Processos transitórios no circuito elétrico

Processos transitórios não são incomuns e são característicos não apenas de circuitos elétricos. Vários exemplos podem ser citados em vários campos da física e da tecnologia onde tais fenômenos ocorrem.

Por exemplo, a água quente despejada em um recipiente é gradualmente resfriada e sua temperatura muda de um valor inicial para um valor de equilíbrio igual à temperatura ambiente. Um pêndulo trazido de um estado de repouso realiza oscilações de amortecimento e eventualmente retorna ao seu estado estacionário original. Quando um dispositivo elétrico de medição é conectado, sua agulha, antes de parar na divisão da escala correspondente, faz várias oscilações em torno desse ponto da escala.

Modo estacionário e transitório do circuito elétrico

Ao analisar os processos em circuitos elétricos você deve encontrar dois modos de operação: estabelecido (estacionário) e transitório.

O modo estacionário de um circuito elétrico conectado a uma fonte de tensão (corrente) constante é um modo no qual as correntes e tensões nos ramos individuais do circuito são constantes ao longo do tempo.

Em um circuito elétrico conectado a uma fonte de corrente alternada, o estado estacionário é caracterizado pela repetição periódica dos valores instantâneos de correntes e tensões nas ramificações... Em todos os casos de operação de circuitos em modos estacionários, que teoricamente podem continuar indefinidamente, assume-se que os parâmetros do sinal ativo (tensão ou corrente), bem como a estrutura do circuito e os parâmetros de seus elementos, não mudam.

As correntes e tensões no modo estacionário dependem do tipo de influência externa e dos parâmetros do alvo elétrico.

Um modo transitório (ou processo transitório) é chamado de modo que ocorre em um circuito elétrico durante a transição de um estado estacionário para outro, que é de alguma forma diferente do anterior, e as tensões e correntes que acompanham esse modo - tensões transitórias e correntes... Uma mudança no estado estacionário de um circuito pode ocorrer como resultado da mudança de sinais externos, incluindo ligar ou desligar uma fonte de influência externa, ou pode ser causada pela comutação no próprio circuito.

Qualquer alteração em um circuito elétrico que cause um transiente é chamada de comutação.

Comutação de um circuito elétrico — o processo de comutação das conexões elétricas dos elementos do circuito elétrico, desconectando um dispositivo semicondutor (GOST 18311-80).

Na maioria dos casos, é teoricamente admissível assumir que a comutação ocorre instantaneamente, ou seja, vários interruptores no circuito são executados sem levar muito tempo. O processo de comutação em diagramas geralmente é mostrado por uma seta perto da chave.

Os processos transitórios em circuitos reais são rápidos... Sua duração é de décimos, centésimos e frequentemente milionésimos de segundo. Relativamente raramente, a duração desses processos atinge alguns segundos.

Naturalmente, surge a questão de saber se é geralmente necessário levar em conta regimes transitórios de tão curta duração. A resposta só pode ser dada para cada caso específico, pois em condições diferentes o seu papel não é o mesmo. Sua importância é especialmente grande em dispositivos projetados para amplificação, formação e conversão de sinais de pulso, quando a duração dos sinais que atuam no circuito elétrico é compatível com a duração dos modos transitórios.

Os transientes fazem com que a forma dos pulsos seja distorcida à medida que passam por circuitos lineares. O cálculo e análise de dispositivos de automação, onde há uma mudança contínua no estado dos circuitos elétricos, é impensável sem levar em conta os modos transitórios.

Em vários dispositivos, a ocorrência de processos transitórios é geralmente indesejável e perigosa. O cálculo dos modos transitórios nesses casos permite determinar possíveis sobretensões e aumentos de corrente, que podem ser muitas vezes superiores às tensões e correntes dos estacionários modo. Isso é especialmente importante para circuitos com indutância significativa ou alta capacitância.

As razões para o processo de transição

Vamos considerar os fenômenos que ocorrem em circuitos elétricos durante a transição de um modo estacionário para outro.

Incluímos a lâmpada incandescente em um circuito em série contendo um resistor R1, uma chave B e uma fonte de tensão constante E.Após o fechamento do interruptor, a lâmpada acenderá imediatamente, pois o aquecimento do filamento e o aumento do brilho de seu brilho são invisíveis a olho nu. Condicionalmente, pode-se supor que em tal circuito a corrente estacionária seja igual a Azo =E / (R1 + Rl), é instalada quase imediatamente, onde Rl é a resistência ativa do filamento da lâmpada.

Em circuitos lineares que consistem em fontes de energia e resistores, os transientes associados a uma mudança na energia armazenada não ocorrem.

Arroz. 1. Esquemas para ilustrar processos transientes: a — circuito sem elementos reativos, b — circuito com indutor, c — circuito com capacitor.

Substitua o resistor por uma bobina L cuja indutância seja grande o suficiente. Depois de fechar o interruptor, você pode notar que o aumento do brilho da lâmpada é gradual. Isso mostra que, devido à presença de uma bobina, a corrente no circuito atinge gradualmente seu valor de estado estacionário. I'about =E / (rDa se + Rl), onde rk — resistência ativa do enrolamento da bobina.

O próximo experimento será realizado com um circuito composto por uma fonte de tensão constante, resistores e um capacitor, em paralelo com o qual conectamos um voltímetro (Fig. 1, c). Se a capacidade do capacitor for grande o suficiente (várias dezenas de microfarads) e a resistência de cada um dos resistores R1 e R2 várias centenas de quilo-ohms, depois de fechar a chave, a agulha do voltímetro começa a se desviar suavemente e somente após alguns segundos, ele é definido para a divisão apropriada da escala.

Portanto, a tensão no capacitor, assim como a corrente no circuito, é estabelecida por um período de tempo relativamente longo (a inércia do próprio dispositivo de medição neste caso pode ser negligenciada).

O que impede o estabelecimento instantâneo de um modo estacionário nos circuitos da fig. 1, b, c e o motivo do processo de transição?

A razão para isso são os elementos dos circuitos elétricos capazes de armazenar energia (os chamados elementos reativos): indutor (Fig. 1, b) e capacitor (Fig. 1, c).

A ocorrência de processos transitórios está associada às peculiaridades das mudanças nas reservas de energia nos elementos reativos do circuito... A quantidade de energia armazenada no campo magnético do indutor L, no qual circula a corrente iL, é expressa pelo fórmula: WL = 1/2 (LiL2)

A energia acumulada no campo elétrico de um capacitor de capacidade C carregado a uma tensão ti° C é igual a: W° C = 1/2 (Cu° C2)

Como o fornecimento de energia magnética WL é determinado pela corrente na bobina iL e energia elétrica W° C - tensão no capacitor ti° C, então em todos os circuitos elétricos, quaisquer três comutações, duas disposições básicas são observadas: a corrente da bobina e a tensão do capacitor eles não podem mudar drasticamente... Às vezes, esses regulamentos são formulados de maneira diferente, a saber: a relação entre o fluxo da bobina e a carga do capacitor só pode mudar suavemente, sem saltos.

Fisicamente, os modos de transição são processos de transição do estado de energia do circuito do modo pré-comutação para o modo pós-comutação. Cada estado estacionário de um circuito com elementos reativos corresponde a uma certa quantidade de energia de campos elétricos e magnéticos.A transição para um novo modo estacionário está associada a um aumento ou diminuição da energia desses campos e é acompanhada pelo aparecimento de um processo transitório que termina assim que a mudança no fornecimento de energia cessa. Se durante a comutação o estado de energia do circuito não mudar, então nenhum transiente ocorrerá.

Os processos transitórios são observados durante a comutação quando o modo estacionário de um circuito elétrico é alterado, o qual possui elementos capazes de armazenar energia. As transições ocorrem durante as seguintes operações:

a) ligar e desligar o circuito,

b) curto circuito ramos individuais ou elementos da cadeia,

c) desconexão ou conexão de ramais ou elementos de circuito, etc.

Além disso, ocorrem transientes quando sinais de pulso são aplicados a circuitos elétricos.