Переходные процессы не являются кое-чем необыкновенным и свойственны не только лишь для электронных цепей. Можно привести ряд примеров из различных областей физики и техники, где случаются такового рода явления.

К примеру, налитая в сосуд жгучая кода равномерно охлаждается и ее температура меняется от исходного значения до установившегося, равного температуре среды. Выведенный из состояния покоя маятник совершает затухающие колебания и, в конце концов, ворачивается в начальное стационарное недвижное состояние. При подключении электроизмерительного прибора его стрелка перед остановкой на соответственном делении шкалы совершает вокруг этой точки шкалы несколько колебаний.

Установившийся и переходный режим электронной цепи

При анализе процессов в электронных цепях приходится встречаться с 2-мя режимами работы: установившемся (стационарным) и переходным.

Установившимся режимом электронной цепи, присоединенной к источнику неизменного напряжения (тока), именуется режим, при котором токи и напряжения в отдельных ветвях цепи неизменны во времени.

В электронной цепи, присоединенной к источнику переменного тока, установившийся режим характеризуется повторяющимся повторением моментальных значений токов и напряжений в ветвях. Во всех случаях работы цепей в установившихся режимах, которые на теоретическом уровне могут длиться неограниченно длительное время, подразумевается, что характеристики воздействующего сигнала (напряжения либо тока), также структура цепи и характеристики ее частей не меняются.

Токи и напряжения установившегося режима зависят от вида наружного воздействия и от характеристик электронной цели.

Переходным режимом (либо переходным процессом) именуется режим, возникающий в электронной цепи при переходе от 1-го стационарного состояния к другому, чем-либо отличающемуся от предшествующего, а сопутствующие этому режиму напряжения и токи — переходными напряжениями и токами. Изменение стационарного режима цепи может происходить в итоге конфигурации наружных сигналов, в том числе включения либо отключения источника наружного воздействия, либо может быть вызвано переключениями снутри самой цепи.

Хоть какое изменение в электронной цепи, приводящее к появлению переходного процесса именуют коммутацией. Почти всегда на теоретическом уровне допустимо считать, что коммутация осуществляется одномоментно, т.е. разные переключения в цепи происходят без издержки времени. Процесс коммутации на схемах условно показывается стрелкой около выключателя.

Переходные процессы в реальных цепях являются быстропротекающими. Их длительность составляет десятые, сотые, а нередко и миллионные толики секунды. Сравнимо изредка продолжительность этих процессов добивается единицы секунды.

Естественно появляется вопрос, нужно ли вообщем принимать во внимание переходные режимы, имеющие настолько маленькую продолжительность. Ответ может быть дан только для каждого определенного варианта, потому что в разных критериях роль их неодинакова. В особенности велико их значение в устройствах, созданных для усиления, формирования и преобразования импульсных сигналов, когда продолжительность воздействующих на электронную цепь сигналов соизмерима с длительностью переходных режимов.

Переходные процессы являются предпосылкой преломления формы импульсов при прохождении их через линейные цепи. Расчет и анализ устройств автоматики, где происходит непрерывная смена состояния электронных цепей, немыслим без учета переходных режимов.

В ряде устройств появление переходных процессов, в принципе, не нужно и небезопасно. Расчет переходных режимов в этих случаях позволяет найти вероятные перенапряжения и роста токов, которые во много раз могут превосходить напряжения и токи стационарного режима. Это в особенности принципиально для цепей со значимой индуктивностью либо большой емкостью.

Предпосылки появления переходного процесса

Разглядим явления, возникающие в электронных цепях при переходе от 1-го установившегося режима к другому.

Включим лампу накаливания в поочередную цепь, содержащую резистор R1, выключатель В и источник неизменного напряжения Е. После замыкания выключателя лампа сразу зажгется, потому что разогрев нити и нарастание яркости ее свечения на глаз оказываются неприметными. Можно условно считать, что в таковой цепи ток стационарного режима, равный Iо=E/(R1+Rл), устанавливается фактически одномоментно, где Rл — активное сопротивление накаленной нити лампы.

В линейных цепях, состоящих из источников энергии и резисторов, переходные процессы, связанные с конфигурацией запасенной энергии, вообщем не появляются.

Рис. 1. Схемы цепей для иллюстрации переходных процессов: а — цепь без реактивных элекментов, б — цепь с катушкой индуктивности, в — цепь с конденсатором.

Заменим резистор катушкой L, индуктивность которой довольно велика. После замыкания выключателя можно увидеть, что нарастание яркости свечения лампы происходит равномерно. Это свидетельствует о том, что из-за наличия катушки ток в цепи равномерно добивается собственного установившегося значения I‘о=E/(rк+Rл), где rк— активное сопротивление обмотки катушки.

Последующий опыт проведем с цепью, состоящей из источника неизменного напряжения, резисторов и конденсатора, параллельно которому подключим вольтметр (рис. 1,в). Если емкость конденсатора довольно велика (несколько 10-ов микрофарад), а сопротивление каждого из резисторов R1 и R2 несколько сотен килоом, то после замыкания выключателя стрелка вольтметра начинает плавненько отклоняться и только через несколько секунд устанавливается на соответственном делении шкалы.

Как следует, напряжение на конденсаторе, также и ток в цепи инсталлируются в течение относительно длительного промежутка времени (инерционностью самого измерительного прибора в этом случае можно пренебречь).

Что все-таки препятствует моментальному установлению стационарного режима в цепях рис. 1,б, в и служит предпосылкой появления переходного процесса?

Предпосылкой этому являются элементы электронных цепей, способные припасать энергию (так именуемые реактивные элементы): катушка индуктивности (рис. 1,б) и конденсатор (рис. 1,в).

Появление переходных процессов связано с особенностями конфигурации припасов энергии в реактивных элементах цепи. Количество энергии, накапливаемой в магнитном поле катушки с индуктивностью L, в какой протекает ток i_L, выражается формулой: W_L = 1/2 (Li_L²)

Энергия, накапливаемая в электронном поле конденсатора емкостью С, заряженного до напряжения u_C, равна: W_C = 1/2 (Cu_C²)

Так как припас магнитной энергии W_L определяется током в катушке i_L, а электронной энергии W_C — напряжением на конденсаторе u_C, то во всех электронных цепях три всех коммутациях соблюдаются два главных положения: ток катушки и напряжение на конденсаторе не могут изменяться скачком. Время от времени эти положения формулируются по другому, а конкретно: потокосцепление катушки и заряд конденсатора могут изменяться только плавненько, без скачков.

На физическом уровне переходные режимы представляют собой процессы перехода энергетического состояния цепи от докоммутационного к послекоммутационному режиму. Каждому стационарному состоянию цепи, имеющей реактивные элементы, соответствует определенный припас энергии электронного и магнитного полей. Переход к новенькому стационарному режиму связан с нарастанием либо убыванием энергии этих полей и сопровождается появлением переходного процесса, который завершается, как прекращается изменение припаса энергии. Если при при коммутации энергетическое состояние цепи не меняется, то переходные процессы не появляются.

Переходные процессы наблюдаются при коммутациях, когда меняется стационарный режим электронной цепи, имеющей элементы, способные припасать энергию. Переходные процессы появляются при последующих операциях:

а) включении и выключении цепи,

б) маленьком замыкании отдельных веток либо частей цепи,

в) выключении либо подключении веток либо частей цепи и т. д.

Не считая того, переходные процессы появляются при воздействии на электронные цепи импульсных сигналов.

Школа для электрика