Преходни процеси в електрическа верига

Преходните процеси не са нещо необичайно и са характерни не само за електронните схеми. Човек може да цитира редица примери от различни области на физиката и технологиите, където такива явления се случват.

Например горещ код, изсипан в съда, е равномерно охладен и температурата му варира от началната стойност до стабилна, равна на температурата на средата. Махалото, изтеглено от покой, извършва отслабени колебания и в крайна сметка се връща към първоначалното неподвижно стационарно състояние. Когато електрическият измервателен уред е свързан, неговият показалец прави няколко колебания около тази точка на скалата, преди да спре при съответното разделяне на скалата.

Стационарният и преходен режим на електронната схема

Когато анализираме процесите в електронните схеми, трябва да се срещнем с два режима на работа: стационарно (стационарно) и преходно.

Стационарното състояние на електронна схема, свързана към източник на постоянно напрежение (ток), е режимът, при който токовете и напреженията в отделните клонове на веригата остават непроменени във времето.

В електронна схема свързан с източник на захранване, стабилно състояние се характеризира с повтарящи се повторение моментни стойности на токове и напрежения в клоните. Във всички случаи на работните вериги в стационарни условия, които теоретично могат да продължат неопределено дълго време, тъй като се предполага, че характеристиките на повлияване сигнал (напрежение или ток), като структурата на веригата и характеристиките на нейните части, които не се променят.

Токовете и напреженията в равновесно състояние зависят от вида на външното действие и от характеристиките на електронната цел.

Режим на прехода (или преходни), наречен режим, произтичащ от електронна схема по време на прехода от 1-во до друго стационарно състояние, нищо по-различно от предходните и придружаващ настоящия режим напрежения и токове - преходни напрежения и токове. Промяна на режима на стационарна верига може да възникне в резултат на конфигурацията на външни сигнали, включително изключване или външен източник на облъчване, или могат да бъдат причинени от превключване в самата верига.

Всяка промяна в електронната схема, която води до появата на преходен процес, се нарича комутация. Почти винаги на теоретично ниво е допустимо да се приеме, че комутация се осъществява едновременно, т.е., различното превключване в схемата става без забавяне. Процесът на превключване на веригите е обозначен условно от стрелка близо до превключвателя.

Преходните процеси в реалните вериги бързо протичат. Тяхната продължителност е десета, стотна, а често и милионите от секундата. Сравнително понякога продължителността на тези процеси достига единица от секундата.

Разбира се, възниква въпросът дали е необходимо като цяло да се вземат предвид преходните режими с такава кратка продължителност. Отговорът може да бъде даден само за всеки конкретен вариант, тъй като при различни критерии тяхната роля не е еднаква. По-специално, тяхното значение в устройствата, предназначени да усилват, формират и преобразуват импулсни сигнали, когато продължителността на сигналите, действащи върху електронната схема, е съизмерима с продължителността на преходните режими.

Преходните процеси са предпоставка за пречупване на формата на импулсите, когато преминават през линейни вериги. Изчисляването и анализа на автоматизационните устройства, при които има постоянна промяна в състоянието на електронните схеми, е немислимо без да се обмислят преходни режими.

В редица устройства появата на преходни процеси по принцип е ненужна и несигурна. Изчисляването на преходните режими в тези случаи ни позволява да открием вероятните пренапрежения и растежа на токове, които многократно могат да надвишават напреженията и токовете на стационарния режим. Това е особено важно за схеми със значителна индуктивност или голям капацитет.

Предпоставки за възникването на процес на преход

Нека разгледаме явленията, които възникват в електронните схеми по време на прехода от първия стабилен режим към друг.

Ние включва по последователност нажежаема верига лампа, съдържаща резистор R1 и източник превключване Постоянното напрежение Е. След прекъсвачът на лампа верига zazhgetsya веднага, тъй като нагряването на спиралата и да повишат неговата яркост луминисценция за окото са незабележими. Може да се предположи, че приблизително по такъв стационарно състояние ток на веригата равна Io = E / (R1 + R `) определят почти едновременно, където R` - резистивен нажежаема лампа с нажежаема жичка.

При линейни вериги, състоящи се от източници на енергия и резистори, не се появяват преходни процеси, свързани с конфигурацията на съхраняваната енергия.

Фиг. 1. Диагностични схеми за илюстриране на преходни процеси: a - верига без реактивни елементи, b - схема с индуктор, c - верига с кондензатор.

Заменяме резистора с намотка L, чиято индуктивност е доста голяма. След затваряне на превключвателя можете да видите, че увеличаването на яркостта на лампата е еднакво. Това показва, че поради ток на бобината във веригата достига стационарно равномерно I`o стойност = E / (RC + R `), където rk- устойчивост на бубинната намотка.

Следващите експерименти се провеждат с верига, съставена от постоянен източник на напрежение, резистор и кондензатор, който е свързан паралелно волтметър (фиг. 1с). Ако капацитет е доста големи (няколко 10 S microfarads) и съпротивлението на всеки от резистори R1 и R2 няколкостотин килоома, след стрелка волтметър на прекъсвач започва гладко отклонява и само след няколко секунди се намира на разделяне съответния мащаб.

Както следва, напрежението на кондензатора, както и токът в електрическата верига, са инсталирани за относително дълъг период от време (инерцията на измервателното устройство може да бъде пренебрегната в този случай).

Това, което в крайна сметка предотвратява незабавното създаване на стационарен режим в схемите от фиг. 1, б, с и служи като предпоставка за възникването на процес на преход?

Предпоставка за това са елементи на електронни схеми, които могат да съхранява енергия (така наречените реактивни елементи): (. Фигура 1 в) един индуктор (. Фигура 1, б) и кондензатор.

Появата на преходни процеси е свързана с особеностите на конфигурацията на енергийните доставки в реактивните елементи на веригата. Количеството на натрупаната енергия в магнитното поле на намотката с индуктивността L, в която тече течността iL, се изразява чрез формулата: WL = 1/2 (LiL2)

Енергията, натрупана в електронното поле на кондензатор с капацитет C, заредена на напрежение uC, е: WC = 1/2 (CuC2)

От WL в магазин на магнитна енергия в бобината се определя от текущата в ликвидация, както и енергия тоалетната електрон - напрежението в кондензатор UC, тогава всички електронни вериги на трите комутации наблюдават две основни разпоредби: ток на бобината и напрежението в кондензатор не може да промени рязко. От време на време, тези разпоредби са формулирани по различен начин, а именно: поток свързване на бобината и зареждане на кондензатор може да се променя само гладко, без скокове.

На физическо ниво преходните режими представляват процесите на преход на енергийното състояние на веригата от пре-комутация до режима след комутация. Всяко стационарно състояние на верига, имаща реактивни елементи, съответства на определено количество енергия от електрони и магнитни полета. Преходът към нов стационарен режим е свързан с увеличаване или намаляване на енергията на тези полета и е придружен от появата на преходен процес, който завършва с прекратяването на промяната в снабдяването с енергия. Ако по време на комутация енергийното състояние на веригата не се промени, тогава не се появяват преходни процеси.

Преходни процеси се наблюдават при комутации, когато стационарният режим на електронната схема, който има елементи, способни да съхраняват енергия, се променя. Преходни процеси се появяват в следващите операции:

а) включване и изключване на веригата,

б) малката затваряне на отделни клонове или части от веригата,

в) изключване или свързване на клонове или части от веригата и т.н.

В допълнение, преходни процеси се появяват, когато електронните схеми на импулсни сигнали.

Училище за електротехник