background image

Ćwiczenie 7

Temat:

STANY NIEUSTALONE W OBWODACH RL I RC 

PRZY WYMUSZENIU STAŁYM

I.

ZAGADNIENIA

1.

Doświadczalna   obserwacja   czasowych   przebiegów   przejściowych   przy 
załączaniu i wyłączaniu napięcia stałego w obwodach RL, RC

2.

Porównanie obserwowanych przebiegów z przebiegami otrzymanymi za 
pomocą obliczeń analitycznych.

II.

WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

Stanem   nieustalonym   w   obwodzie   nazywa   się   stan   pośredni,   jaki   występuje 
między dwoma kolejnymi stanami ustalonymi. Stan nieustalony może powstać 
pod wpływem zmiany konfiguracji obwodu, zmiany parametrów wchodzących 
w jego skład, bądź zmiany wielkości wymuszających. Stany nieustalone można 
opisać za pomocą równań różniczkowych lub różniczkowo-całkowych. Aby w 
sposób jednoznaczny określić rozwiązanie takiego układu równań, konieczna 
jest znajomość warunków początkowych. Przez warunki początkowe rozumie 
się   wartości   zmiennych   w   stanie   początkowym,   czyli   w   chwili,   w   której 
rozpoczyna się badanie zjawisk w danym obwodzie. Warunki początkowe mogą 
być zerowe, jeżeli w chwili t=0 obwód jest w stanie bezenergetycznym (napięcia 
i   prądy   mają   wartość   zero).   W   przeciwnym   razie   warunki   początkowe   są 
niezerowe.
Zmiany zachodzące w obwodzie w określonej chwili i powodujące powstanie 
stanów   nieustalonych   (np.   zamykanie   i   otwieranie   łącznika)   nazywamy 
komutacją.   Cewka   L   i   kondensator   C   są   elementami   zachowawczymi   w 
obwodzie   i  z   nimi   związane   są   tzw.   Prawa  komutacji,   wynikające   z   zasady 
zachowania energii. Energia pola magnetycznego cewki i pola elektrycznego 
kondensatora   nie   może   zmieniać   się   skokowo.   Zasada   ciągłości   w   chwili 
komutacji   strumienia   Ψ   skojarzonego   z   cewką   o   indukcyjności   L   jest 
równoznaczna z zasadą ciągłości napięcia na jego zaciskach. Powyższe zasady 
ciągłości   strumienia   i   prądu   w   cewce   oraz   ładunku   i   napięcia   kondensatora 
nazywane są prawami komutacji. Prawa te można zapisać

a) gałąź z cewką:

( ) ( ) ( ) ( )

+

+

=

Ψ

=

Ψ

0

0

0

0

L

L

i

i

b)

gałąź z kondensatorem:

( ) ( )

( )

( )

+

+

=

=

0

0

0

0

C

C

u

u

q

q

background image

W   przeprowadzanym   ćwiczeniu   prawdziwe   jest   założenie   (dla   wszystkich 
układów),   że   przed   przełączeniem   przełącznika   w   układzie   panował   stan 
ustalony.

1.

Stan nieustalony w obwodzie RL przy wymuszeniu stałym

L

R

e

P

1

2

t=0

0

E

L

u

i

W   chwili   t=0   doprowadzono   napięcie   stałe   E

0

  do   gałęzi   RL   (pozycja   1 

przełącznika P

e

)

Warunki początkowe zakładamy zerowe

( ) ( )

0

0

0

=

=

+

L

L

i

i





=

t

L

R

e

R

E

i

1

0





=

=

t

L

R

R

e

E

Ri

u

1

0

t

L

R

L

e

E

dt

di

L

u

=

=

0

W chwili t=0 dokonano operacji łączeniowej, tj. zmiany położenia przełącznika 
P

e

 z pozycji 1 na 2. Gałąź RL zostaje zwarta.

Warunki początkowe w obwodzie są niezerowe

( ) ( )

R

E

i

i

L

L

0

0

0

=

=

+

t

L

R

e

R

E

i

=

0

t

L

R

R

e

E

Ri

u

=

=

0





=

=

t

L

R

L

e

E

dt

di

L

u

1

0

τ

=

R

L

  (stała czasowa)

background image

t

0

E

0

0

E

R

u

L

u

t

0

E

0

L

u

R

u

τ

t

0

E

R

0

i

τ

t

0

u

E

i

R

=

0

i

Gałąź   RL   przy   załączaniu   napięcia 
stałego

Gałąź RL przy zwarciu

Czasowe przebiegi dla obu powyższych przypadków (przełącznik odpowiednio 
w pozycjach 1 i 2) przedstawiono na rysunku:

t

( )

R

u t

II

I

I

II

II

I

poz.1

poz.2

0

E

u

background image

2.

Stan nieustalony w obwodzie RC przy wymuszeniu stałym

C

R

1

2

0

U

c

u

i

e

P

Jeżeli   do   obwodu   złożonego   z   szeregowego   połączenia   kondensatora   C   i 
rezystancji R przyłożymy napięcie stałe U

0

, to korzystając z bilansu napięć w 

oczku, otrzymujemy równanie:

C

u

Ri

U

+

=

0

;    

(

)

dt

du

C

dt

Cu

d

dt

dq

i

C

C

=

=

=

0

U

u

dt

du

RC

C

C

=

+

Cp

Cu

C

u

u

u

+

=

,       

t

Cp

Ae

u

α

=

T

RC

1

1

=

=

α

, czyli 

RC

T

=

0

U

u

Cu

=

T

t

C

Ae

U

u

+

=

0

W celu wyznaczenia stałej A korzystamy z warunków początkowych dla t=0,

0

=

C

u

:

A

U

+

=

0

0

, stąd 

0

U

A

=

Ostatecznie:





=

T

t

C

e

U

u

1

0

Prąd ładowania kondensatora

T

t

C

e

R

U

dt

du

C

i

=

=

0

Przebieg napięcia na kondensatorze oraz przebieg prądu ładowania przedstawia 
rysunek: 

t

0

U

0

0

U

R

c

u

i

c

u

i

T

background image

Przy rozładowaniu kondensatora przez rezystancję R korzystamy z tych samych 
równań ogólnych, z tym, że zwarciu kondensatora odpowiada napięcie U

0

=0.

Obwód,   w   którym   kondensator   się   rozładowuje   nie   zawiera   napięcia 
źródłowego, wobec czego w obwodzie w stanie ustalonym nie może płynąć prąd 
ani istnieć napięcie na kondensatorze. Stan nieustalony w obwodzie jest więc 
równy stanowi przejściowemu:

RC

t

cp

C

e

U

u

u

=

=

0

RC

t

p

e

R

U

i

i

=

=

0

Znak   minus   oznacza,   że   przy   rozładowaniu   kondensatora   zwrot   prądu   jest 
przeciwny   niż   przy   ładowaniu.   Przebieg   napięcia   podczas   rozładowania 
kondensatora oraz przebieg prądu przedstawia rysunek:

t

0

U

0

0

U

R

c

u

i

c

u

i

T

Energia   pola   elektrycznego   kondensatora   przy   rozładowaniu   zamienia   się   w 
ciepło  wydzielone  na   rezystancji   R   przez   przepływający   prąd   i.  Wartość   tej 
energii A można wyliczyć ze wzoru:

2

0

0

2

2

0

0

2

2

1

CU

dt

e

R

U

Rdt

i

A

T

t

=

=

=

Taka   sama   ilość   energii   wydziela   się   na   rezystancji   R   przy   ładowaniu 
kondensatora, a więc całkowita energia pobrana ze źródła wyniesie:

2

0

CU

A

=

background image

III.

Przebieg ćwiczenia

1.

Obserwacja   oraz   zapis   przebiegów   napięć   przy 

załączaniu i odłączaniu napięcia stałego w układzie RL

a) 

Schemat połączeń

GFP

R

L

Do oscyloskopu

b)

Przebieg pomiarów

Sygnał z generatora fali prostokątnej (GFP):

u

U

0

t

1

t

2

t

3

t

4

t

5

t

Połączyć układ według schematu. Podłączyć oscyloskop w odpowiednie punkty 
układu (jak na schemacie), tak aby można było obserwować przebieg napięcia 
u

R

(t). Obserwacje prowadzić dla różnych wartości rezystora R (0; 100; 200; 300 

Ω).   Dobrać   odpowiednio   zakres   obserwowanych   napięć   i   zapisać   wybrane 
przebiegi.
c)

Obliczenia

i.

Zaznaczyć   na   otrzymanych   przebiegach   podziałkę   czasową   i 
amplitudową.

ii.

Wyprowadzić,   stosując   metodę   klasyczną,   postać   czasową   napięcia 
(u

R

(t) oraz i(t)) wskazanego przez prowadzącego zajęcia. Podstawić 

wartości liczbowe i narysować przebieg wybranego napięcia i prądu.

iii.

Obliczyć   stałą   czasową   układu   dla   różnych   wartości   rezystora   R   i 
cewki L.

iv.

Wyznaczyć   graficznie   z   przebiegów   stałe   czasowe   rzeczywistych 
układów i porównać je z wyznaczonymi teoretycznie.

background image

2.

Obserwacja   oraz   zapis   przebiegów   napięć   przy 

załączaniu i załączaniu napięcia stałego w układzie RC
a)

Schemat połączeń

GFP

R

Do oscyloskopu

Do 

oscyloskopu

b)

Przebieg pomiarów

Połączyć układ według schematu. Podłączać oscyloskop w odpowiednie punkty 
układu (jak na schemacie), tak aby można było obserwować przebiegi napięć 
u

R

(t) oraz u

C

(t). Obserwacje prowadzić dla różnych wartości rezystancji R (0; 

100;   200;   300   Ω)   i   C   (10;   20;   30   μF).   Dobrać   odpowiednio   zakres 
obserwowanych napięć i narysować wybrane przebiegi.
c)

Obliczenia

i. Zaznaczyć   na   otrzymanych   przebiegach   podziałkę   czasową   i 

amplitudową.

ii.

Wyprowadzić, stosując metodę klasyczną, postać czasową napięcia (u

R

(t), 

u

C

(t)   oraz   i(t))   wskazanego   przez   prowadzącego   zajęcia.   Podstawić 

wartości liczbowe i narysować przebieg wybranego napięcia i prądu.

iii. Obliczyć   stałą   czasową   układu   dla   różnych   wartości   rezystora   R   i 

kondensatora C.

iv. Wyznaczyć   graficznie   z   przebiegów   stałe   czasowe   rzeczywistych 

układów i porównać je z wyznaczonymi teoretycznie.