Procesos transitorios en el circuito eléctrico.

Los procesos transitorios no son inusuales y son característicos no solo de los circuitos eléctricos. Pueden citarse varios ejemplos de diversos campos de la física y la tecnología en los que se producen tales fenómenos.

Por ejemplo, el agua caliente que se vierte en un recipiente se enfría gradualmente y su temperatura cambia desde un valor inicial a un valor de equilibrio igual a la temperatura ambiente. Un péndulo traído desde un estado de reposo realiza oscilaciones de amortiguamiento y eventualmente regresa a su estado estacionario estacionario original. Cuando se conecta un dispositivo de medición eléctrica, su aguja, antes de detenerse en la división de escala correspondiente, hace varias oscilaciones alrededor de este punto de la escala.

Modo estacionario y transitorio del circuito eléctrico.

Al analizar los procesos en circuitos electricos debe encontrar dos modos de funcionamiento: establecido (estacionario) y transitorio.

El modo estacionario de un circuito eléctrico conectado a una fuente de voltaje constante (corriente) es un modo en el que las corrientes y voltajes en las ramas individuales del circuito son constantes a lo largo del tiempo.

En un circuito eléctrico conectado a una fuente de corriente alterna, el estado estacionario se caracteriza por la repetición periódica de los valores instantáneos de corrientes y tensiones en las ramas... En todos los casos de operación de circuitos en modos estacionarios, que teóricamente pueden continuar indefinidamente, se supone que los parámetros de la señal activa (voltaje o corriente), así como la estructura del circuito y los parámetros de sus elementos, no cambian.

Las corrientes y tensiones en modo estacionario dependen del tipo de influencia externa y de los parámetros del objetivo eléctrico.

Un modo transitorio (o un proceso transitorio) se denomina modo que ocurre en un circuito eléctrico durante la transición de un estado estacionario a otro, que es de alguna manera diferente del anterior, y los voltajes y corrientes que acompañan a este modo: voltajes transitorios y corrientes... Un cambio en el estado estable de un circuito puede ocurrir como resultado del cambio de señales externas, incluido encender o apagar una fuente de influencia externa, o puede ser causado por la conexión del circuito mismo.

Cualquier cambio en un circuito eléctrico que cause un transitorio se llama conmutación.

Conmutación de un circuito eléctrico: el proceso de conmutación de las conexiones eléctricas de los elementos del circuito eléctrico, desconectando un dispositivo semiconductor (GOST 18311-80).

En la mayoría de los casos, es teóricamente admisible suponer que la conmutación tiene lugar instantáneamente, es decir, varios interruptores en el circuito se realizan sin tomar mucho tiempo. El proceso de cambio en los diagramas generalmente se muestra con una flecha cerca del interruptor.

Los procesos transitorios en los circuitos reales son rápidos... Su duración es de décimas, centésimas ya menudo millonésimas de segundo. Relativamente raramente, la duración de estos procesos alcanza unos pocos segundos.

Naturalmente, surge la pregunta de si en general es necesario tener en cuenta regímenes transitorios de tan corta duración. La respuesta solo se puede dar para cada caso específico, ya que bajo diferentes condiciones su papel no es el mismo. Su importancia es especialmente grande en dispositivos diseñados para la amplificación, formación y conversión de señales de pulso, cuando la duración de las señales que actúan sobre el circuito eléctrico es proporcional a la duración de los modos transitorios.

Los transitorios hacen que la forma de los pulsos se distorsione cuando pasan por circuitos lineales. El cálculo y análisis de dispositivos de automatización, donde hay un cambio continuo en el estado de los circuitos eléctricos, es impensable sin tener en cuenta los modos transitorios.

En una serie de dispositivos, la ocurrencia de procesos transitorios es generalmente indeseable y peligrosa.El cálculo de los modos transitorios en estos casos permite determinar posibles sobretensiones y aumentos de corriente, que pueden ser muchas veces superiores a las tensiones y corrientes de los estacionarios. modo. Esto es especialmente importante para circuitos con inductancia significativa o alta capacitancia.

Las razones del proceso de transición.

Consideremos los fenómenos que ocurren en los circuitos eléctricos durante la transición de un modo estacionario a otro.

Incluimos la lámpara incandescente en un circuito en serie que contiene una resistencia R1, un interruptor B y una fuente de voltaje constante E.Después de cerrar el interruptor, la lámpara se encenderá de inmediato, ya que el calentamiento del filamento y el aumento en el brillo de su brillo son invisibles para el ojo. Condicionalmente, se puede suponer que en tal circuito la corriente estacionaria es igual a Azo =E / (R1 + Rl), se instala casi de inmediato, donde Rl — resistencia activa del filamento de la lámpara.

En los circuitos lineales que consisten en fuentes de energía y resistencias, los transitorios asociados con un cambio en la energía almacenada no ocurren en absoluto.

Arroz. 1. Esquemas para ilustrar procesos transitorios: a — circuito sin elementos reactivos, b — circuito con inductor, c — circuito con capacitor.

Reemplace la resistencia con una bobina L cuya inductancia sea lo suficientemente grande. Después de cerrar el interruptor, puede notar que el aumento en el brillo del brillo de la lámpara es gradual. Esto muestra que debido a la presencia de una bobina, la corriente en el circuito alcanza gradualmente su valor de estado estable. I'about =E / (rDa se + Rl), donde rk — resistencia activa del devanado de la bobina.

El próximo experimento se llevará a cabo con un circuito que consta de una fuente de voltaje constante, resistencias y un capacitor, en paralelo con el cual conectamos un voltímetro (Fig. 1, c). Si la capacidad del capacitor es lo suficientemente grande (varias decenas de microfaradios) y la resistencia de cada una de las resistencias R1 y R2 varios cientos de kiloohmios, luego de cerrar el interruptor, la aguja del voltímetro comienza a desviarse suavemente y solo después unos segundos se ajusta a la división apropiada de la escala.

Por lo tanto, el voltaje en el capacitor, así como la corriente en el circuito, se establecen durante un período de tiempo relativamente largo (en este caso, se puede despreciar la inercia del propio dispositivo de medición).

Lo que impide el establecimiento instantáneo de un modo estacionario en los circuitos de la fig. 1, b, cy el motivo del proceso de transición?

La razón de esto son los elementos de los circuitos eléctricos capaces de almacenar energía (los llamados elementos reactivos): inductor (Fig. 1, b) y condensador (Fig. 1, c).

La aparición de procesos transitorios está asociada con las peculiaridades de los cambios en las reservas de energía en los elementos reactivos del circuito... La cantidad de energía almacenada en el campo magnético del inductor L, en el que fluye la corriente iL, se expresa por el fórmula: WL = 1/2 (LiL2)

La energía acumulada en el campo eléctrico de un capacitor de capacidad C cargado a un voltaje ti° C es igual a: W° C = 1/2 (Cu° C2)

Dado que el suministro de energía magnética WL está determinado por la corriente en la bobina iL y la energía eléctrica W° C — voltaje en el capacitor ti° C, entonces en todos los circuitos eléctricos, cualquiera de las tres conmutaciones, se observan dos disposiciones básicas: la corriente de la bobina y el voltaje del capacitor no pueden cambiar bruscamente... A veces estas regulaciones se formulan de manera diferente, a saber: la relación del flujo de la bobina y la carga del capacitor solo pueden cambiar suavemente, sin saltos.

Físicamente, los modos de transición son procesos de transición del estado de energía del circuito desde el modo de preconmutación al modo de postconmutación. Cada estado estacionario de un circuito con elementos reactivos corresponde a una cierta cantidad de energía de campos eléctricos y magnéticos.El paso a un nuevo modo estacionario está asociado a un aumento o disminución de la energía de estos campos y va acompañado de la aparición de un proceso transitorio que finaliza en cuanto cesa el cambio de suministro energético. Si durante la conmutación el estado de energía del circuito no cambia, entonces no ocurren transitorios.

Se observan procesos transitorios durante la conmutación cuando cambia el modo estacionario de un circuito eléctrico, el cual posee elementos capaces de almacenar energía. Las transiciones ocurren durante las siguientes operaciones:

a) encender y apagar el circuito,

b) cortocircuito ramas individuales o elementos de la cadena,

c) desconexión o conexión de ramales o elementos del circuito, etc.

Además, los transitorios ocurren cuando se aplican señales de pulso a los circuitos eléctricos.