Proses transien di sirkuit listrik
Proses transien tidak biasa dan merupakan karakteristik tidak hanya dari sirkuit listrik. Sejumlah contoh dapat dikutip dari berbagai bidang fisika dan teknologi di mana fenomena tersebut terjadi.
Misalnya, air panas yang dituangkan ke dalam wadah didinginkan secara bertahap dan suhunya berubah dari nilai awal ke nilai kesetimbangan yang sama dengan suhu sekitar. Pendulum yang dibawa dari keadaan diam melakukan osilasi redaman dan akhirnya kembali ke keadaan diam semula. Saat alat pengukur listrik dihubungkan, jarumnya, sebelum berhenti di divisi skala yang sesuai, membuat beberapa getaran di sekitar titik ini pada skala.
Mode stasioner dan transien dari rangkaian listrik
Saat menganalisis proses di rangkaian listrik Anda harus menghadapi dua mode operasi: mapan (stasioner) dan sementara.
Mode stasioner dari rangkaian listrik yang terhubung ke sumber tegangan konstan (arus) adalah mode di mana arus dan tegangan pada masing-masing cabang rangkaian konstan dari waktu ke waktu.
Dalam rangkaian listrik yang terhubung ke sumber arus bolak-balik, keadaan stasioner dicirikan oleh pengulangan periodik dari nilai sesaat arus dan tegangan di cabang... Dalam semua kasus pengoperasian sirkuit dalam mode stasioner, yang secara teoritis dapat berlanjut tanpa batas, diasumsikan bahwa parameter sinyal aktif (tegangan atau arus), serta struktur sirkuit dan parameter elemennya, tidak berubah.
Arus dan voltase dalam mode stasioner bergantung pada jenis pengaruh eksternal dan parameter target listrik.
Mode transien (atau proses transien) disebut mode yang terjadi dalam rangkaian listrik selama transisi dari satu keadaan stasioner ke keadaan lain, yang entah bagaimana berbeda dari yang sebelumnya, dan tegangan dan arus yang menyertai mode ini - tegangan transien dan arus... Perubahan dalam keadaan stabil suatu rangkaian dapat terjadi sebagai akibat dari perubahan sinyal eksternal, termasuk menghidupkan atau mematikan sumber pengaruh eksternal, atau dapat disebabkan oleh pergantian di sirkuit itu sendiri.
Pengalihan sirkuit listrik — proses pengalihan sambungan listrik dari elemen-elemen sirkuit listrik, pemutusan perangkat semikonduktor (GOST 18311-80).
Dalam kebanyakan kasus, secara teoritis diperbolehkan untuk mengasumsikan bahwa peralihan terjadi secara instan, yaitu. berbagai sakelar di sirkuit dilakukan tanpa menghabiskan banyak waktu. Proses peralihan dalam diagram biasanya ditunjukkan dengan panah di dekat sakelar.
Proses transien di sirkuit nyata cepat... Durasinya sepersepuluh, seperseratus, dan seringkali sepersejuta detik. Relatif jarang, durasi proses ini mencapai beberapa detik.
Secara alami, muncul pertanyaan apakah secara umum perlu memperhitungkan rezim sementara dengan durasi sesingkat itu. Jawabannya hanya dapat diberikan untuk setiap kasus tertentu, karena dalam kondisi yang berbeda peran mereka tidak sama. Kepentingannya sangat besar pada perangkat yang dirancang untuk amplifikasi, pembentukan, dan konversi sinyal pulsa, ketika durasi sinyal yang bekerja pada sirkuit listrik sepadan dengan durasi mode transien.
Transien menyebabkan bentuk pulsa terdistorsi saat melewati rangkaian linier. Perhitungan dan analisis perangkat otomasi, di mana ada perubahan terus menerus dalam keadaan rangkaian listrik, tidak terpikirkan tanpa memperhitungkan mode transien.
Di sejumlah perangkat, terjadinya proses transien umumnya tidak diinginkan dan berbahaya Perhitungan mode transien dalam kasus ini memungkinkan untuk menentukan kemungkinan tegangan lebih dan peningkatan arus, yang bisa berkali-kali lebih tinggi daripada tegangan dan arus stasioner. mode. Ini sangat penting untuk sirkuit dengan induktansi yang signifikan atau kapasitansi tinggi.
Alasan untuk proses transisi
Pertimbangkan fenomena yang terjadi di sirkuit listrik selama transisi dari satu mode stasioner ke mode stasioner lainnya.
Kami memasukkan lampu pijar dalam rangkaian seri yang berisi resistor R1, sakelar B, dan sumber tegangan konstan E.Setelah sakelar ditutup, lampu akan langsung menyala, karena pemanasan filamen dan peningkatan kecerahan pancarannya tidak terlihat oleh mata. Secara kondisional, dapat diasumsikan bahwa dalam rangkaian seperti itu arus stasioner sama dengan Azo =E / (R1 + Rl), dipasang hampir seketika, di mana Rl adalah resistansi aktif filamen lampu.
Dalam rangkaian linier yang terdiri dari sumber energi dan resistor, transien yang terkait dengan perubahan energi yang tersimpan tidak terjadi sama sekali.
Beras. 1. Skema untuk menggambarkan proses transien: a — sirkuit tanpa elemen reaktif, b — sirkuit dengan induktor, c — sirkuit dengan kapasitor.
Ganti resistor dengan kumparan L yang induktansinya cukup besar. Setelah menutup sakelar, Anda dapat melihat bahwa peningkatan kecerahan cahaya lampu terjadi secara bertahap. Ini menunjukkan bahwa karena adanya koil, arus dalam rangkaian secara bertahap mencapai nilai keadaan tunaknya. I'about =E / (rDa se + Rl), di mana rk — resistansi aktif dari belitan koil.
Eksperimen selanjutnya akan dilakukan dengan rangkaian yang terdiri dari sumber tegangan konstan, resistor, dan kapasitor, secara paralel dengan voltmeter yang kami sambungkan (Gbr. 1, c). Jika kapasitas kapasitor cukup besar (beberapa puluh mikrofarad) dan resistansi masing-masing resistor R1 dan R2 beberapa ratus kilo-ohm, maka setelah menutup sakelar, jarum voltmeter mulai menyimpang dengan mulus dan hanya setelah beberapa detik diatur ke pembagian skala yang sesuai.
Oleh karena itu, tegangan dalam kapasitor, serta arus dalam rangkaian, ditetapkan untuk jangka waktu yang relatif lama (kelembaman alat pengukur itu sendiri dalam hal ini dapat diabaikan).
Apa yang mencegah pembentukan mode stasioner secara instan di sirkuit gbr. 1, b, c dan alasan proses transisi?
Alasannya adalah elemen sirkuit listrik yang mampu menyimpan energi (yang disebut elemen reaktif): induktor (Gbr. 1, b) dan kapasitor (Gbr. 1, c).
Energi yang terakumulasi dalam medan listrik kapasitor berkapasitas C yang dibebankan ke tegangan ti° C sama dengan: W° C = 1/2 (Cu° C2)
Karena pasokan energi magnet WL ditentukan oleh arus dalam kumparan iL dan energi listrik W° C — tegangan dalam kapasitor ti° C, maka di semua rangkaian listrik, tiga pergantian apa pun, dua ketentuan dasar diamati: arus kumparan dan tegangan kapasitor mereka tidak dapat berubah secara tajam... Terkadang peraturan ini dirumuskan secara berbeda, yaitu: hubungan fluks kumparan dan muatan kapasitor hanya dapat berubah secara halus, tanpa lompatan.
Secara fisik, mode transisi adalah proses transisi keadaan energi sirkuit dari mode pra-komutasi ke mode pasca-komutasi. Setiap keadaan stasioner dari rangkaian dengan elemen reaktif sesuai dengan sejumlah energi medan listrik dan magnet.Peralihan ke mode stasioner baru dikaitkan dengan peningkatan atau penurunan energi medan ini dan disertai dengan munculnya proses transien yang berakhir segera setelah perubahan suplai energi berhenti. Jika selama peralihan keadaan energi rangkaian tidak berubah, maka tidak ada transien yang terjadi.
a) menghidupkan dan mematikan sirkuit,
B) arus pendek cabang individu atau elemen rantai,
c) pemutusan atau penyambungan cabang atau elemen sirkuit, dll.
Selain itu, transien terjadi ketika sinyal pulsa diterapkan ke sirkuit listrik.