background image

Laboratorium Elektrotechniki i elektroniki                                                                  LABORATORIUM © AMD2012 

Temat ćwiczenia: 

STANY NIEUSTALONE W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH  

Wprowadzenie 

Przejście  od  jednego  stanu  pracy  układu  elektrycznego  złożonego  z  elementów  R,  L,  C  do  innego  stanu 

pracy, wywołany np. zmianą parametrów układu, jego struktury lub też zmianą rodzaju i charakteru wymuszeń 
nie  odbywa  się  skokowo,  ale  trwa  pewien  przedział  czasu.  Teoretycznie  ten  przedział  czasu  rozciąga  się  od 
momentu początkowego aż do nieskończoności. Stan ten nazywamy stanem nieustalonym. Przejście od jednego 
stanu  pracy  do  drugiego  obejmujemy  wspólną  nazwą  –  komutacja,  przy  czym  zakłada  się,  że  sam  fakt 
komutacji odbywa się w czasie nieskończenie krótkim. Każdemu  stanowi  pracy układu odpowiada określony 
zapas energii pola elektrycznego i pola magnetycznego (w modelach obwodowych indukcyjności i pojemności 
reprezentowany  przez  tzw.  warunki  początkowe,  tj.  prąd  i

0

  w indukcyjności  i  napięcie  u

0

  na  pojemności. 

Zarówno  energia  pola  magnetycznego  zgromadzona  w indukcyjności  oraz  energia  pola  elektrycznego 
zgromadzona  w  pojemności  mogą  zmieniać  się  tylko  w  sposób  ciągły  (nie  skokowo),  gdyż  w  przeciwnym 
przypadku  moc  jako  pochodna  energii  (szybkość  jej  zmian)  osiągała  by  wartość  nieskończenie  dużą,  co 
fizycznie nie jest możliwe. 

Wspomniano  wyżej,  że  przejście  od  jednego  stanu  pracy  do  drugiego  wymaga  teoretycznie  nieskończenie 

dużego czasu. Praktycznie ten przedział czasu przejścia od jednego do drugiego stanu (stan przejściowy) może 
być bardzo krótki, po upływie którego prądy i napięcia zbliżają się na tyle blisko wartości ustalonych, że bez 
popełnienia błędu można taki stan uznać za ustalony. 

Jeśli  układ  elektryczny  nie  zawiera  indukcyjności  oraz  pojemności  (jest  obwodem  rezystancyjnym,  czyli 

składa się tylko z oporności), wtedy przejście od jednego do drugiego stanu ustalonego odbywa się skokowo, 
bez żadnych opóźnień ponieważ rezystancje nie posiadaja zdolności gromadzenia energii.  

Obwód  składający  się  z  elementów  R,  L,  C  może  być  traktowany  jako  obwód  tylko  rezystancyjny,  jeśli 

wymuszenia w nim działające są stałe (niezależne od czasu) oraz gdy pominiemy stan przejściowy obwodu. 

Występowanie  stanów  przejściowych  w  układach  elektrycznych  z  jednej  strony  jest  niepożądane,  czasem 

niebezpieczne  (np.  przy  zwarciach  występujących  w  systemach  energetycznych),  a  z  drugiej  strony  –  stan 
przejściowy może być normalnym stanem pracy układu, jak to ma miejsce np. w systemach radiotechnicznych, 
układach automatycznego sterowania itp. 

Do  analizy  stanów  nieustalonych  zachodzących  w  układach  elektrycznych  złożonych  z  liniowych 

i skupionych  elementów  R,  L,  C  można  stosować  różny  aparat  matematyczny.  W  instrukcji  posługujemy  się 
tzw.  metodą  klasyczną,  która  polega  na  ułożeniu  (na  podstawie  praw  Kirchhoffa  i  zleżności  prądowo 
napięciowych  na  elementach)  równań  obwodu  elektrycznego.  Równania  te  są  równaniami  różniczkowo-
całkowymi z czasową zmienną niezależną t. W ćwiczeniu będziemy się zajmować układami R, L, C opisanymi 
liniowymi równaniami różniczkowymi drugiego rzędu. Rozwiązanie równania różniczkowego jest sumą dwóch 
części.  Jedną  z  nich  jest  całka  szczególna    równania  niejednorodnego  (ogólnie  nazywaną  składową 
wymuszoną),  druga  zaś  –  całką  ogólną  równania  różniczkowego  jednorodnego  (składowa  ta  nosi  nazwę 
składowej  swobodnej).  Wartości  początkowe  umożliwiają  wyznaczenie  stałych  całkowania  występujących 
w rozwiązaniu. 

)

(

)

(

)

(

t

x

t

x

t

x

w

s

 

gdzie:         x

s

(t) – składowa swobodna (odpowiedź na warunki początkowe) 

 

 

x

u

(t) – składowa wymuszona (odpowiedź na wymuszenie) 

 

Rozwiązanie równania różniczkowego można również przedstawić jako sumę składowej przejściowej 
i składowej ustalonej 

)

(

)

(

)

(

t

x

t

x

t

x

u

p

 

gdzie:         x

p

(t) – składowa przejściowa 

 

 

x

u

(t) – składowa ustalona 

Składowa przejściowa ma taką własność, że dla czasu dążącego do nieskończoności zanika. 

0

)

(

lim

t

x

p

t

 

Natomiast składowa ustalona ma charakter wymuszenia. 

AMD

background image

 

Badanie obwodów II-go rzędu  -   pomiary w obwodzie RLC 

Obwód RLC II-go rzędu  przedstawia poniższy rysunek 
 
 
 
 
 

.

 

 

 


 
 
 
 
 
 

Rys. 1. Schemat obwodu elektrycznego R, L, C drugiego rzędu 

Równanie obwodu 

)

(

)

(

4

d

d

1

1

d

d

d

d

0

d

d

R

2

Z

Z

2

2

0

Z

t

i

R

t

u

LC

L

R

e(t)

t

L

i(t)

LC

t

i(t)

L

R

t

i(t)

e(t)

)

(

u

i(t)dt

C

1

i(t)

R

t

i(t)

L

t

C

 

Przyjmujemy: 

 e(t) = E = const,   u(0)= 0, i(0) = 0,  R

Z

=R+R

L

+R

Rozwiązanie dla  



< 0  przebieg oscylacyjnie tłumiony 

Wielkości obliczone teoretycznie.  

4

3

2

4

1

2

Δ

T

m

T

m

Z

m

t

α

m

e

I

A

e

I

A

ω

T

2L

R

α

2

1

ω

L

2E

I

t)

sin(ω

e

I

i(t)

 

Wielkości obliczone z pomiarów oscyloskopem 

amplitudy

2

1

i

A

T

ω

A

A

ln

T

2

α

 

Rozwiązanie dla  



= 0 przebieg aperiodyczny krytyczny 

max

max

1

max

       

,

2

 

        

i

R

U

e

R

E

i

,

2L

R

α

L

E

C

0

C

e

t

C

e

C

i(t)

Z

Z

2

1

t

α

2

t

α

1

 

Wielkości obliczone z pomiarów oscyloskopem 

1

1

t

 

Rozwiazanie dla  



> 0 przebieg aperiodyczny  

)

(

ln

1

)

(

1

max

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

t

i

R

U

s

s

t

2

1

2L

R

s

L

E

C

C

e

C

e

C

t

i

Z

,

t

s

t

s





 

 
 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

-1

-0 . 8

-0 . 6

-0 . 4

-0 . 2

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

 

u

R

[V

t[ms

A

1

 

A

2

 

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

0

0 . 1

0 . 2

0 . 3

0 . 4

0 . 5

0 . 6

0 . 7

0 . 8

 

t

1

 

U

max 

u

R

[V

t

 [ms

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

0

0 . 1

0 . 2

0 . 3

0 . 4

0 . 5

0 . 6

0 . 7

0 . 8

 

t

1

 

U

max 

u

R

[V

t

 [ms

 

e(t)

 

i(t)

 

u

C 

u

R 

u=u

L

+ u

RL

 

 

R

R

R

t

= 0 

 

K

 

AMD

background image

 

Przebieg ćwiczenia 

Układ  pomiarowy  należy  połączyć  zgodnie  ze  schematem  przedstawionym  na  rysunku  2.  W  układzie 
pomiarowym zamiast przełącznika „K” zastosowano generator fali prostokątnej. Na ekranie oscyloskopu należy 
zaobserwować przebiegi czasowe w ciągu jednego okresu a następnie rozciągnąć skalę czasu na stan przejścia 
napięcia wejściowego z jednego stanu do drugiego (skok napięcia). 
 

 

 We I 

 We II 

Oscyloskop 

 Wy 

Generator 

fali prostokątnej 

R

G

=50

 

 

 

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego obwodu RLC 

 

Na wyjściu generatora funkcyjnego należy ustawić napięcie: 
 - o kształcie impulsów prostokątnych i wypełnieniu 1/2, 
 - częstotliwości  f =120 [Hz], 
 - amplitudzie E =  10 [V], 
Zmierzyć omomierzem rezystancję cewki indukcyjnej R

L

[

] przy L = 1[H], 

Wstępnie ustawić wartość: 
Rezystancji R = 5 [k



indukcyjności L = 1[H], pojemności C = 5 [nF]. 

Po skorygowaniu wartości R i C należy wykonać zdjęcie aparatem cyfrowym ekranu oscyloskopu oraz dokonać 
pomiarów odpowiednich wielkości w zależności od badanych przebiegów. 

Odczyt z oscyloskopu  

Wielkości  z  ekranu  oscyloskopu  odczytuje  się  w  działkach,  najczęściej  w  [cm].  W  celu  otrzymania  wartości 
napięcia  mierzonego  sygnału  należy  przemnożyć  wartość  wyrażoną  w  cm  przez  wzmocnienie  właściwe  dla 
danego kanału. Podobnie dla określenia czasu, odcinek odpowiadający określonemu przedziałowi czasowemu 
należy pomnożyć przez podstawę czasu oscyloskopu dla danego przebiegu. 









cm

ms

]

[

]

[

cm

V

]

cm

[

]

V

[

m

m

T

K

cm

T

ms

T

K

E

E

   (*) 

Przykładowy ekran oscyloskopu wraz z opisem przedstawia rysunek 3. 

 

 

Rys. 3. Odpowiedź szeregowego obwodu RLC na skok napięcia wejściowego 

AMD

background image

 

Pomiary dla przebiegu oscylacynie tłumionego 

W tabeli 1 wpisujemy nastawy wartości parametrów elementów badanego obwodu. 

Tabela 1. Wartości elementów obwodu odczytane z nastaw lub zmierzone. 

R[k

R

G

[

L[H] 

R

L

[

C[nF] 

 

 

 

 

 

Pomiar oscyloskopem 

Na  kanale  I  oscyloskopu  obserwujemy  skok  napięcia  e(t),  natomiast  na  kanale  II  oscyloskopu  obserwujemy 
napięcie  u

R

(t)

 

na  rezystancji  R.  Pomiary  sygnału  oscylacyjnego  nieco  upraszczamy  przyjmując,że  ekstrema 

przebiegu występują dla ¼  oraz ¾ okresu T

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

-1

-0 . 8

-0 . 6

-0 . 4

-0 . 2

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

 

u

R

[V

t[ms

A

1

 

A

2

 

 

Tabela 2. Wartości sygnałów odczytane z ekranu oscyloskopu 

Wzmocnienie 

napięciowe 

kanał "I" 

KI[V/cm] 

Wzmocnienie 

napięciowe 

kanał "II" 

KII[V/cm] 

Podstawa czasu 

oscyloskopu 

KT[ms/cm] 

Skok napięcia  

E[cm] 

Amplituda 

A1[cm] 

Amplituda 

A2[cm] 

Okres 
T[cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

Opracowanie pomiarów 
Wzory do obliczeń na podstawie pomiarów oscyloskopem.  

2

1

2

1

1

 

          

         

e

2

1

A

A

ln

T

2

α

T

ω

A

I

A

A

ln

m

 

Tabela 3. Wartości wyznaczone na podstawie pomiarów oscyloskopem  

Wyróżnik 

∆ 

I

m

 

[mA] 

Pulsacja 

[rad/s] 

Stała tłumienia 



Skok napięcia  

E[V] 

Amplituda 

A1[V] 

Amplituda 

A2[V] 

Okres 
[

s] 

<0

 

 

 

 

 

 

 

 

Wzory do obliczeń teoretycznych: 

ω

T

e

I

A

e

I

A

2L

R

α

2

1

ω

L

2E

I

LC

L

R

T

m

T

m

Z

Z

2

      

,

      

,

      

,

      

,

      

,

Δ

      

,

4

4

3

2

4

1

m

2

 

Tabela 4. Wartości zadane i obliczone teoretycznie 

Wyróżnik 

∆ 

I

m

 

[mA] 

Pulsacja 

[rad/s] 

Stała tłumienia 



Skok napięcia  

E[V] 

Amplituda 

A1[V] 

Amplituda 

A2[V] 

Okres 
[

s] 

 

 

 

 

 

 

 

Błąd względny 

 

 

 

 

 

 

 

AMD

background image

 

Pomiary dla przebiegu aperiodycznego krytycznego 

Przebieg aperiodyczny krytyczny uzyskamy z przebiegu oscylacyjnie tłumionego przy niezmienionej wartości L  
zwiększając rezystancję o 

od 2 do 4 k



i obliczając

z warunku 



= 0. 

W tabeli 5 wpisujemy nastawy wartości parametrów elementów badanego obwodu. 

Tabela 5. Wartości elementów obwodu odczytane z nastaw lub zmierzone. 

R[k

R

G

[

L[H] 

R

L

[

C[nF] 

 

 

 

 

 

Pomiar oscyloskopem 

Na kanale I oscyloskopu obserwujemy skok napięcia e(t), natomiast na kanale II oscyloskopu obserwujemy 
napięcie u

R

(t)

 

na rezystancji R

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

0

0 . 1

0 . 2

0 . 3

0 . 4

0 . 5

0 . 6

0 . 7

0 . 8

 

t

1

 

U

max 

u

R

[V

t

 [ms

 

Tabela 6. Wartości sygnałów odczytane z ekranu oscyloskopu 

Wzmocnienie 

napięciowe 

kanał "I" 

KI[V/cm] 

Wzmocnienie 

napięciowe 

kanał "II" 

KII[V/cm] 

Podstawa czasu 

oscyloskopu 

KT[ms/cm] 

Skok napięcia  

E[cm] 

Wartość max  

U

max

 [cm] 

Czas 

t

1

[cm] 

 

 

 

 

 

 

 

Opracowanie pomiarów 
Wzory do obliczeń na podstawie pomiarów oscyloskopem: 

1

1

t

 

Tabela 7. Wartości wyznaczone na podstawie pomiarów oscyloskopem  

stała tłumienia 

[

s

-1

Skok napięcia  

E[V] 

Wartość max  

U

max

 [V] 

Czas 

t

1

[

s] 

 

 

 

 

Wzory do obliczeń teoretycznych: 

1

max

2

e

R

ER

U

,

2L

R

α

Z

Z

 

Tabela 8. Wartości zadane i obliczone teoretycznie 

Wyróżnik  

 

stała tłumienia 

[

s

-1

Skok napięcia  

E[V] 

Wartość max  

U

max

 [V] 

Czas 

t

1

[

s] 

 

 

 

 

Błąd względny 

%

 

 

 

 

 

 

AMD

background image

 

Pomiary dla przebiegu aperiodycznego  

Przebieg aperiodyczny uzyskamy z przebiegu aperiodyczny krytyczny  przy niezmienionej wartości L  
zwiększając rezystancję o 

R = 1 k



oraz zwiększając

pojemność

C o 

C = 10 nF. 

W tabeli 9 wpisujemy nastawy wartości parametrów elementów badanego obwodu. 

Tabela 9. Wartości elementów obwodu odczytane z nastaw lub zmierzone. 

R[k

R

G

[

L[H] 

R

L

[

C[nF] 

 

 

 

 

 

Pomiar oscyloskopem 

Na kanale I oscyloskopu obserwujemy skok napięcia e(t), natomiast na kanale II oscyloskopu obserwujemy 
napięcie u

R

(t)

 

na rezystancji R

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

0

0 . 1

0 . 2

0 . 3

0 . 4

0 . 5

0 . 6

0 . 7

0 . 8

 

t

1

 

U

max 

u

R

[V

t

 [ms

 

Tabela 10. Wartości sygnałów odczytane z ekranu oscyloskopu 

Wzmocnienie 

napięciowe 

kanał "I" 

KI[V/cm] 

Wzmocnienie 

napięciowe 

kanał "II" 

KII[V/cm] 

Podstawa czasu 

oscyloskopu 

KT[ms/cm] 

Skok napięcia  

E[cm] 

Wartość max  

U

max

 [cm] 

Czas 

t

1

[cm] 

 

 

 

 

 

 

 

Opracowanie pomiarów 

Tabela 11. Wartości wyznaczone na podstawie pomiarów oscyloskopem  

Skok napięcia  

E[V] 

Wartość max  

U

max

 [V] 

Czas 

t

1

[

s] 

 

 

 

Wzory do obliczeń teoretycznych: 

)

(

    

,

 

ln

1

    

,

      

,

      

,

4

1

max

1

2

1

2

1

1

2

t

i

R

U

s

s

t

2

1

2L

R

s

L

E

C

LC

L

R

Z

,

Z





 

Tabela 12. Wartości zadane i obliczone teoretycznie 

Wyróżnik  

 

C

1

[mA] 

s

1

[s

-1

s

2

[s

-1

Skok napięcia  

E[V] 

Wartość max  

U

max

 [V] 

Czas 

t

1

[

s] 

 

 

 

 

 

 

 

Błąd względny 

%

 

 

 

 

Dla  badanych  obwodów  należy  ułożyć  równanie  różniczkowe.  Rozwiązać  równanie  dla  właściwych  wartości 
parametrów R, L, C i wymuszenia E. Otrzymane rozwiązania przedstawić w postaci analitycznej i graficznej. 
Porównać przebiegi otrzymane z oscyloskopu (zdjęcia ekranu oscyloskopu) z rozwiązaniami teoretycznymi.  

AMD

background image

 

Przykładowe obliczenia numeryczne obwodu w programie Matlab 
Równania stanu badanego obwodu mają postać: 

i(t)

C

(t)

u

t

e(t)

L

(t)

u

L

i(t)

L

R

i(t)

t

1

d

d

1

1

d

d

C

C

Z

 

Plik funkcyjny równań stanu obwodu: 

function dy=row_stanu(t,y)

 

global Rz L C E

 

dy=zeros(2,1);

 

dy(1)=-R/L*y(1)-1/L*y(2)+1/L*E;

 

dy(2)=1/C*y(1);

 

Plik skyptowy rozwiązań numerycznych obwodu : 

global Rz L C E

 

Rz=4000;L=1;C=7*10^-9;E=10;

 

[t,y]=ode45('row_stanu',[0 0.002],[0;0]);

 

subplot(3,1,1)

 

plot(t,y(:,1)),grid on

 

title('przebiegi czasowe prad i(t)')

 

subplot(3,1,2)

 

plot(t,y(:,2)),grid on

 

title('przebiegi czasowe napiecie uc(t)')

 

subplot(3,1,3)

 

plot(y(:,1),y(:,2)),grid on

 

title('trajektoria')

 

Rozwiązanie graficzne 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

x 10

-3

-5

0

5

10

x 10

-4

przebiegi czasowe prad i(t)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

x 10

-3

0

5

10

15

20

przebiegi czasowe napiecie uc(t)

-4

-2

0

2

4

6

8

x 10

-4

0

5

10

15

20

trajektoria

 

 

AMD

background image

 

 

Przykładowe obliczenia obwodu w programie Mathcad 

 

Stan nieustalony w obwodzie RLC

 

 

 L

 

 C

 

 R

 

 R

 R

 e(t)=E

 

 

Przebieg oscylacyjny

 

Dane z odczytu i pomiaru

 

Rg

50



 

R

4000



 

L

1 H



  C

7

10

9

F



 

RL

229



 

Rz

Rg

R

RL



 

Pomiary oscyloskopowe

 

E

8 V



 

A1p

2100 mV



 

A2p

1100

mV



 

Tp

550 10

6

s



 

Obliczenia teoretyczne

 

Rz

L





2

4

L C

5.531

10

8

1

s

2



 

Imax

2 E

L

6.803

10

4

A



 

Obliczenia z pomiarów

 

Różnice względne

 

Umax

R Imax

2.721V



 

1

2

1.176

10

4

1

s



 

p

2

T p

1.142

10

4

1

s



 



 

p

100

2.851



 

T

2


5.343

10

4

s



 

Rz

2 L

2.139

10

3

1

s



 

p

2

T p

ln

A1p

A2p





2.351 10

3

1

s



 



 

p

100

9.903



 

uR t

( )

R Imax

e

t

sin

t

(

)



 

- napięcie na rezystancji R 

tmax

1

atan






1.183 10

4

s



 

T

4

1.336 10

4

s

 

A1

uR

T

4





2.045V



 

A1max

uR tmax

(

)

2.079V



 

A1

A1

A1p

A1

100

2.699



 

A2

uR

3T

4





1.155

V



 

A2max

uR tmax

T

2





1.174

V



 

A2

A2

A2p

A2

100

4.725



 

0

2 10

4

4 10

4

6 10

4

8 10

4

2.5

1.25

0

1.25

2.5

uR t

( )

t

 

AMD