Přechodové děje v elektrickém obvodu

Přechodové děje nejsou neobvyklé a jsou charakteristické nejen pro elektrické obvody. Lze uvést řadu příkladů z různých oblastí fyziky a techniky, kde se takové jevy vyskytují.

Například horká voda nalitá do nádoby se postupně ochlazuje a její teplota se mění z výchozí hodnoty na rovnovážnou hodnotu rovnou okolní teplotě. Kyvadlo přivedené z klidového stavu provádí tlumení kmitů a nakonec se vrátí do svého původního stacionárního stavu. Když je připojeno elektrické měřicí zařízení, jeho ručička před zastavením na příslušném dílku stupnice několikrát zakmitá kolem tohoto bodu na stupnici.

Stacionární a přechodový režim elektrického obvodu

Při analýze procesů v elektrické obvody měli byste se setkat se dvěma provozními režimy: ustálený (stacionární) a přechodný.

Stacionární režim elektrického obvodu připojeného ke zdroji konstantního napětí (proudu) je režim, ve kterém jsou proudy a napětí v jednotlivých větvích obvodu v čase konstantní.

V elektrickém obvodu napojeném na zdroj střídavého proudu je stacionární stav charakterizován periodickým opakováním okamžitých hodnot proudů a napětí ve větvích... Ve všech případech provozu obvodů ve stacionárních režimech, které teoreticky mohou pokračovat neomezeně, předpokládá se, že parametry aktivního signálu (napětí nebo proud), stejně jako struktura obvodu a parametry jeho prvků, se nemění.

Proudy a napětí ve stacionárním režimu závisí na druhu vnějšího vlivu a na parametrech elektrického cíle.

Přechodový režim (nebo přechodový proces) se nazývá režim, který nastává v elektrickém obvodu při přechodu z jednoho stacionárního stavu do druhého, který je nějak odlišný od předchozího, a napětí a proudy doprovázející tento režim — přechodná napětí a proudy... Ke změně ustáleného stavu obvodu může dojít v důsledku změny vnějších signálů, včetně zapnutí nebo vypnutí zdroje vnějšího vlivu, nebo může být způsobena zapnutím samotného obvodu.

Jakákoli změna v elektrickém obvodu, která způsobí přechodný jev, se nazývá komutace.

Spínání elektrického obvodu — proces spínání elektrických spojů prvků elektrického obvodu, odpojování polovodičové součástky (GOST 18311-80).

Ve většině případů je teoreticky přípustné předpokládat, že přepnutí proběhne okamžitě, tzn. různé spínače v obvodu se provádějí bez dlouhého času. Proces přepínání ve schématech je obvykle znázorněn šipkou poblíž přepínače.

Přechodové procesy v reálných obvodech jsou rychlé... Jejich trvání je desetiny, setiny a často i miliontiny sekundy. Relativně zřídka dosahuje trvání těchto procesů několik sekund.

Přirozeně se nabízí otázka, zda je obecně nutné brát v úvahu přechodné režimy tak krátkého trvání. Odpověď lze dát pouze pro každý konkrétní případ, protože za různých podmínek není jejich role stejná. Jejich význam je zvláště velký u zařízení určených pro zesilování, tvorbu a konverzi pulzních signálů, kdy doba trvání signálů působících na elektrický obvod je úměrná trvání přechodových režimů.

Přechodové jevy způsobují zkreslení tvaru impulsů, když procházejí lineárními obvody. Výpočet a analýza automatizačních zařízení, kde dochází k neustálé změně stavu elektrických obvodů, je nemyslitelný bez zohlednění přechodových režimů.

V řadě zařízení je výskyt přechodových procesů obecně nežádoucí a nebezpečný.Výpočet přechodových režimů v těchto případech umožňuje určit možná přepětí a nárůsty proudu, které mohou být mnohonásobně vyšší než napětí a proudy stacionárního režimu. To je důležité zejména pro obvody s významnou indukčností nebo vysokou kapacitou.

Důvody procesu přechodu

Uvažujme jevy, které se vyskytují v elektrických obvodech při přechodu z jednoho stacionárního režimu do druhého.

Žárovku zařadíme do sériového obvodu obsahujícího rezistor R1, spínač B a zdroj konstantního napětí E.Po sepnutí spínače se lampa okamžitě rozsvítí, protože zahřívání vlákna a zvýšení jasu jeho záře jsou pro oko neviditelné. Podmíněně lze předpokládat, že v takovém obvodu je stacionární proud roven Azo =E / (R1 + Rl), je instalován téměř okamžitě, kde Rl - aktivní odpor vlákna žárovky.

V lineárních obvodech sestávajících ze zdrojů energie a rezistorů se přechodové děje spojené se změnou akumulované energie vůbec nevyskytují.

Rýže. 1. Schémata pro znázornění přechodových procesů: a — obvod bez reaktivních prvků, b — obvod s induktorem, c — obvod s kondenzátorem.

Vyměňte rezistor za L cívku, jejíž indukčnost je dostatečně velká. Po zavření spínače si můžete všimnout, že nárůst jasu žárovky je pozvolný. To ukazuje, že díky přítomnosti cívky proud v obvodu postupně dosáhne své ustálené hodnoty. I'about =E / (rDa se + Rl), kde rk — aktivní odpor vinutí cívky.

Další experiment bude proveden s obvodem sestávajícím ze zdroje konstantního napětí, rezistorů a kondenzátoru, k němuž paralelně připojíme voltmetr (obr. 1, c). Pokud je kapacita kondenzátoru dostatečně velká (několik desítek mikrofaradů) a odpor každého z rezistorů R1 a R2 několik set kiloohmů, pak se po sepnutí spínače začne ručička voltmetru plynule vychylovat a teprve poté po několika sekundách se nastaví na příslušný dílek stupnice.

Proto se napětí v kondenzátoru, stejně jako proud v obvodu, ustálí na poměrně dlouhou dobu (setrvačnost samotného měřicího zařízení lze v tomto případě zanedbat).

Co brání okamžitému nastolení stacionárního režimu v obvodech na obr. 1, b, c a důvod procesu přechodu?

Důvodem jsou prvky elektrických obvodů schopné akumulovat energii (tzv. reaktivní prvky): induktor (obr. 1, b) a kondenzátor (obr. 1, c).

Výskyt přechodových dějů je spojen se zvláštnostmi změn energetických zásob v reaktivních prvcích obvodu... Množství energie uložené v magnetickém poli induktoru L, ve kterém protéká proud iL, vyjadřujeme vzorec: WL = 1/2 (LiL2)

Energie akumulovaná v elektrickém poli kondenzátoru o kapacitě C nabitého na napětí ti°C se rovná: W°C = 1/2 (Cu° C2)

Protože přívod magnetické energie WL je určen proudem v cívce iL a elektrickou energií W° C — napětím v kondenzátoru ti° C, pak ve všech elektrických obvodech, libovolné tři komutace, jsou dodržena dvě základní ustanovení: proud cívky a napětí kondenzátoru se nemohou prudce měnit... Někdy jsou tyto předpisy formulovány jinak, totiž: vztah toku cívky a náboje kondenzátoru se může měnit jen plynule, bez skoků.

Fyzicky jsou přechodové režimy procesy přechodu energetického stavu obvodu z režimu před komutací do režimu po komutaci. Každému stacionárnímu stavu obvodu s reaktivními prvky odpovídá určité množství energie elektrických a magnetických polí.Přechod do nového stacionárního režimu je spojen se zvýšením nebo snížením energie těchto polí a je doprovázen výskytem přechodného procesu, který skončí, jakmile se zastaví změna dodávky energie. Pokud se během spínání energetický stav obvodu nezmění, nevznikají žádné přechodné jevy.

Přechodné procesy jsou pozorovány při spínání, když se mění stacionární režim elektrického obvodu, který má prvky schopné akumulovat energii. K přechodům dochází během následujících operací:

a) zapínání a vypínání obvodu,

b) zkrat jednotlivé větve nebo prvky řetězce,

c) odpojení nebo připojení větví nebo prvků obvodu atd.

Kromě toho dochází k přechodovým jevům, když jsou pulzní signály aplikovány do elektrických obvodů.