Μεταβατικές διεργασίες στο ηλεκτρικό κύκλωμα

Οι μεταβατικές διεργασίες δεν είναι ασυνήθιστες και είναι χαρακτηριστικές όχι μόνο των ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Μπορούν να αναφερθούν ορισμένα παραδείγματα από διάφορους τομείς της φυσικής και της τεχνολογίας όπου συμβαίνουν τέτοια φαινόμενα.

Για παράδειγμα, το ζεστό νερό που χύνεται σε ένα δοχείο ψύχεται σταδιακά και η θερμοκρασία του αλλάζει από αρχική τιμή σε τιμή ισορροπίας ίση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ένα εκκρεμές που φέρεται από κατάσταση ηρεμίας εκτελεί ταλαντώσεις απόσβεσης και τελικά επιστρέφει στην αρχική του ακίνητη κατάσταση. Όταν συνδέεται μια ηλεκτρική συσκευή μέτρησης, η βελόνα της, πριν σταματήσει στο αντίστοιχο τμήμα ζυγαριάς, κάνει αρκετές ταλαντώσεις γύρω από αυτό το σημείο της ζυγαριάς.

Στατική και μεταβατική λειτουργία του ηλεκτρικού κυκλώματος

Κατά την ανάλυση των διαδικασιών σε ηλεκτρικά κυκλώματα θα πρέπει να συναντήσετε δύο τρόπους λειτουργίας: εγκατεστημένο (στάσιμο) και παροδικό.

Η σταθερή λειτουργία ενός ηλεκτρικού κυκλώματος που συνδέεται με μια πηγή σταθερής τάσης (ρεύμα) είναι μια κατάσταση στην οποία τα ρεύματα και οι τάσεις στους επιμέρους κλάδους του κυκλώματος είναι σταθερά με την πάροδο του χρόνου.

Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα συνδεδεμένο με πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος, η στατική κατάσταση χαρακτηρίζεται από περιοδική επανάληψη των στιγμιαίων τιμών των ρευμάτων και των τάσεων στους κλάδους... Σε όλες τις περιπτώσεις λειτουργίας κυκλωμάτων σε στατικές λειτουργίες, που θεωρητικά μπορούν να συνεχιστούν επ' αόριστον, θεωρείται ότι οι παράμετροι του ενεργού σήματος (τάση ή ρεύμα), καθώς και η δομή του κυκλώματος και οι παράμετροι των στοιχείων του, δεν αλλάζουν.

Τα ρεύματα και οι τάσεις στη στατική λειτουργία εξαρτώνται από τον τύπο της εξωτερικής επιρροής και από τις παραμέτρους του ηλεκτρικού στόχου.

Μια μεταβατική λειτουργία (ή μια μεταβατική διαδικασία) ονομάζεται μια λειτουργία που εμφανίζεται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα κατά τη μετάβαση από τη μια στατική κατάσταση στην άλλη, η οποία είναι κατά κάποιο τρόπο διαφορετική από την προηγούμενη, και οι τάσεις και τα ρεύματα που συνοδεύουν αυτόν τον τρόπο λειτουργίας - μεταβατικές τάσεις και ρεύματα... Μια αλλαγή στη σταθερή κατάσταση ενός κυκλώματος μπορεί να προκύψει ως αποτέλεσμα αλλαγής εξωτερικών σημάτων, συμπεριλαμβανομένης της ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης μιας πηγής εξωτερικής επιρροής, ή μπορεί να προκληθεί από την ενεργοποίηση του ίδιου του κυκλώματος.

Οποιαδήποτε αλλαγή σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που προκαλεί μια παροδική εμφάνιση ονομάζεται μεταγωγή.

Εναλλαγή ηλεκτρικού κυκλώματος — η διαδικασία εναλλαγής των ηλεκτρικών συνδέσεων των στοιχείων του ηλεκτρικού κυκλώματος, αποσύνδεσης μιας συσκευής ημιαγωγών (GOST 18311-80).

Στις περισσότερες περιπτώσεις, είναι θεωρητικά επιτρεπτό να υποθέσουμε ότι η εναλλαγή πραγματοποιείται ακαριαία, δηλ. διάφοροι διακόπτες στο κύκλωμα εκτελούνται χωρίς πολύ χρόνο. Η διαδικασία μεταγωγής στα διαγράμματα εμφανίζεται συνήθως με ένα βέλος κοντά στο διακόπτη.

Οι μεταβατικές διεργασίες σε πραγματικά κυκλώματα είναι γρήγορες... Η διάρκειά τους είναι δέκατα, εκατοστά και συχνά εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Σχετικά σπάνια, η διάρκεια αυτών των διεργασιών φτάνει τα λίγα δευτερόλεπτα.

Φυσικά, τίθεται το ερώτημα εάν είναι γενικά απαραίτητο να ληφθούν υπόψη μεταβατικά καθεστώτα τόσο μικρής διάρκειας. Η απάντηση μπορεί να δοθεί μόνο για κάθε συγκεκριμένη περίπτωση, αφού υπό διαφορετικές συνθήκες ο ρόλος τους δεν είναι ο ίδιος. Η σημασία τους είναι ιδιαίτερα μεγάλη σε συσκευές που έχουν σχεδιαστεί για ενίσχυση, σχηματισμό και μετατροπή σημάτων παλμών, όταν η διάρκεια των σημάτων που δρουν στο ηλεκτρικό κύκλωμα είναι ανάλογη με τη διάρκεια των μεταβατικών τρόπων λειτουργίας.

Οι μεταβατικές καταστάσεις προκαλούν παραμόρφωση του σχήματος των παλμών καθώς περνούν μέσα από γραμμικά κυκλώματα. Ο υπολογισμός και η ανάλυση των συσκευών αυτοματισμού, όπου υπάρχει συνεχής αλλαγή στην κατάσταση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, είναι αδιανόητη χωρίς να λαμβάνονται υπόψη οι μεταβατικοί τρόποι λειτουργίας.

Σε πολλές συσκευές, η εμφάνιση μεταβατικών διεργασιών είναι γενικά ανεπιθύμητη και επικίνδυνη.Ο υπολογισμός των μεταβατικών τρόπων λειτουργίας σε αυτές τις περιπτώσεις καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό πιθανών υπερτάσεων και αυξήσεων ρεύματος, οι οποίες μπορεί να είναι πολλές φορές υψηλότερες από τις τάσεις και τα ρεύματα του στατικού τρόπος. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για κυκλώματα με σημαντική επαγωγή ή υψηλή χωρητικότητα.

Οι λόγοι της μεταβατικής διαδικασίας

Ας εξετάσουμε τα φαινόμενα που συμβαίνουν στα ηλεκτρικά κυκλώματα κατά τη μετάβαση από τη μια στατική λειτουργία στην άλλη.

Περιλαμβάνουμε τον λαμπτήρα πυρακτώσεως σε ένα κύκλωμα σειράς που περιέχει μια αντίσταση R1, έναν διακόπτη B και μια πηγή σταθερής τάσης E.Αφού κλείσει ο διακόπτης, η λάμπα θα ανάψει αμέσως, αφού η θέρμανση του νήματος και η αύξηση της φωτεινότητας της λάμψης του είναι αόρατα στο μάτι. Υπό όρους, μπορεί να υποτεθεί ότι σε ένα τέτοιο κύκλωμα το σταθερό ρεύμα είναι ίσο με Azo =E / (R1 + Rl), εγκαθίσταται σχεδόν αμέσως, όπου Rl - ενεργή αντίσταση του νήματος της λάμπας.

Σε γραμμικά κυκλώματα που αποτελούνται από πηγές ενέργειας και αντιστάσεις, δεν συμβαίνουν καθόλου παροδικές αλλαγές που σχετίζονται με μια αλλαγή στην αποθηκευμένη ενέργεια.

Ρύζι. 1. Σχέδια για την απεικόνιση μεταβατικών διεργασιών: α — κύκλωμα χωρίς αντιδραστικά στοιχεία, β — κύκλωμα με επαγωγέα, γ — κύκλωμα με πυκνωτή.

Αντικαταστήστε την αντίσταση με ένα πηνίο L του οποίου η αυτεπαγωγή είναι αρκετά μεγάλη. Μετά το κλείσιμο του διακόπτη, μπορείτε να παρατηρήσετε ότι η αύξηση της φωτεινότητας της λάμψης της λάμπας είναι σταδιακή. Αυτό δείχνει ότι λόγω της παρουσίας ενός πηνίου, το ρεύμα στο κύκλωμα φτάνει σταδιακά τη σταθερή του τιμή. I'about =E / (rDa se + Rl), όπου rk — ενεργή αντίσταση της περιέλιξης του πηνίου.

Το επόμενο πείραμα θα γίνει με ένα κύκλωμα που αποτελείται από πηγή σταθερής τάσης, αντιστάσεις και πυκνωτή, παράλληλα με τον οποίο συνδέουμε ένα βολτόμετρο (Εικ. 1, γ). Εάν η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι αρκετά μεγάλη (αρκετές δεκάδες microfarads) και η αντίσταση καθεμίας από τις αντιστάσεις R1 και R2 αρκετές εκατοντάδες κιλά ohms, τότε μετά το κλείσιμο του διακόπτη, η βελόνα του βολτόμετρου αρχίζει να αποκλίνει ομαλά και μόνο μετά μερικά δευτερόλεπτα ρυθμίζεται στην κατάλληλη διαίρεση της κλίμακας.

Επομένως, η τάση στον πυκνωτή, καθώς και το ρεύμα στο κύκλωμα, καθορίζεται για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα (η αδράνεια της ίδιας της συσκευής μέτρησης σε αυτή την περίπτωση μπορεί να παραμεληθεί).

Τι εμποδίζει τη στιγμιαία εγκαθίδρυση ενός στατικού τρόπου λειτουργίας στα κυκλώματα του σχ. 1, β, γ και ο λόγος για τη διαδικασία μετάβασης;

Ο λόγος για αυτό είναι τα στοιχεία των ηλεκτρικών κυκλωμάτων ικανά να αποθηκεύουν ενέργεια (τα λεγόμενα αντιδραστικά στοιχεία): επαγωγέας (Εικ. 1, β) και πυκνωτής (Εικ. 1, γ).

Η εμφάνιση παροδικών διεργασιών σχετίζεται με τις ιδιαιτερότητες των αλλαγών στα αποθέματα ενέργειας στα αντιδρώντα στοιχεία του κυκλώματος... Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται στο μαγνητικό πεδίο του επαγωγέα L, στο οποίο ρέει το ρεύμα iL, εκφράζεται από το τύπος: WL = 1/2 (LiL2)

Η ενέργεια που συσσωρεύεται στο ηλεκτρικό πεδίο ενός πυκνωτή χωρητικότητας C που φορτίζεται σε τάση ti° C είναι ίση με: W° C = 1/2 (Cu° C2)

Εφόσον η παροχή μαγνητικής ενέργειας WL καθορίζεται από το ρεύμα στο πηνίο iL και την ηλεκτρική ενέργεια W° C — τάση στον πυκνωτή ti° C, τότε σε όλα τα ηλεκτρικά κυκλώματα, οποιεσδήποτε τρεις εναλλαγές, τηρούνται δύο βασικές διατάξεις: το ρεύμα του πηνίου και η τάση του πυκνωτή δεν μπορούν να αλλάξουν απότομα... Μερικές φορές αυτοί οι κανονισμοί διατυπώνονται διαφορετικά, δηλαδή: η σχέση της ροής του πηνίου και του φορτίου του πυκνωτή μπορεί να αλλάξει μόνο ομαλά, χωρίς άλματα.

Φυσικά, οι τρόποι μετάβασης είναι διεργασίες μετάβασης της ενεργειακής κατάστασης του κυκλώματος από τη λειτουργία προ-εναλλαγής στη λειτουργία μετά την εναλλαγή. Κάθε στατική κατάσταση ενός κυκλώματος με αντιδραστικά στοιχεία αντιστοιχεί σε μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων.Η μετάβαση σε μια νέα σταθερή λειτουργία συνδέεται με αύξηση ή μείωση της ενέργειας αυτών των πεδίων και συνοδεύεται από την εμφάνιση μιας παροδικής διαδικασίας που τελειώνει μόλις σταματήσει η αλλαγή στην παροχή ενέργειας. Εάν κατά τη διάρκεια της μεταγωγής η ενεργειακή κατάσταση του κυκλώματος δεν αλλάξει, τότε δεν συμβαίνουν μεταβατικά.

Παροδικές διεργασίες παρατηρούνται κατά τη μεταγωγή όταν αλλάζει η στατική λειτουργία ενός ηλεκτρικού κυκλώματος, το οποίο έχει στοιχεία ικανά να αποθηκεύουν ενέργεια. Οι μεταβάσεις πραγματοποιούνται κατά τις ακόλουθες λειτουργίες:

α) ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του κυκλώματος,

σι) βραχυκύκλωμα μεμονωμένα κλαδιά ή στοιχεία της αλυσίδας,

γ) αποσύνδεση ή σύνδεση διακλαδώσεων ή στοιχείων κυκλώματος κ.λπ.

Επιπλέον, συμβαίνουν μεταβατικά σήματα όταν εφαρμόζονται σήματα παλμών σε ηλεκτρικά κυκλώματα.