Перехідні процеси в електричному ланцюзі

Перехідні процеси не є чимось незвичайним і властиві не тільки для електронних ланцюгів. Можна навести ряд прикладів з різних областей фізики і техніки, де трапляються такого роду явища.

Наприклад, налита в судину пекуча коду рівномірно охолоджується і її температура змінюється від початкового значення до усталеного, рівного температурі середовища. Виведений зі стану спокою маятник здійснює затухаючі коливання і, врешті-решт, повертається в початкове стаціонарне нерухоме стан. При підключенні приладу електровимірювання його стрілка перед зупинкою на відповідному розподілі шкали здійснює навколо цієї точки шкали кілька коливань.

Сталий і перехідний режим електронної ланцюга

При аналізі процесів в електронних ланцюгах доводиться зустрічатися з 2-ма режимами роботи: сталому (стаціонарним) і перехідним.

Сталим режимом електронної ланцюга, приєднаної до джерела постійної напруги (струму), іменується режим, при якому струми і напруги в окремих гілках ланцюга незмінні в часі.

В електронній ланцюга, приєднаної до джерела змінного струму, який встановився режим характеризується періодичним повторенням миттєвих значень струмів і напруг в гілках. У всіх випадках роботи ланцюгів в сталих режимах, які на теоретичному рівні можуть тривати необмежено тривалий час, мається на увазі, що характеристики впливає сигналу (напруги або струму), також структура ланцюга і характеристики її частин не змінюються.

Токи і напруги усталеного режиму залежать від виду зовнішнього впливу і від характеристик електронної мети.

Перехідним режимом (або перехідним процесом) називається режим, що виникає в електронній ланцюга при переході від 1-го стаціонарного стану до іншого, чим-небудь відрізняється від попереднього, а супутні цьому режиму напруги і струми - перехідними напругою і струмами. Зміна стаціонарного режиму ланцюга може відбуватися в результаті зміни зовнішніх сигналів, в тому числі включення або відключення джерела зовнішнього впливу, або може бути викликано перемиканнями всередині самої ланцюга.

Будь-яка зміна в електронній ланцюга, що приводить до появи перехідного процесу називають комутацією. У більшості випадків на теоретичному рівні припустимо вважати, що комутація здійснюється одномоментно, тобто різні перемикання в ланцюзі відбуваються без витрати часу. Процес комутації на схемах умовно показується стрілкою біля вимикача.

Перехідні процеси в реальних ланцюгах є швидкоплинучими. Їх тривалість становить десяті, соті, а нерідко і мільйонні частки секунди. Порівняно рідко тривалість цих процесів домагається одиниці секунди.

Природно постає питання, чи потрібно взагалі брати до уваги перехідні режими, які мають настільки маленьку тривалість. Відповідь може бути дана тільки для кожного конкретного випадку, тому що в різних умовах роль їх неоднакова. Особливо велике їх значення в пристроях, створених для посилення, формування та перетворення імпульсних сигналів, коли тривалість впливають на електронну ланцюг сигналів порівнянна з тривалістю перехідних режимів.

Перехідні процеси є передумовою заломлення форми імпульсів при проходженні їх через лінійні ланцюги. Розрахунок і аналіз пристроїв автоматики, де відбувається безперервна зміна стану електронних ланцюгів, немислимий без урахування перехідних режимів.

У ряді пристроїв поява перехідних процесів, в принципі, не потрібно і небезпечно. Розрахунок перехідних режимів в цих випадках дозволяє визначити можливі перенапруги і зростання струмів, які у багато разів можуть перевищувати напруги і струми стаціонарного режиму. Це особливо важливо для ланцюгів зі значною індуктивністю або великий ємністю.

Причини виникнення перехідного процесу

Розглянемо явища, що виникають в електронних ланцюгах при переході від 1-го усталеного режиму до іншого.

Включимо лампу розжарювання в послідовну ланцюг, що містить резистор R1, вимикач В і джерело постійної напруги Е. Після замикання вимикача лампа відразу загориться, тому що розігрів нитки і наростання яскравості її світіння на око виявляються непримітними. Можна умовно вважати, що в такого ланцюга струм стаціонарного режиму, що дорівнює Iо = E / (R1 + Rл), встановлюється практично миттєво, де Rл - активний опір напруженій нитки лампи.

В лінійних ланцюгах, що складаються з джерел енергії і резисторів, перехідні процеси, пов`язані зі зміною збереженої енергії, взагалі не з`являються.

Мал. 1. Схеми ланцюгів для ілюстрації перехідних процесів: а - ланцюг без реактивних елекментов, б - ланцюг з котушкою індуктивності, в - ланцюг з конденсатором.

Замінимо резистор котушкою L, індуктивність якої досить велика. Після замикання вимикача можна побачити, що наростання яскравості світіння лампи відбувається рівномірно. Це свідчить про те, що через наявність котушки струм в ланцюзі рівномірно досягає свого сталого значення I`о = E / (rк + Rл), де rк- активний опір обмотки котушки.

Подальший досвід проведемо з ланцюгом, що складається з джерела постійної напруги, резисторів і конденсатора, паралельно з яким підключимо вольтметр (рис. 1, в). Якщо ємність конденсатора досить велика (кілька 10-ів микрофарад), а опір кожного з резисторів R1 і R2 кілька сотень кіло, то після замикання вимикача стрілка вольтметра починає плавно відхилятися і тільки через кілька секунд встановлюється на відповідному розподілі шкали.

Отже, напруга на конденсаторі, також і струм в ланцюзі встановлюються протягом щодо тривалого проміжку часу (інерційністю самого вимірювального приладу в цьому випадку можна знехтувати).

Що все-таки перешкоджає моментального встановлення стаціонарного режиму в ланцюгах рис. 1, б, в і служить причиною виникнення перехідного процесу?

Причиною цьому є елементи електронних ланцюгів, здатні запасати енергію (так звані реактивні елементи): котушка індуктивності (рис. 1, б) і конденсатор (рис. 1, в).

Поява перехідних процесів пов`язано з особливостями конфігурації припасів енергії в реактивних елементах ланцюга. Кількість енергії, що накопичується в магнітному полі котушки з індуктивністю L, в якій протікає струм iL, виражається формулою: WL = 1/2 (LiL2)

Енергія, що накопичується в електронному поле конденсатора ємністю С, зарядженого до напруги uC, дорівнює: WC = 1/2 (CuC2)

Так як запас магнітної енергії WL визначається струмом в котушці iL, а електричної енергії WC - напругою на конденсаторі uC, то у всіх електронних ланцюгах три всіх комутаціях дотримуються два головних положення: ток котушки і напруга на конденсаторі не можуть змінюватися стрибком. Час від часу ці положення формулюються по іншому, а саме: потокосцепление котушки і заряд конденсатора можуть змінюватися тільки плавно, без стрибків.

На фізичному рівні перехідні режими являють собою процеси переходу енергетичного стану ланцюга від докоммутаціонного до послекоммутаціонному режиму. Кожному стаціонарному стану ланцюга, що має реактивні елементи, відповідає певний запас енергії електронного та магнітного полів. Перехід до нового стаціонарного режиму пов`язаний з наростанням або спадання енергії цих полів і супроводжується появою перехідного процесу, який завершується, як припиняється зміна запасу енергії. Якщо при при комутації енергетичний стан ланцюга не змінюється, то перехідні процеси не з`являються.

Перехідні процеси спостерігаються при комутаціях, коли змінюється стаціонарний режим електронної ланцюга, що має елементи, здатні запасати енергію. Перехідні процеси з`являються при наступних операціях:

а) включенні і виключенні ланцюга,

б) короткому замиканні окремих гілок або частин ланцюга,

в) виключенні або підключенні гілок або частин ланцюга і т. д.

Крім того, перехідні процеси з`являються при впливі на електронні ланцюги імпульсних сигналів.

Школа для електрика