Stała czasowa obwodu elektrycznego — czym jest i gdzie jest używana

Procesy okresowe są wpisane w przyrodę: po dniu następuje noc, pora ciepła zostaje zastąpiona zimnem itp. Okres tych zdarzeń jest prawie stały i dlatego można go ściśle określić. Co więcej, mamy prawo twierdzić, że przytoczone jako przykład okresowe procesy naturalne nie deprecjonują, przynajmniej jeśli chodzi o długość życia człowieka.

Jednak w technice, zwłaszcza w elektrotechnice i elektronice, nie wszystkie procesy są okresowe i ciągłe. Zwykle niektóre procesy elektromagnetyczne najpierw rosną, a następnie maleją. Często materia ogranicza się tylko do fazy początku oscylacji, która nie ma czasu, aby naprawdę nabrać prędkości.

Dość często w elektrotechnice można spotkać tak zwane wykładnicze stany nieustalone, których istotą jest to, że układ po prostu dąży do osiągnięcia pewnego stanu równowagi, który ostatecznie wygląda jak stan spoczynku. Takie przejście może być rosnące lub malejące.

Siła zewnętrzna najpierw wyprowadza układ dynamiczny z równowagi, a następnie nie zapobiega naturalnemu powrotowi tego układu do stanu pierwotnego. Ta ostatnia faza to tak zwany proces przejściowy, który charakteryzuje się określonym czasem trwania. Ponadto proces niezrównoważenia systemu jest również procesem przejściowym o charakterystycznym czasie trwania.

Tak czy inaczej stałą czasową procesu przejściowego nazywamy jego charakterystyką czasową, która określa czas, po którym określony parametr tego procesu zmieni się razy „e”, to znaczy zwiększy się lub zmniejszy o około 2,718 razy w porównaniu ze stanem początkowym.

Rozważmy na przykład obwód elektryczny składający się ze źródła napięcia stałego, kondensatora i rezystora. Ten typ obwodu, w którym rezystor jest połączony szeregowo z kondensatorem, nazywany jest obwodem całkującym RC.

Jeśli w początkowym momencie zasilania takiego obwodu, to znaczy ustawić stałe napięcie Uin na wejściu, to Uout — napięcie w kondensatorze zacznie rosnąć wykładniczo.

Po czasie t1 napięcie kondensatora osiągnie 63,2% napięcia wejściowego. Tak więc przedział czasu od chwili początkowej do t1 jest stałą czasową tego obwodu RC.

Ta stała łańcuchowa nazywana jest „tau”, mierzona w sekundach i oznaczona odpowiednią literą grecką. Liczbowo, dla obwodu RC jest on równy R * C, gdzie R jest w omach, a C w faradach.

Układy całkujące RC są stosowane w elektronice jako filtry dolnoprzepustowe, gdy wyższe częstotliwości muszą zostać odcięte (tłumione), a niższe częstotliwości muszą zostać przepuszczone.

W praktyce mechanizm takiej filtracji opiera się na następującej zasadzie. W przypadku prądu przemiennego kondensator działa jak rezystancja pojemnościowa, której wartość jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości, to znaczy im wyższa częstotliwość, tym niższa będzie reaktancja kondensatora w omach.

Dlatego, jeśli prąd przemienny przepływa przez obwód RC, to podobnie jak na ramieniu dzielnika napięcia, na kondensatorze spadnie określone napięcie, proporcjonalne do jego pojemności przy częstotliwości przepływającego prądu.

Jeżeli znana jest częstotliwość odcięcia i amplituda wejściowego sygnału przemiennego, to konstruktor nie będzie miał trudności z doborem takiego kondensatora i rezystora w obwodzie RC, aby minimalne (odcinające) napięcie (dla częstotliwość odcięcia — górna granica częstotliwości) spada na kondensator, ponieważ reaktancja wchodzi do dzielnika wraz z rezystorem.

Rozważmy teraz tak zwany obwód różniczkowy. Jest to obwód składający się z rezystora i cewki indukcyjnej połączonych szeregowo, obwód RL. Jego stała czasowa jest liczbowo równa L / R, gdzie L to indukcyjność cewki w henrach, a R to rezystancja rezystora w omach.

Jeśli do takiego obwodu zostanie przyłożone stałe napięcie ze źródła, to po pewnym czasie tau napięcie cewki spadnie w stosunku do U w o 63,2%, czyli całkowicie zgodnie z wartością stałej czasowej dla tego obwodu elektrycznego .

W obwodach prądu przemiennego (sygnały przemienne) obwody LR są używane jako filtry górnoprzepustowe, gdy niskie częstotliwości muszą zostać odcięte (tłumione), a częstotliwości powyżej (powyżej częstotliwości odcięcia — dolna granica częstotliwości) — są pomijane.Im wyższa indukcyjność cewki, tym wyższa częstotliwość.

Podobnie jak w przypadku omówionego powyżej obwodu RC, tutaj zastosowano zasadę dzielnika napięcia. Prąd o wyższej częstotliwości przepływający przez obwód RL spowoduje większy spadek napięcia na indukcyjności L, podobnie jak w przypadku rezystancji indukcyjnej, która jest częścią dzielnika napięcia wraz z rezystorem. Zadaniem projektanta jest dobranie takich R i L, aby minimalne (graniczne) napięcie cewki zostało uzyskane dokładnie przy częstotliwości granicznej.