Processi transitori nel circuito elettrico

I processi transitori non sono insoliti e sono caratteristici non solo dei circuiti elettrici. Si possono citare numerosi esempi da vari campi della fisica e della tecnologia in cui si verificano tali fenomeni.

Ad esempio, l'acqua calda versata in un recipiente si raffredda gradualmente e la sua temperatura passa da un valore iniziale ad un valore di equilibrio pari alla temperatura ambiente. Un pendolo portato da uno stato di quiete esegue oscillazioni di smorzamento e alla fine ritorna al suo stato stazionario originale. Quando si collega un dispositivo di misura elettrico, il suo ago, prima di fermarsi sulla corrispondente divisione della scala, compie diverse oscillazioni intorno a questo punto della scala.

Modo stazionario e transitorio del circuito elettrico

Quando si analizzano i processi in circuiti elettrici dovresti incontrare due modalità di funzionamento: stabilito (stazionario) e transitorio.

La modalità stazionaria di un circuito elettrico collegato a una sorgente di tensione costante (corrente) è una modalità in cui le correnti e le tensioni nei singoli rami del circuito sono costanti nel tempo.

In un circuito elettrico collegato a una sorgente di corrente alternata, lo stato stazionario è caratterizzato dalla ripetizione periodica dei valori istantanei di correnti e tensioni nei rami... In tutti i casi di funzionamento di circuiti in modalità stazionarie, che teoricamente possono continuare indefinitamente, si presume che i parametri del segnale attivo (tensione o corrente), così come la struttura del circuito e i parametri dei suoi elementi, non cambino.

Le correnti e le tensioni in modalità stazionaria dipendono dal tipo di influenza esterna e dai parametri del target elettrico.

Una modalità transitoria (o un processo transitorio) è chiamata una modalità che si verifica in un circuito elettrico durante la transizione da uno stato stazionario a un altro, che è in qualche modo diverso dal precedente, e le tensioni e le correnti che accompagnano questa modalità - tensioni transitorie e correnti... Un cambiamento nello stato stazionario di un circuito può verificarsi a seguito del cambiamento di segnali esterni, inclusa l'accensione o lo spegnimento di una fonte di influenza esterna, oppure può essere causato dall'accensione del circuito stesso.

Qualsiasi cambiamento in un circuito elettrico che provoca il verificarsi di un transitorio è chiamato commutazione.

Commutazione di un circuito elettrico: il processo di commutazione delle connessioni elettriche degli elementi del circuito elettrico, disconnessione di un dispositivo a semiconduttore (GOST 18311-80).

Nella maggior parte dei casi, è teoricamente lecito supporre che la commutazione avvenga istantaneamente, cioè vari passaggi nel circuito vengono eseguiti senza richiedere molto tempo. Il processo di commutazione nei diagrammi è solitamente indicato da una freccia vicino all'interruttore.

I processi transitori nei circuiti reali sono veloci... La loro durata è di decimi, centesimi e spesso milionesimi di secondo. Relativamente raramente, la durata di questi processi raggiunge alcuni secondi.

Naturalmente, si pone la questione se sia generalmente necessario tener conto di regimi transitori di così breve durata. La risposta può essere data solo per ogni caso specifico, poiché in condizioni diverse il loro ruolo non è lo stesso. La loro importanza è particolarmente grande nei dispositivi progettati per l'amplificazione, la formazione e la conversione di segnali impulsivi, quando la durata dei segnali agenti sul circuito elettrico è commisurata alla durata dei modi transitori.

I transitori provocano la distorsione della forma degli impulsi mentre attraversano i circuiti lineari. Il calcolo e l'analisi dei dispositivi di automazione, dove c'è un continuo cambiamento nello stato dei circuiti elettrici, è impensabile senza tener conto delle modalità transitorie.

In un certo numero di dispositivi, il verificarsi di processi transitori è generalmente indesiderabile e pericoloso.Il calcolo delle modalità transitorie in questi casi consente di determinare possibili sovratensioni e aumenti di corrente, che possono essere molte volte superiori alle tensioni e alle correnti del fermo modalità. Ciò è particolarmente importante per i circuiti con induttanza significativa o capacità elevata.

Le ragioni del processo di transizione

Consideriamo i fenomeni che si verificano nei circuiti elettrici durante il passaggio da una modalità stazionaria all'altra.

Includiamo la lampada a incandescenza in un circuito in serie contenente un resistore R1, un interruttore B e una sorgente di tensione costante E.Dopo aver chiuso l'interruttore, la lampada si accenderà immediatamente, poiché il riscaldamento del filamento e l'aumento della luminosità del suo bagliore sono invisibili all'occhio. Convenzionalmente, si può presumere che in un tale circuito la corrente stazionaria sia uguale a Azo =E / (R1 + Rl), viene installata quasi immediatamente, dove Rl è la resistenza attiva del filamento della lampada.

Nei circuiti lineari costituiti da sorgenti di energia e resistori, i transitori associati a una variazione dell'energia immagazzinata non si verificano affatto.

Riso. 1. Schemi per illustrare i processi transitori: a — circuito senza elementi reattivi, b — circuito con un induttore, c — circuito con un condensatore.

Sostituire il resistore con una bobina L la cui induttanza è sufficientemente grande. Dopo aver chiuso l'interruttore, si può notare che l'aumento della luminosità del bagliore della lampada è graduale. Ciò dimostra che a causa della presenza di una bobina, la corrente nel circuito raggiunge gradualmente il suo valore di regime. I'about =E / (rDa se + Rl), dove rk — resistenza attiva dell'avvolgimento della bobina.

Il prossimo esperimento verrà eseguito con un circuito costituito da una sorgente di tensione costante, resistori e un condensatore, in parallelo con il quale colleghiamo un voltmetro (Fig. 1, c). Se la capacità del condensatore è abbastanza grande (diverse decine di microfarad) e la resistenza di ciascuno dei resistori R1 e R2 di diverse centinaia di kilo-ohm, dopo aver chiuso l'interruttore, l'ago del voltmetro inizia a deviare uniformemente e solo dopo pochi secondi viene impostato sulla divisione appropriata della scala.

Pertanto, la tensione nel condensatore, così come la corrente nel circuito, viene stabilita per un periodo di tempo relativamente lungo (l'inerzia del dispositivo di misurazione stesso in questo caso può essere trascurata).

Ciò che impedisce l'instaurarsi istantaneo di un modo stazionario nei circuiti di fig. 1, b, c e il motivo del processo di transizione?

La ragione di ciò sono gli elementi dei circuiti elettrici in grado di immagazzinare energia (i cosiddetti elementi reattivi): induttore (Fig. 1, b) e condensatore (figura 1, c).

Il verificarsi di processi transitori è associato alle peculiarità dei cambiamenti nelle riserve di energia negli elementi reattivi del circuito... La quantità di energia immagazzinata nel campo magnetico dell'induttore L, in cui scorre la corrente iL, è espressa dal formula: WL = 1/2 (LiL2)

L'energia accumulata nel campo elettrico di un condensatore di capacità C caricato ad una tensione ti° C è pari a: W° C = 1/2 (Cu° C2)

Poiché la fornitura di energia magnetica WL è determinata dalla corrente nella bobina iL e dall'energia elettrica W° C — tensione nel condensatore ti° C, quindi in tutti i circuiti elettrici, ogni tre commutazioni, si osservano due disposizioni di base: la corrente della bobina e la tensione del condensatore non possono cambiare bruscamente... A volte questi regolamenti sono formulati in modo diverso, vale a dire: il rapporto tra il flusso della bobina e la carica del condensatore può cambiare solo in modo fluido, senza salti.

Fisicamente, le modalità di transizione sono processi di transizione dello stato energetico del circuito dalla modalità pre-commutazione alla modalità post-commutazione. Ogni stato stazionario di un circuito con elementi reattivi corrisponde a una certa quantità di energia dei campi elettrici e magnetici.Il passaggio a una nuova modalità stazionaria è associato ad un aumento o diminuzione dell'energia di questi campi ed è accompagnato dalla comparsa di un processo transitorio che termina non appena si interrompe il cambiamento nell'approvvigionamento energetico. Se durante la commutazione lo stato energetico del circuito non cambia, non si verificano transitori.

Durante la commutazione si osservano processi transitori quando cambia la modalità stazionaria di un circuito elettrico, che ha elementi in grado di immagazzinare energia. Le transizioni si verificano durante le seguenti operazioni:

a) accensione e spegnimento del circuito,

B) corto circuito singoli rami o elementi della catena,

c) disconnessione o connessione di rami o elementi circuitali, ecc.

Inoltre, i transitori si verificano quando i segnali a impulsi vengono applicati ai circuiti elettrici.