραγματικά ταχύτητα.
Αρκετά συχνά στην ηλεκτρική μηχανική μπορείτε να βρείτε τα λεγόμενα εκθετικά μεταβατικά, η ουσία των οποίων είναι ότι το σύστημα απλώς προσπαθεί να φτάσει σε κάποια κατάσταση ισορροπίας, η οποία τελικά μοιάζει με κατάσταση ηρεμίας. Μια τέτοια μετάβαση μπορεί να είναι είτε αυξανόμενη είτε φθίνουσα.
Η εξωτερική δύναμη φέρνει πρώτα το δυναμικό σύστημα από την ισορροπία και στη συνέχεια δεν εμποδίζει τη φυσική επιστροφή αυτού του συστήματος στην αρχική του κατάσταση. Αυτή η τελευταία φάση είναι η λεγόμενη μεταβατική διαδικασία, η οποία χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη διάρκεια. Επιπλέον, η διαδικασία αποσυμπίεσης του συστήματος είναι επίσης μια παροδική διαδικασία με χαρακτηριστική διάρκεια.
Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, τη σταθερά χρόνου της μεταβατικής διαδικασίας, ονομάζουμε χαρακτηριστική του χρόνου, η οποία καθορίζει το χρόνο μετά τον οποίο μια συγκεκριμένη παράμετρος αυτής της διαδικασίας θα αλλάξει φορές «e», δηλαδή θα αυξηθεί ή θα μειωθεί κατά περίπου 2.718 φορές σε σύγκριση με την αρχική κατάσταση.
Σκεφτείτε, για παράδειγμα, ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από μια πηγή τάσης συνεχούς ρεύματος, έναν πυκνωτή και μια αντίσταση. Αυτός ο τύπος κυκλώματος όπου μια αντίσταση συνδέεται σε σειρά με έναν πυκνωτή ονομάζεται κύκλωμα ολοκλήρωσης RC.
Εάν κατά την αρχική χρονική στιγμή τροφοδοτήσετε ένα τέτοιο κύκλωμα, δηλαδή ρυθμίσετε μια σταθερή τάση Uin στην είσοδο, τότε το Uout - η τάση στον πυκνωτή, θα αρχίσει να αυξάνεται εκθετικά.
Μετά το χρόνο t1, η τάση του πυκνωτή θα φτάσει το 63,2% της τάσης εισόδου. Έτσι, το χρονικό διάστημα από την αρχική στιγμή έως το t1 είναι η σταθερά χρόνου αυτού του κυκλώματος RC.
Αυτή η αλυσιδωτή σταθερά ονομάζεται «tau», μετρημένη σε δευτερόλεπτα και υποδεικνύεται με το αντίστοιχο ελληνικό της γράμμα. Αριθμητικά, για ένα κύκλωμα RC, είναι ίσο με R * C, όπου το R είναι σε ohms και το C είναι σε farads.
Τα κυκλώματα ολοκλήρωσης RC χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά ως φίλτρα χαμηλής διέλευσης όταν πρέπει να αποκοπούν (κατασταλεί) υψηλότερες συχνότητες και να περάσουν χαμηλότερες συχνότητες.
Στην πράξη, ο μηχανισμός αυτού του φιλτραρίσματος βασίζεται στην ακόλουθη αρχή. Για εναλλασσόμενο ρεύμα, ο πυκνωτής λειτουργεί ως χωρητική αντίσταση, η τιμή της οποίας είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη συχνότητα, δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο μικρότερη θα είναι η αντίδραση του πυκνωτή σε ohms.
Επομένως, εάν ένα εναλλασσόμενο ρεύμα διέρχεται από το κύκλωμα RC, τότε, όπως και στον βραχίονα του διαιρέτη τάσης, μια ορισμένη τάση θα πέσει στον πυκνωτή, ανάλογη με την χωρητικότητά του στη συχνότητα του ρεύματος που διέρχεται.
Εάν η συχνότητα αποκοπής και το πλάτος του εναλλασσόμενου σήματος εισόδου είναι γνωστά, τότε δεν θα είναι δύσκολο για τον σχεδιαστή να επιλέξει έναν τέτοιο πυκνωτή και αντίσταση στο κύκλωμα RC, έτσι ώστε η ελάχιστη (διακοπή) τάση (για την συχνότητα αποκοπής — το ανώτερο όριο της συχνότητας) πέφτει στον πυκνωτή, αφού η αντίσταση εισέρχεται στον διαιρέτη μαζί με μια αντίσταση.
Τώρα εξετάστε το λεγόμενο κύκλωμα διαφοροποίησης. Είναι ένα κύκλωμα που αποτελείται από μια αντίσταση και ένα πηνίο συνδεδεμένο σε σειρά, ένα κύκλωμα RL. Η χρονική του σταθερά είναι αριθμητικά ίση με L / R, όπου L είναι η αυτεπαγωγή του πηνίου σε henries και R είναι η αντίσταση της αντίστασης σε ohms.
Εάν εφαρμοστεί σταθερή τάση από μια πηγή σε ένα τέτοιο κύκλωμα, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα η τάση του πηνίου θα μειωθεί σε σύγκριση με το U κατά 63,2%, δηλαδή σε πλήρη συμφωνία με την τιμή της σταθεράς χρόνου για αυτό το ηλεκτρικό κύκλωμα .
Στα κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος (εναλλασσόμενα σήματα), τα κυκλώματα LR χρησιμοποιούνται ως υψηλοπερατά φίλτρα όταν οι χαμηλές συχνότητες πρέπει να αποκοπούν (κατασταλεί) και οι συχνότητες πάνω (πάνω από τη συχνότητα αποκοπής — το κατώτερο όριο συχνότητας) — παραλείπονται.Άρα, όσο μεγαλύτερη είναι η αυτεπαγωγή του πηνίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα.
Όπως και στην περίπτωση του κυκλώματος RC που συζητήθηκε παραπάνω, εδώ χρησιμοποιείται η αρχή του διαιρέτη τάσης. Ένα ρεύμα υψηλότερης συχνότητας που διέρχεται από το κύκλωμα RL θα έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη πτώση τάσης στην επαγωγή L, όπως συμβαίνει με την επαγωγική αντίσταση που είναι μέρος του διαιρέτη τάσης μαζί με την αντίσταση. Το καθήκον του σχεδιαστή είναι να επιλέξει τέτοια R και L έτσι ώστε η ελάχιστη (οριακή) τάση του πηνίου να λαμβάνεται ακριβώς στην οριακή συχνότητα.