Quá trình quá độ trong mạch điện
Các quá trình nhất thời không phải là bất thường và không chỉ là đặc trưng của các mạch điện. Một số ví dụ có thể được trích dẫn từ các lĩnh vực vật lý và công nghệ khác nhau nơi các hiện tượng như vậy xảy ra.
Ví dụ, nước nóng đổ vào bình chứa được làm lạnh dần dần và nhiệt độ của nó thay đổi từ giá trị ban đầu sang giá trị cân bằng bằng với nhiệt độ môi trường. Một con lắc được đưa từ trạng thái nghỉ thực hiện dao động tắt dần rồi cuối cùng trở về trạng thái đứng yên ban đầu. Khi một thiết bị đo điện được kết nối, kim của nó, trước khi dừng lại ở vạch chia tỷ lệ tương ứng, sẽ tạo ra một số dao động xung quanh điểm này trên thang đo.
Chế độ đứng yên và nhất thời của mạch điện
Khi phân tích các quá trình trong mạch điện bạn sẽ gặp hai chế độ hoạt động: thiết lập (cố định) và tạm thời.
Chế độ đứng yên của mạch điện được nối với nguồn có điện áp không đổi (dòng điện) là chế độ trong đó dòng điện và điện áp trong các nhánh riêng lẻ của mạch không đổi theo thời gian.
Trong mạch điện nối với nguồn dòng điện xoay chiều, trạng thái đứng yên được đặc trưng bởi sự lặp lại định kỳ các giá trị tức thời của dòng điện và điện áp trong các nhánh... Trong mọi trường hợp hoạt động của mạch ở chế độ đứng yên, về mặt lý thuyết có thể tiếp tục vô thời hạn, người ta cho rằng các tham số của tín hiệu hoạt động (điện áp hoặc dòng điện), cũng như cấu trúc của mạch và các tham số của các phần tử của nó, không thay đổi.
Dòng điện và điện áp ở chế độ đứng yên phụ thuộc vào loại ảnh hưởng bên ngoài và vào các tham số của mục tiêu điện.
Chế độ nhất thời (hoặc quá trình nhất thời) được gọi là chế độ xảy ra trong một mạch điện trong quá trình chuyển đổi từ trạng thái đứng yên này sang trạng thái đứng yên khác, khác với trạng thái trước đó, và điện áp và dòng điện đi kèm với chế độ này - điện áp nhất thời và dòng điện... Sự thay đổi trạng thái ổn định của mạch có thể xảy ra do thay đổi tín hiệu bên ngoài, bao gồm bật hoặc tắt nguồn tác động bên ngoài hoặc có thể do chính việc chuyển mạch trong mạch.
Chuyển mạch điện — quá trình chuyển đổi các kết nối điện của các phần tử của mạch điện, ngắt kết nối thiết bị bán dẫn (GOST 18311-80).
Trong hầu hết các trường hợp, về mặt lý thuyết cho phép giả định rằng việc chuyển đổi diễn ra ngay lập tức, tức là các chuyển mạch khác nhau trong mạch được thực hiện mà không mất nhiều thời gian. Quá trình chuyển đổi trong sơ đồ thường được hiển thị bằng một mũi tên gần công tắc.
Các quá trình nhất thời trong các mạch thực diễn ra nhanh... Thời lượng của chúng là phần mười, phần trăm và thường là phần triệu của giây. Tương đối hiếm khi thời lượng của các quá trình này đạt đến vài giây.
Đương nhiên, câu hỏi đặt ra là liệu có cần thiết phải tính đến các chế độ nhất thời trong thời gian ngắn như vậy hay không. Chỉ có thể đưa ra câu trả lời cho từng trường hợp cụ thể, vì trong những điều kiện khác nhau, vai trò của chúng không giống nhau. Tầm quan trọng của chúng đặc biệt lớn trong các thiết bị được thiết kế để khuếch đại, hình thành và chuyển đổi tín hiệu xung, khi thời lượng của tín hiệu tác động lên mạch điện tương ứng với thời lượng của các chế độ nhất thời.
Quá độ làm cho hình dạng của các xung bị biến dạng khi chúng đi qua các mạch tuyến tính. Tính toán và phân tích các thiết bị tự động hóa, nơi có sự thay đổi liên tục trạng thái của các mạch điện, là không thể tưởng tượng được nếu không tính đến các chế độ nhất thời.
Trong một số thiết bị, sự xuất hiện của các quá trình nhất thời nói chung là không mong muốn và nguy hiểm... Việc tính toán các chế độ nhất thời trong những trường hợp này giúp xác định các mức tăng quá điện áp và dòng điện có thể xảy ra, có thể cao hơn nhiều lần so với điện áp và dòng điện của thiết bị tĩnh. cách thức. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các mạch có độ tự cảm hoặc điện dung cao.
Nguyên nhân của quá trình chuyển đổi
Hãy xét các hiện tượng xảy ra trong mạch điện khi chuyển từ trạng thái đứng yên này sang trạng thái đứng yên khác.
Chúng tôi bao gồm đèn sợi đốt trong mạch nối tiếp có điện trở R1, công tắc B và nguồn điện áp không đổi E.Sau khi đóng công tắc, đèn sẽ sáng ngay lập tức, vì sự nóng lên của dây tóc và sự gia tăng độ sáng của ánh sáng của nó là không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Có điều kiện, có thể giả định rằng trong một mạch như vậy, dòng tĩnh bằng Azo = E / (R1 + Rl), nó được cài đặt gần như ngay lập tức, trong đó Rl — điện trở hoạt động của dây tóc đèn.
Trong các mạch tuyến tính bao gồm các nguồn năng lượng và điện trở, các quá độ liên quan đến sự thay đổi năng lượng dự trữ hoàn toàn không xảy ra.
Cơm. 1. Sơ đồ minh họa các quá trình nhất thời: a — mạch không có phần tử phản kháng, b — mạch có cuộn cảm, c — mạch có tụ điện.
Thay biến trở bằng cuộn L có độ tự cảm đủ lớn. Sau khi đóng công tắc, bạn có thể nhận thấy rằng độ sáng của đèn phát sáng tăng dần. Điều này chứng tỏ do có cuộn dây nên cường độ dòng điện trong mạch dần dần đạt giá trị ổn định. I'about =E / (rDa se + Rl), trong đó rk — điện trở chủ động của cuộn dây.
Thí nghiệm tiếp theo sẽ được thực hiện với một mạch bao gồm một nguồn điện áp không đổi, điện trở và tụ điện, song song với đó chúng ta kết nối một vôn kế (Hình 1, c). Nếu công suất của tụ điện đủ lớn (vài chục microfarad) và điện trở của mỗi điện trở R1 và R2 vài trăm kilo-ohm, thì sau khi đóng công tắc, kim của vôn kế bắt đầu lệch và chỉ sau một vài giây, nó được đặt thành độ phân chia thích hợp của thang đo.
Do đó, điện áp trong tụ điện, cũng như dòng điện trong mạch, được thiết lập trong một khoảng thời gian tương đối dài (có thể bỏ qua quán tính của chính thiết bị đo trong trường hợp này).
Điều gì ngăn cản việc thiết lập tức thời chế độ đứng yên trong các mạch của hình. 1, b, c và lí do của quá trình chuyển đổi?
Lý do cho điều này là các phần tử của mạch điện có khả năng lưu trữ năng lượng (được gọi là phần tử phản ứng): cuộn cảm (Hình 1, b) và tụ điện (Hình 1, c).
Năng lượng tích lũy trong điện trường của một tụ điện có dung lượng C được tích điện đến hiệu điện thế ti° C bằng: W° C = 1/2 (Cu° C2)
Do việc cung cấp năng lượng từ trường WL được xác định bởi dòng điện trong cuộn dây iL và năng lượng điện W° C — điện áp trong tụ điện ti° C, nên trong tất cả các mạch điện, bất kỳ ba giao hoán nào, hai quy định cơ bản được quan sát: dòng điện cuộn dây và điện áp tụ điện chúng không thể thay đổi đột ngột... Đôi khi các quy định này được xây dựng theo cách khác, cụ thể là: mối quan hệ giữa từ thông cuộn dây và điện tích của tụ điện chỉ có thể thay đổi một cách trơn tru, không có bước nhảy.
Về mặt vật lý, các chế độ chuyển tiếp là quá trình chuyển đổi trạng thái năng lượng của mạch từ chế độ trước chuyển mạch sang chế độ sau chuyển mạch. Mỗi trạng thái đứng yên của mạch có các phần tử phản kháng ứng với một lượng năng lượng điện trường và từ trường nhất định.Việc chuyển đổi sang chế độ đứng yên mới có liên quan đến sự tăng hoặc giảm năng lượng của các trường này và đi kèm với sự xuất hiện của một quá trình nhất thời kết thúc ngay khi sự thay đổi về cung cấp năng lượng dừng lại. Nếu trong quá trình chuyển đổi, trạng thái năng lượng của mạch không thay đổi, thì không có quá độ nào xảy ra.
a) bật và tắt mạch,
b) ngắn mạch các nhánh riêng lẻ hoặc các yếu tố của chuỗi,
c) ngắt kết nối hoặc kết nối các nhánh hoặc phần tử mạch, v.v.
Ngoài ra, quá độ xảy ra khi tín hiệu xung được áp dụng cho các mạch điện.