background image

Stany nieustalone 

 

STANY NIEUSTALONE 

Poj cie stanu ustalonego i nieustalonego 

Stan  nieustalony  wyst puje  w  dwóch  przypadkach:  w  sytuacji,  gdy  obwód  został 

doł czony do  ródła zasilania oraz, gdy zmienia si  jego struktura, przy czym dotyczy to 
zarówno obwodów pr du stałego, jak i zmiennego. 

Warunki pocz tkowe. Prawa komutacji 

Pierwsze prawo komutacji. 

Pr d  w  obwodzie  z  indukcyjno ci   nie  mo e  zmienia   si   skokowo  i  w  chwili  tu  

przed komutacj  ma tak  sam  warto , jak w chwili tu  po komutacji.  

Ze  wzgl du  na  wyst puj cy  w  cewce  strumie   magnetyczny  skojarzony  zasada 

niezmienno ci  pr du  w  chwili  komutacji  jest  równowa na  zasadzie  niezmienno ci 
strumienia  magnetycznego  skojarzonego  z  cewk ,  st d  nazywana  jest  czasami  zasad  
ci gło ci pr du i strumienia magnetycznego w cewce. 

Drugie prawo komutacji  

Napi cie  na  kondensatorze  nie  mo e  si   zmieni   skokowo  i  w  chwili  tu   przed 

komutacj  posiada tak  sam  warto  jak w chwili tu  po komutacji.  

background image

Stany nieustalone 

 

Stan nieustalony w dwójniku szeregowym RL  

Wł czenie napi cia stałego 

Do  szeregowego  układu  RL  doł czono  ródło  napi cia  stałego  o  warto ci  U.  W 

chwili t = 0 zamkni to wył cznik powoduj c,  e w obwodzie płynie pr d.  

 

Układ szeregowy RL wł czony do  ródła napi cia stałego 

Ze  wzgl du  na  wyst puj cy  po  zamkni ciu  wył cznika  stan  nieustalony,  warto  

pr du narasta od zera do warto ci ustalonej danej wzorem (nale y pami ta , i  napi cie na 
indukcyjno ci w stanie ustalonym wynosi zero): 

 

R

U

i

=

 

(1) 

Wyznaczenie  przebiegu  zmienno ci  pr du  i  napi cia  w  stanie  nieustalonym  jest 

bardziej skomplikowane. W my l drugiego prawa Kirchhoffa bilans w oczku b dzie miał 
nast puj c  posta : 

 

dt

di

L

Ri

U

+

=

 

(2) 

Pierwszy  składnik  prawej  strony  równania  opisuje  napi cie  na  rezystancji,  drugi 

napi cie indukcji własnej indukowane przez przepływaj cy przez cewk  pr d zmienny i. 

W  celu  okre lenia  warto ci  pr du  konieczne  jest  rozdzielenie  zmiennych 

wyst puj cych w nim: 

 

dt

L

R

R

U

i

di

=

 

(3) 

Po scałkowaniu obustronnym równanie przybiera nast puj c  posta : 

background image

Stany nieustalone 

 

 

A

t

L

R

R

U

i

ln

+

=

 

(4) 

Przekształcaj c: 

 

t

L

R

Ae

R

U

i

=

 

(5) 

Przy czym w powy szym równaniu A jest stał  całkowania, która b dzie wyznaczona 

poni ej z warunku pocz tkowego (dla chwili pocz tkowej zgodnie z prawami komutacji 
pr d nie zmieni skokowo swojej warto ci): 

 

dla t = 0       pr d i = 0 

(6) 

Podstawiaj c  powy sze  warto ci  do  zale no ci  (5)  i  wykonaniu  przekształce   pr d 

b dzie dany nast puj cym równaniem: 

 

=

− t

L

R

e

1

R

U

i

 

(7) 

We wzorze wyst puj  dwie składowe: składowa ustalona (pierwsza) oraz składowa 

przej ciowa (druga). Pr d wypadkowy i jest sum  składowej ustalonej iu oraz składowej 
przej ciowej ip: 

 

e

przejsciow

ustalone

i

i

i

+

=

 

(8) 

Przebiegi czasowe obu wielko ci przedstawia poni szy rysunek: 

 

Przebiegi czasowe pr dów w układzie szeregowym RL z rysunku 

background image

Stany nieustalone 

 

Napi cie na rezystancji: 

 

t

L

R

R

Ue

U

Ri

u

=

=

 

(9) 

Napi cie na indukcyjno ci: 

 

t

L

R

L

Ue

dt

di

L

u

=

=

 

(10) 

Poni szy rysunek przedstawia przebiegi napi  w układzie: 

 

Przebiegi czasowe napi  w układzie szeregowym RL wł czonym na napi cie 

stałe. 

Stała czasowa 

Jak  wynika  z  analizy  powy szego  wzoru  (7)  na  warto   pr du  przepływaj cego  w 

układzie,  mo liwe  jest  wpływanie  na  szybko   zaniku  składowej  przej ciowej  poprzez 
zmian   warto ci  rezystancji  i  indukcyjno ci.  Aby  scharakteryzowa   szybko   zmian 
zachodz cych w układzie wprowadzono wielko  fizyczn  nosz c  nazw  stałej czasowej 
układu. 

Stała  czasowa  układu 

τ  jest  to  czas,  po  upływie  którego  warto   bezwzgl dna 

składowej przej ciowej maleje e razy.  

W przypadku tego układu dana jest ona wzorem: 

 

R

L

=

τ

 

(11) 

Wielko  ta mierzona jest w sekundach.  
Podstawiaj c stał  czasow  do wyznaczonej wy ej warto ci pr du mo na zapisa : 

 

=

τ

t

e

1

R

U

i

 

(12) 

background image

Stany nieustalone 

 

Stał   czasow   danego  układu  mo na  zdefiniowa   równie   w  oparciu  o  konstrukcj  

graficzn , przedstawion  na poni szym rysunku: 

 

Wyznaczanie stałej czasowej układu w sposób graficzny 

Styczna  poprowadzona  na  wykresie  pr du  do  krzywej  w  chwili  czasowej  t = 0 

przecina asymptot  pr du po czasie 

τ, ponadto dzieje si  tak bez wzgl du na to, w którym 

punkcie  krzywej  styczna  b dzie  prowadzona.  Na  tej  podstawie  mo na  sformułowa   
nast puj c  definicj :  

Stała czasowa 

τ jest to czas, po upływie którego pr d nieustalony osi gn łby warto  

ustalon , gdyby narastanie miało charakter liniowy, czyli przy stałej pr dko ci narastania 
pr du i równa pr dko ci narastania w chwili zerowej.  

Z  reguły  po  okresie  czasu  wynosz cym  cztery  do  pi ciu  stałych  czasowych  pr d 

praktycznie  osi ga  warto   ustalon .  Warto   pr du  mo na  wyznaczy   w  oparciu  o 
zale no   (12).  Dla  czasu  t = 

τ,  i = 0,632iu;  dla  t = 2τ,  i = 0,864iu;  t = 3τ,    i = 0,95iu; 

t = 4

τ,  i = 0,981iu; t = 5τ,  i = 0,993iu. 

Jak wynika z powy szych rozwa a  czas trwania stanu nieustalonego zale y od stałej 

czasowej  układu,  a  tym  samym  warto ci  parametrów  obwodu.  Przykładowy  przebieg 
narastania pr du w układach o ró nych stałych czasowych przedstawiono poni ej: 

background image

Stany nieustalone 

 

 

Zwi zek pomi dzy stał  czasow  układu, a przebiegiem pr du w stanie 

nieustalonym. 

Zwarcie przy niezerowym warunku pocz tkowym 

Analogiczny  dwójnik  RL  wł czony  jest  do  ródła  napi cia  stałego.  W  układzie 

panuje ju  stan ustalony i przez obwód przepływa pr d stały o nat eniu: 

 

R

U

i

=

 

(13) 

 

Zwarcie dwójnika szeregowego RL przy niezerowym warunku pocz tkowym 

W  chwili  t = 0  wył cznik  odł cza  dwójnik  od  zasilania,  przy  czym  jednocze nie 

zwiera jego zaciski. Zgodnie z pierwszym prawem komutacji, tu  po przeł czeniu pr d w 
obwodzie posiada warto  równ  warto ci z chwili poprzedzaj cej t  zmian . W zwartym 
obwodzie równie  musi by  spełnione drugie prawo Kirchhoffa, wi c w chwili komutacji 

na elemencie indukcyjnym powstaje napi cie 

dt

di

L

u

L

=

przeciwnie skierowane do napi cia 

na rezystancji R. W tej sytuacji bilans napi  wygl da nast puj co: 

 

dt

di

L

Ri

0

+

=

 

(14) 

Z równania tego po odpowiednich przekształceniach oraz scałkowaniu i wyznaczeniu 

warto ci stałej całkowania otrzymuje si  wyra enie opisuj ce przebieg pr du: 

background image

Stany nieustalone 

 

 

t

L

R

e

R

U

i

=

 

(15) 

Uwzgl dniaj c stał  czasow  układu: 

 

τ

=

t

e

R

U

i

 

(16) 

Przebieg zmienno ci pr du przedstawia rysunek: 

 

Przebieg czasowy pr du w dwójniku szeregowym podczas zwarcia. 

Napi cie na rezystancji zmienia si  według wzoru: 

 

τ

=

=

t

R

Ue

Ri

u

 

(17) 

za  na indukcyjno ci: 

 

τ

=

=

t

L

Ue

dt

di

L

u

 

(18) 

Warto ci obu napi  pokazano na rysunku: 

 

Przebiegi czasowe napi cia w dwójniku szeregowym RL podczas zwarcia 

background image

Stany nieustalone 

 

Stan nieustalony w dwójniku szeregowym RC 

Wł czenie napi cia stałego 

Do dwójnika szeregowego RC przedstawionego na poni szym schemacie doł czono 

ródło napi cia stałego U.  

 

Dwójnik szeregowy RC wł czony na napi cie stałe 

W chwili czasu t = 0 zamkni to obwód przy u yciu wył cznika, zakładamy przy tym, 

e układ był w chwili pocz tkowej w stanie zerowym. Po zamkni ciu wył cznika wyst pi 

stan  nieustalony,  w  którym  zarówno  pr d,  jak  i  napi cia  na  poszczególnych  elementach 
b d   zmienne  w  czasie.  Warto ci  tych  wielko ci  zostan   wyznaczone  poni ej.  Napi cie 
kondensatora  zmienia  si   od  zera  do  warto ci  ustalonej  uCu,  równej  napi ciu 
przyło onemu, co zachodzi w procesie ładowania ze  ródła napi cia stałego przez rezystor 
R. Z drugiego prawa Kirchhoffa otrzymuje si  nast puj ce równanie: 

 

C

U

Ri

U

+

=

 

(19) 

przy czym i okre lane jest mianem pr du ładowania kondensatora: 

 

dt

du

C

dt

dq

i

C

=

=

 

(20) 

Podstawiaj c warto  pr du do równania: 

 

C

C

U

dt

du

RC

U

+

=

 

(21) 

Po  rozdzieleniu  zmiennych  i  scałkowaniu  wzór  okre laj cy  napi cie  na 

kondensatorze: 

 

=

t

RC

1

C

e

1

U

u

 

(22) 

W przypadku układu RC stała czasowa wyra ona jest nieco innym wzorem: 

background image

Stany nieustalone 

 

10 

 

RC

=

τ

 

(23) 

Po jej uwzgl dnieniu we wzorze na napi cie kondensatora: 

 

=

τ

− t

C

e

1

U

u

 

(24) 

Napi cie  to  posiada  dwie  składowe:  składow   ustalon   (pierwsza)  oraz  składow  

przej ciow . Napi cie wypadkowe jest ich sum . Znajduj cy si  ni ej rysunek przedstawia 
przebiegi czasowe obu napi : 

 

Przebiegi czasowe napi  na poszczególnych elementach dwójnika 

Pr d ładowania: 

 

τ

=

=

t

C

e

R

U

dt

du

C

i

 

(25) 

 

Przebieg pr du w dwójniku szeregowym RC wł czonym na napi cie stałe. 

Napi cie na rezystancji: 

 

τ

τ

=

=

=

t

t

R

Ue

e

R

U

Ri

u

 

(26) 

Przedstawia go poni szy przebieg: 

background image

Stany nieustalone 

 

11 

 

Przebieg czasowy napi cia na rezystancji 

Jak  wynika  ze  wzoru  okre laj cego  stał   czasow   dla  układu  szeregowego  RC 

przebieg ładowania zale y od pojemno ci kondensatora i warto ci rezystancji wł czonej w 
obwód. Zale no  ta jest wprost proporcjonalna, im wi ksze R i C tym wolniej przebiega 
ładowanie.  

Zwarcie przy warunku pocz tkowym niezerowym 

Ten sam dwójnik wł czony jest do  ródła napi cia stałego, przy czym panuje w nim 

stan  ustalony.  Pr d  w  obwodzie  nie  płynie,  gdy   kondensator  stanowi  przerw   w 
obwodzie,  natomiast napi cie na nim równe jest napi ciu  ródła. 

 

Zwarcie dwójnika szeregowego RC przy niezerowym warunku pocz tkowym 

W  zerowej  chwili  pocz tkowej  (t = 0)  przeł cznik  zostaje  przestawiony  powoduj c 

odł czenie układu od  ródła i zwarcie jego zacisków. Wynikiem tego jest powstanie stanu 
nieustalonego,  a  nagromadzona  w  polu  elektrycznym  kondensatora  energia  ulega 
przemianie  w  ciepło  w  wyniku  przepływu  pr du  przez  rezystor.  Proces  ten  nazywa  si  
wyładowaniem kondensatora przez rezystor. Bilans napi  w obwodzie: 

 

C

C

u

dt

du

RC

0

+

=

 

(27) 

background image

Stany nieustalone 

 

12 

Po odpowiednich przekształceniach i scałkowaniu  uzyskuje si  zale no  opisuj c  

napi cie na kondensatorze w stanie nieustalonym: 

 

t

RC

1

C

Ue

u

=

 

(28) 

Uwzgl dniaj c stał  czasow : 

 

τ

=

t

C

Ue

u

 

(29) 

Z kolei pr d wyładowania kondensatora: 

 

τ

=

=

t

C

e

R

U

dt

du

C

i

 

(30) 

Napi cie na rezystancji: 

 

τ

=

=

t

R

Ue

Ri

u

 

(31) 

Przebiegi czasowe obliczonych wielko ci przedstawia poni szy rysunek: 

                

 

Przebiegi czasowe napi  i pr du w dwójniku szeregowym RC zwartym przy 

niezerowym warunku pocz tkowym 

Stan nieustalony w dwójniku szeregowym RLC 

Dwójnik  szeregowy  RLC  wł czono  do  ródła  napi cia  stałego  U.  W  chwili  t = 0 

obwód został zamkni ty wył cznikiem W. 

 

background image

Stany nieustalone 

 

13 

Dwójnik szeregowy RLC wł czony na napi cie stałe 

Dla obwodu musi by  spełnione drugie prawo Kirchhoffa: 

 

C

L

R

u

u

u

U

+

+

=

 

(32) 

Podstawiaj c zale no ci dla poszczególnych napi : 

 

C

u

dt

di

L

Ri

U

+

+

=

 

(33) 

Po  pewnych  przekształceniach  równanie  sprowadzane  jest  do  równania 

ró niczkowego,  po  rozwi zaniu  którego  mo na  wyznaczy   poszczególne  wielko ci 
wyst puj ce w układzie. 

Układ ten jest obwodem w którym nast puje ładowanie kondensatora przez cewk  i 

rezystancj  oraz jego rozładowanie przez te elementy, gdy dwójnik ma zwarte zaciski. W 
obu  przypadkach  nast puje  przemiana  energii  w  układzie  pomi dzy  jej  ró nymi 
postaciami oraz jej gromadzenie w polu elektrycznym i magnetycznym. W zale no ci od 
warto ci  parametrów  poszczególnych  elementów  w  układzie  wyst puj   oscylacje 
amplitudy pr du i napi cia. 

Je eli  rezystancja 

C

L

2

R

<

wówczas  w  układzie  dominuj ce  znaczenie  maj  

warto ci  parametrów  L  i  C,  a  głównym  zjawiskiem  w  nim  wyst puj cym  jest  wymiana 
energii pomi dzy cewk  i  kondensatorem. Warto  tłumienia wyst puj cych w układzie 
oscylacji zale y od warto ci rezystancji R. 

Pr d w obwodzie: 

 

t

sin

e

L

U

i

0

t

0

ω

ω

=

α

 

(34) 

Napi cie na pojemno ci: 

 

)

t

sin(

e

LC

U

U

u

0

t

0

C

ϕ

+

ω

ω

=

α

 

(35) 

gdzie: 

L

2

R

=

α

- współczynnik tłumienia; 

background image

Stany nieustalone 

 

14 

2

2

0

LC

1

L

2

R

LC

1

α

=

=

ω

-  pulsacja  drga   własnych  (drga   swobodnych); 

α

ω

=

ϕ

0

tg

Wyst puj ce  w  układzie  przebiegi  czasowe  pr du  i  napi cia  przedstawiono  na 

rysunku. 

            

 

Przebiegi czasowe pr du oraz napi cia na kondensatorze w układzie 

szeregowym RLC przy rezystancji R mniejszej od warto ci krytycznej. 

W  sytuacji  przeciwnej,  tzn.  przy  rezystancji 

C

L

2

R

>

  dominuj ce  znaczenie  w 

układzie ma rezystancja, natomiast przebiegi w obwodzie maj  charakter aperiodyczny. 

W obwodzie przepływa pr d o warto ci: 

 

)

e

e

(

L

U

i

t

s

t

s

2

1

β

=

 

(36) 

Napi cie na kondensatorze: 

 

)

e

s

e

s

(

L

U

U

u

t

s

1

t

s

2

C

2

1

β

+

=

 

(37) 

We wzorze tym: 

 

β

±

α

=

±

=

LC

1

L

2

R

L

2

R

s

2

2

,

1

 

(38) 

sk d: 

 

L

2

R

=

α

,    

LC

1

2

α

=

β

 

(39) 

Wyst puj ce w układzie przebiegi czasowe przedstawione s  na rysunku: 

background image

Stany nieustalone 

 

15 

 

Przebiegi czasowe pr du oraz napi cia w dwójniku szeregowym RLC przy 

rezystancji R wi kszej od warto ci krytycznej 

Reasumuj c:  rezystancja  wynosz ca 

C

L

2

R

=

  jest  rezystancj   krytyczn ,  przy 

której zmianie ulega charakter zjawisk  wyst puj cych w obwodzie, poni ej przebiegi s  
okresowe, powy ej nieokresowe.