Processus transitoires dans le circuit électrique
Les processus transitoires ne sont pas inhabituels et ne caractérisent pas seulement les circuits électriques. Un certain nombre d'exemples peuvent être cités dans divers domaines de la physique et de la technologie où de tels phénomènes se produisent.
Par exemple, de l'eau chaude versée dans un récipient se refroidit progressivement et sa température passe d'une valeur initiale à une valeur d'équilibre égale à la température ambiante. Un pendule amené d'un état de repos effectue des oscillations d'amortissement et revient finalement à son état stationnaire stationnaire d'origine. Lorsqu'un appareil de mesure électrique est branché, son aiguille, avant de s'arrêter à l'échelon correspondant, effectue plusieurs oscillations autour de ce point de l'échelle.
Régime stationnaire et transitoire du circuit électrique
Lors de l'analyse des processus de circuits électriques vous devriez rencontrer deux modes de fonctionnement : établi (stationnaire) et transitoire.
Le mode stationnaire d'un circuit électrique connecté à une source de tension constante (courant) est un mode dans lequel les courants et les tensions dans les différentes branches du circuit sont constants dans le temps.
Dans un circuit électrique connecté à une source de courant alternatif, l'état stationnaire se caractérise par la répétition périodique des valeurs instantanées des courants et des tensions dans les branches... Dans tous les cas de fonctionnement des circuits en modes stationnaires, qui théoriquement peuvent continuer indéfiniment, on suppose que les paramètres du signal actif (tension ou courant), ainsi que la structure du circuit et les paramètres de ses éléments, ne changent pas.
Les courants et les tensions en mode stationnaire dépendent du type d'influence extérieure et des paramètres de la cible électrique.
Un mode transitoire (ou un processus transitoire) est appelé un mode qui se produit dans un circuit électrique lors de la transition d'un état stationnaire à un autre, qui est quelque peu différent du précédent, et les tensions et courants accompagnant ce mode - tensions transitoires et courants... Un changement dans l'état stable d'un circuit peut se produire à la suite de changements de signaux externes, y compris l'activation ou la désactivation d'une source d'influence externe, ou il peut être causé par une commutation dans le circuit lui-même.
Commutation d'un circuit électrique - processus de commutation des connexions électriques des éléments du circuit électrique, déconnexion d'un dispositif à semi-conducteur (GOST 18311-80).
Dans la plupart des cas, il est théoriquement permis de supposer que la commutation a lieu instantanément, c'est-à-dire divers commutateurs dans le circuit sont effectués sans prendre beaucoup de temps. Le processus de commutation dans les diagrammes est généralement indiqué par une flèche près du commutateur.
Les processus transitoires dans les circuits réels sont rapides... Leur durée est de dixièmes, centièmes et souvent millionièmes de seconde. Assez rarement, la durée de ces processus atteint quelques secondes.
Naturellement, la question se pose de savoir s'il est généralement nécessaire de prendre en compte des régimes transitoires d'aussi courte durée. La réponse ne peut être donnée que pour chaque cas particulier, car dans des conditions différentes leur rôle n'est pas le même. Leur importance est particulièrement grande dans les dispositifs destinés à l'amplification, la formation et la conversion de signaux impulsionnels, lorsque la durée des signaux agissant sur le circuit électrique est proportionnée à la durée des modes transitoires.
Les transitoires provoquent une distorsion de la forme des impulsions lorsqu'elles traversent des circuits linéaires. Le calcul et l'analyse des dispositifs d'automatisme, où il y a un changement continu de l'état des circuits électriques, est impensable sans prendre en compte les modes transitoires.
Dans un certain nombre d'appareils, l'apparition de processus transitoires est généralement indésirable et dangereuse.Le calcul des modes transitoires dans ces cas permet de déterminer d'éventuelles surtensions et augmentations de courant, qui peuvent être plusieurs fois supérieures aux tensions et courants du système stationnaire. mode. Ceci est particulièrement important pour les circuits avec une inductance importante ou une capacité élevée.
Les raisons du processus de transition
Considérons les phénomènes qui se produisent dans les circuits électriques lors du passage d'un mode stationnaire à un autre.
Nous incluons la lampe à incandescence dans un circuit série contenant une résistance R1, un interrupteur B et une source de tension constante E.Une fois l'interrupteur fermé, la lampe s'allumera immédiatement, car le chauffage du filament et l'augmentation de la luminosité de sa lueur sont invisibles à l'œil. Conditionnellement, on peut supposer que dans un tel circuit le courant stationnaire est égal à Azo =E / (R1 + Rl), il est installé presque immédiatement, où Rl - résistance active du filament de la lampe.
Dans les circuits linéaires constitués de sources d'énergie et de résistances, les transitoires associés à une modification de l'énergie stockée ne se produisent pas du tout.
Riz. 1. Schémas pour illustrer les processus transitoires : a — circuit sans éléments réactifs, b — circuit avec une inductance, c — circuit avec un condensateur.
Remplacez la résistance par une bobine en L dont l'inductance est suffisamment grande. Après avoir fermé l'interrupteur, vous pouvez remarquer que l'augmentation de la luminosité de la lueur de la lampe est progressive. Cela montre qu'en raison de la présence d'une bobine, le courant dans le circuit atteint progressivement sa valeur de régime permanent. I'about =E / (rDa se + Rl), où rk - résistance active de l'enroulement de la bobine.
La prochaine expérience sera réalisée avec un circuit composé d'une source de tension constante, de résistances et d'un condensateur, en parallèle avec lequel nous connectons un voltmètre (Fig. 1, c). Si la capacité du condensateur est suffisamment grande (plusieurs dizaines de microfarads) et la résistance de chacune des résistances R1 et R2 plusieurs centaines de kilo-ohms, alors après la fermeture de l'interrupteur, l'aiguille du voltmètre commence à dévier doucement et seulement après quelques secondes, il est réglé sur la division appropriée de l'échelle.
Par conséquent, la tension dans le condensateur, ainsi que le courant dans le circuit, sont établis pendant une période de temps relativement longue (l'inertie de l'appareil de mesure lui-même peut dans ce cas être négligée).
Ce qui empêche l'établissement instantané d'un mode stationnaire dans les circuits de la fig. 1, b, c et la raison du processus de transition ?
La raison en est les éléments des circuits électriques capables de stocker de l'énergie (les éléments dits réactifs): inducteur (Fig. 1, b) et condensateur (Fig. 1, c).
L'énergie accumulée dans le champ électrique d'un condensateur de capacité C chargé à une tension ti° C est égale à : W° C = 1/2 (Cu° C2)
Étant donné que l'apport d'énergie magnétique WL est déterminé par le courant dans la bobine iL et l'énergie électrique W° C - tension dans le condensateur ti° C, puis dans tous les circuits électriques, trois commutations quelconques, deux dispositions de base sont observées : le courant de bobine et la tension du condensateur ils ne peuvent pas changer brusquement... Parfois, ces réglementations sont formulées différemment, à savoir : la relation entre le flux de la bobine et la charge du condensateur ne peut changer que de manière douce, sans sauts.
Physiquement, les modes de transition sont des processus de transition de l'état énergétique du circuit du mode pré-commutation au mode post-commutation. Chaque état stationnaire d'un circuit à éléments réactifs correspond à une certaine quantité d'énergie des champs électriques et magnétiques.Le passage à un nouveau régime stationnaire est associé à une augmentation ou une diminution de l'énergie de ces champs et s'accompagne de l'apparition d'un processus transitoire qui s'arrête dès que le changement d'apport d'énergie s'arrête. Si pendant la commutation l'état énergétique du circuit ne change pas, aucun transitoire ne se produit.
a) allumer et éteindre le circuit,
b) court-circuit branches ou éléments individuels de la chaîne,
c) déconnexion ou connexion de dérivations ou d'éléments de circuit, etc.
De plus, des transitoires se produisent lorsque des signaux impulsionnels sont appliqués à des circuits électriques.