La costante di tempo di un circuito elettrico: cos'è e dove viene utilizzata

I processi periodici sono inerenti alla natura: il giorno è seguito dalla notte, la stagione calda è sostituita dal freddo, ecc. Il periodo di questi eventi è quasi costante e quindi può essere rigorosamente determinato. Inoltre, abbiamo il diritto di affermare che i processi naturali periodici citati come esempio non sono deprezzabili, almeno in termini di durata della vita di una persona.

Tuttavia, nella tecnologia, nell'ingegneria elettrica e nell'elettronica, in particolare, non tutti i processi sono periodici e continui. Di solito, alcuni processi elettromagnetici prima aumentano e poi diminuiscono. Spesso la materia è limitata solo alla fase di inizio dell'oscillazione, che non ha il tempo di prendere veramente velocità.

Abbastanza spesso nell'ingegneria elettrica puoi trovare i cosiddetti transitori esponenziali, la cui essenza è che il sistema si sforza semplicemente di raggiungere uno stato di equilibrio, che alla fine sembra uno stato di riposo. Tale transizione può essere crescente o decrescente.

La forza esterna porta prima il sistema dinamico fuori equilibrio, e quindi non impedisce il ritorno naturale di questo sistema al suo stato originale. Quest'ultima fase è il cosiddetto processo transitorio, caratterizzato da una certa durata. Inoltre, anche il processo di sbilanciamento del sistema è un processo transitorio con una durata caratteristica.

In un modo o nell'altro, chiamiamo la costante di tempo del processo transitorio la sua caratteristica temporale, che determina il tempo dopo il quale un certo parametro di questo processo cambierà volte «e», cioè aumenterà o diminuirà di circa 2.718 volte rispetto allo stato iniziale.

Si consideri, ad esempio, un circuito elettrico costituito da una sorgente di tensione CC, un condensatore e un resistore. Questo tipo di circuito in cui un resistore è collegato in serie con un condensatore è chiamato circuito integratore RC.

Se nel momento iniziale si alimenta un tale circuito, cioè si imposta una tensione costante Uin all'ingresso, allora Uout, la tensione nel condensatore, inizierà a crescere in modo esponenziale.

Dopo il tempo t1, la tensione del condensatore raggiungerà il 63,2% della tensione di ingresso. Quindi, l'intervallo di tempo dall'istante iniziale a t1 è la costante di tempo di questo circuito RC.

Questa costante di catena si chiama «tau», misurata in secondi e indicata dalla corrispondente lettera greca. Numericamente, per un circuito RC, è uguale a R * C, dove R è in ohm e C è in farad.

I circuiti RC integrati vengono utilizzati in elettronica come filtri passa-basso quando le frequenze più alte devono essere tagliate (soppresse) e devono essere fatte passare attraverso le frequenze più basse.

In pratica, il meccanismo di tale filtrazione si basa sul seguente principio. Per la corrente alternata, il condensatore funge da resistenza capacitiva, il cui valore è inversamente proporzionale alla frequenza, cioè maggiore è la frequenza, minore sarà la reattanza del condensatore in ohm.

Pertanto, se una corrente alternata viene fatta passare attraverso il circuito RC, allora, come sul braccio del partitore di tensione, una certa tensione cadrà attraverso il condensatore, proporzionale alla sua capacità alla frequenza della corrente passata.

Se la frequenza di interruzione e l'ampiezza del segnale alternato in ingresso sono note, non sarà difficile per il progettista scegliere un tale condensatore e resistore nel circuito RC, in modo che la tensione minima (di interruzione) (per il frequenza di taglio - il limite superiore della frequenza) cade sul condensatore, poiché la reattanza entra nel divisore insieme a un resistore.

Consideriamo ora il cosiddetto circuito di differenziazione. È un circuito costituito da un resistore e un induttore collegati in serie, un circuito RL. La sua costante di tempo è numericamente uguale a L/R, dove L è l'induttanza della bobina in henry e R è la resistenza del resistore in ohm.

Se a tale circuito viene applicata una tensione costante da una sorgente, dopo un po 'di tempo tau la tensione della bobina diminuirà rispetto a U in del 63,2%, cioè in piena conformità con il valore della costante di tempo per questo circuito elettrico .

Nei circuiti CA (segnali alternati), i circuiti LR vengono utilizzati come filtri passa-alto quando le basse frequenze devono essere tagliate (soppresse) e le frequenze superiori (al di sopra della frequenza di taglio - il limite di frequenza inferiore) - vengono omesse.Quindi, maggiore è l'induttanza della bobina, maggiore è la frequenza.

Come nel caso del circuito RC discusso sopra, qui viene utilizzato il principio del partitore di tensione. Una corrente di frequenza più alta passata attraverso il circuito RL si tradurrà in una maggiore caduta di tensione attraverso l'induttanza L, come con la resistenza induttiva che fa parte del partitore di tensione insieme al resistore. Compito del progettista è scegliere tali R e L in modo che la minima tensione (limite) della bobina sia ottenuta esattamente alla frequenza limite.