background image

Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy

PRACOWNIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW

ĆWICZENIE 6:

Stany nieustalone – obwody drugiego rzędu

Wykorzystywany sprzęt:

S.C. 2075, płytka testowa nr 6.

Wprowadzenie

Stanem   nieustalonym  w   obwodzie   elektrycznym   nazywamy   proces   zachodzący   przy 

przejściu obwodu elektrycznego z jednego do drugiego stanu ustalonego.  Przejście z jednego 

stanu   ustalonego   jest   spowodowane   włączaniem   lub   wyłączaniem   źródeł   energii,   zmianą 

konfiguracji obwodu lub jego parametrów. Na rysunku a przedstawiono przykład zmiany 

parametrów   obwodu   (zmiana   rezystancji   obwodu),   zaś   na   rysunku   b  

  przykład   zmiany 

konfiguracji obwodu (odłączenie cewki indukcyjnej). 

a)                                                                   b) 

                                 W                              

 

                           R

1

                         R

2   

                                          R

1

                 W                 R

 
 
 
 
 
  U                                                        C                    U                         C                                       L

 

a) zmiana parametrów obwodu; b) zmiana konfiguracji obwodu

Stany nieustalone mogą wynikać z przyczyn zewnętrznych (procesy łączeniowe zwane też 

komutacją   wykonywane   za   pomocą   łączników)   lub   przyczyn   wewnętrznych   (przebicia 

izolacji uzwojeń maszyn i transformatorów, zwarcia elementów urządzeń włączonych do sieci 

Przygotował Grzegorz Śmigielski

1

background image

elektrycznej). Należy podkreślić, że wszystkie przyczyny wewnętrzne stanów nieustalonych 

można przedstawić w postaci  modelu komutacyjnego złożonego z łączników. 

Znajomość procesów przebiegających w stanie nieustalonym jest w praktyce bardzo ważna, 

gdyż umożliwia określenie powstających często wzrostów napięcia i natężenia w obwodzie, 

co pozwala na odpowiedni dobór i konstrukcję aparatury łączeniowej i zabezpieczającej.

Zjawiska zachodzące w stanach nieustalonych wynikają ze zmian energii w pojemnościach i 

indukcyjnościach obwodu. Indukcyjność gromadzi energię w polu magnetycznym równą:

2

2

i

L

W

L

=

zaś pojemność gromadzi energię w polu elektrycznym równą:

2

2

u

C

W

C

=

Zazwyczaj przy analizie stanu nieustalonego przyjmuje się, że komutacja zachodzi w chwili 

= 0. Czas stanu przejściowego jest zawsze większy od zera - wynika to z zasady, że energia 

zgromadzona w obwodzie nie może zmienić się skokowo lecz w sposób ciągły. Z zasady tej 

wywodzą się dwa podstawowe prawa komutacji z których korzystamy w obliczeniach stanów 

nieustalonych:

1. Prąd płynący przez indukcyjność nie może zmieniać się skokowo, dlatego prąd 

płynący w indukcyjności przed komutacją jest równy prądowi po komutacji tzn. 

prąd ten nie zmienia się w momencie komutacji; w zapisie matematycznym to 

prawo ma postać 

i

(0

) = i

(0+)

2. Napięcie na kondensatorze nie może się zmienić skokowo, dlatego napięcie na 

kondensatorze   przed   komutacją   jest   równe   napięciu   po   komutacji;   zapis 

matematyczny tego prawa ma postać 

u

(0

) = u

(0+)

Prąd   w   indukcyjności   i   napięcie   na   pojemności,   będące   miarą   zapasu   energii   nazywamy 

zmiennymi stanu obwodu elektrycznego. 

Przykłady obliczeń stanów nieustalonych:

Przygotował Grzegorz Śmigielski

2

background image

Obwód RC

a)                                                                   b) 

 

                    W       t = 0           R

  

                                 U

C

       

 

 
 
                                                                                       U 
 
   U                                                   C                       0,63U     
 
 
 

 

 
                                                                                      0              

τ

 

                   t

1

                                  t                

 

Włączenie napięcia stałego do szeregowego układu RC

a) schemat układu;  b) zależność napięcia na kondensatorze od czasu

Do układu  RC  przedstawionym na rysunku załączono wyłącznikiem  W  napięcie stałe  U

Napięcie   na   kondensatorze   do   chwili   komutacji   było   równe   0   i   zgodnie   z   II   prawem 

komutacji nie zmieni się ono w chwili włączenia zasilania [u

(0

) = u

(0+)], zaś po czasie t

kondensator naładuje się do napięcia U. Zadanie polega na znalezieniu zależności napięcia na 

kondensatorze od czasu w okresie od 0 do t

1

.

1. Równanie napięć dla obwodu w chwili po komutacji wynosi:

U

u

i

R

C

=

+

ponieważ 

dt

du

C

i

C

=

to

U

u

dt

du

RC

C

C

=

+

2. Określamy początkową wartość (t = 0) zmiennej stanu

0

)

0

(

=

C

u

3. Rozwiązanie niejednorodnego (z prawą stroną) równania różniczkowego znajdujemy w 

postaci sumy dwóch składowych – swobodnej u

Cs

 i wymuszonej u

Cw

 . Składowa swobodna 

jest rozwiązaniem równania różniczkowego jednorodnego (bez prawej strony) 

RC

t

Сs

Ae

u

=

Składowa wymuszona jest obliczana za pomocą podstawienia 

0

=

dt

du

C

Przygotował Grzegorz Śmigielski

3

background image

stad 

 

U

u

w

C

=

Rozwiązanie równania zapiszemy w postaci

U

Ae

u

RC

t

С

+

=

4. Stałą A w równaniu powyżej oblicza się przy podstawieniu  t = 0 

U

A

u

C

+

=

)

0

(

ponieważ 

0

)

0

(

=

C

u

 to 

U

A

=

 

5. Ostateczne rozwiązanie równania wynosi

)

1

(

RC

t

C

e

U

u

=

Zatem napięcie na kondensatorze zwiększa się wykładniczo od 0 do U.

Po wprowadzeniu pojęcia stałej czasowej 

τ

 przebiegu wykładniczego:

τ

 = RC

ostateczna postać rozwiązania równania wynosi:

)

1

(

τ

t

C

e

U

u

=

Przyjmuje się, że stan ustalony następuje przy osiągnięciu przez napięcie na kondensatorze 

wartości 0,98 U, a zachodzi to czasie   t

1

 

 (3 

÷

5)

τ

. Stałą czasową  można określić mierząc 

napięcie na kondensatorze po czasie t = 

τ

)

1

(

)

(

1

=

e

U

u

C

τ

 = 

U

63

,

0

Obwód RL

Obliczenie   stanu   nieustalonego   dla   przykładu   przedstawionego   na   rys   poniżej   (włączenie 

zasilania gałęzi szeregowej LR) przebiega podobnie jak w poprzednim przykładzie. Algorytm 

obliczeń pozostaje bez zmian:

a)                                                                   b) 

 

                    W       t = 0           R

  

                                   i       

 

 
 
                                                                                       
 
   U                                                     L                  0,63     
 
 
 

 

 
                                                                                      0              

τ

 

                                                       t                 

Rys. 10.3. Włączenie napięcia stałego do szeregowego układu RL

a) schemat układu;  b) przebieg czasowy prądu w obwodzie

Przygotował Grzegorz Śmigielski

4

background image

1.

 

;

U

Ri

dt

di

L

L

=

+

2.

 

0

)

0

(

=

L

i

;

3.

 

R

U

Ae

i

R

U

i

Ae

i

L

tR

L

вын

L

L

tR

св

L

+

=

=

=

;

;

.

.

;

4.

 

R

U

A

R

U

A

i

L

=

+

=

;

)

0

(

;

5.

 

)

1

(

τ

t

L

e

R

U

i

=

gdzie 

τ

 - stała czasowa przebiegu

Przygotował Grzegorz Śmigielski

5

background image

Obwód RLC

Analiza stanów nieustalonych obwodów z jednym elementem reaktancyjnym nie przedstawia 

jak   przytoczono   powyżej   większych   trudności.   W   obwodach   z   dwoma   elementami 

reaktancyjnymi (indukcyjnością i pojemnością) –algorytm obliczeń pozostaje ten sam, ale 

pewne komplikacje wynikają w 2, 3 i 4 punktach algorytmu.

Jako przykład obliczeń przedstawiono analizę załączenia napięcia stałego do szeregowego 

układu RLC

1. Równanie różniczkowe dla obwodu po komutacji:

U

u

dt

di

L

Ri

C

=

+

+

 (1)

a)                                                                

 

                                                                W       t = 0           R

  

                   L               

 

 
 
                                                                                       
 
                                            U                                                                          C          
 
 
 

 

 

 

      b)                                                         c) 

    i                                    
  
                                                                             i 
 
 

 

                                                                                      ∆  

=

 

 

                                                                              

 

        i

1                             

i

 

 0                                                           t           0                                                                                   t 

 

 

 

                                      

 

                                                                                                

=

 

i

i

π

 

ω

 

Włączenie napięcia stałego do szeregowego układu RLC

 a) schemat układu;  b, c) przebiegi czasowe prądu w układzie

Przez wszystkie elementy obwodu płynie ten sam prąd: 

dt

du

C

i

i

C

L

=

=

.

2. Ustalenie warunków początkowych dla t = 0:

U

dt

di

L

i

u

C

=

=

=

)

0

(

0

)

0

(

0

)

0

(

(2)

Przygotował Grzegorz Śmigielski

6

background image

3. Po zróżniczkowaniu równania (1) i po przemnożeniu przez C otrzymamy:

.

0

2

2

=

+

+

i

dt

i

d

CL

dt

di

CR

(3)

Po założeniu, że składowa wymuszona i

w

 = 0 rozwiązanie równania 3 zapisujemy w postaci:

t

p

t

p

e

A

e

A

i

2

1

2

1

+

=

(4)

gdzie  A

1

  i  A

2

  są   nieznanymi   stałymi   całkowania,   a  p

1

  i  p

2

    są   pierwiastkami   równania 

charakterystycznego zestawionego z równania różniczkowego 3 drogą zamiany zmiennych 

operatorem różniczkowania p . 

Równanie charakterystyczne ma postać:

0

1

2

=

+

+

p

R

C

p

L

C

,

(5)

a jego pierwiastki są równe:

LC

L

R

L

R

p

1

4

2

2

2

2

,

1

±

=

.  (6)

a po podstawieniu

L

R

2

=

δ

oraz

C

L

L

1

0

=

ω

2

0

2

2

,

1

ω

δ

δ

±

=

p

(7)

4. Aby znaleźć stałe całkowania, należy najpierw zróżniczkować równanie 4. Wynik 

różniczkowania:

t

p

t

p

e

p

A

e

p

A

dt

di

2

1

2

2

1

1

+

=

 (8)

Wówczas z równań (2, 4 i 7) dla t = 0 otrzymujemy układ równań:

2

1

0

A

A

+

=

2

2

1

1

p

A

p

A

L

U

+

=

 

(9) 

skąd:

2

1

2

2

1

1

1

1

p

p

L

U

A

p

p

L

U

A

=

=

(10)

5. Rozwiązanie równania 4 zapisujemy w postaci:

t

p

t

p

e

p

p

L

U

e

p

p

L

U

i

2

1

2

1

2

1

1

1

=

(11)

Charakter stanu nieustalonego zależy od relacji dwu wielkości (patrz równanie 7): 

Przygotował Grzegorz Śmigielski

7

background image

δ

  współczynnika   tłumienia;  

ω

0

 

  pulsacji   rezonansowej   obwodu   (a   więc   częstotliwości 

rezonansowej obwodu f

0

) gdzie 

ω

0

 =  2 

π

 f

0

.

Dla 

δ

  >

ω

0 

 -  pierwiastki równania charakterystycznego są rzeczywiste, ujemne i różne.

Prąd w stanie nieustalonym oblicza się z równania:

)

(

2

2

1

2

0

2

t

p

t

p

e

e

L

U

i

=

ω

δ

(12)

Dla takiego przypadku przebieg prądu ma charakter aperiodyczny.

Dla  

δ

 

<

ω

0

    -  pierwiastki   równania   charakterystycznego   są   pierwiastkami   zespolonymi 

sprzężonymi, a przebieg prądu ma charakter drgań zanikających i określony jest równaniem:

t

e

L

U

i

t

ω

ω

δ

sin

=

(13)

gdzie 

ω

 

 pulsacja (częstotliwość) własna obwodu z uwzględnieniem tłumienia

2

2

0

δ

ω

ω

=

.

Przebieg   stanu   nieustalonego   dla   tego   przypadku   przedstawiono   na   rysunku.   Stosunek 

wartości dwóch chwilowych prądu w odstępie okresu  T  charakteryzuje właściwości drgań 

obwodu i nosi nazwę dekrementu tłumienia. Dekrement tłumienia 

 określa się ze wzoru:

T

e

δ

=

(14)

Na   rysunku   c   pokazano   graficzny   sposób   wyznaczenia   dekrementu   tłumienia   przez 

porównanie dwóch wartości chwilowych prądu. 

Zadanie:

Zbudować układ szeregowy RLC. 

Parametry układu: L = 0,56 mH C = 0,1 uF 

Obliczyć wartość częstości rezonansowej układu  

LC

1

0

=

ω

, wyznaczyć zakres rezystancji 

dla których spełniony jest warunek 

δ

 > 

ω

0

 (1) oraz warunek  

δ

  < 

ω

0

 (2).

Wykonać   interfejs   pomiarowy   zgodnie   z   rysunkiem   umożliwiający   pomiar   napięcia   na 

rezystorze w funkcji czasu i zapisanie jego przebiegu do pliku tekstowego.

Przygotował Grzegorz Śmigielski

8

background image

Ikonę DAQ Asistant pobrać z Functions->Measurement I/O NI DAQmx. Typ sygnału w 

kreatorze wybrać jako NRSE – pozostałe ustawienia w zależności od wybranego rezystora 

podano niżej.

Ikonę Write Meas File Functions pobrać z Functions->File I/O. Ustawienia ikony Write 

Meas File jak na rysunku poniżej, plik utworzyć w katalogu roboczym.

Wykonać pomiary: dla rezystancji spełniającej 1 warunek (ustawić Rate na 50 k, Sample To 

Read na 50 k). oraz dla rezystancji spełniającej warunek (ustawić Rate na 250 k, Sample 

To Read na 50 k).

Na podstawie wygenerowanych plików utworzyć wykresy w Excelu.

W sprawozdaniu umieścić wykresy uzyskanych przebiegów, obliczenia, komentarze, wnioski.

Przygotował Grzegorz Śmigielski

9

background image

DODATEK 1)

Oznaczenie liczbowe rezystorów

Producenci   podają   w   oznaczeniach   rezystorów   tylko   najważniejsze   parametry,   czyli 

rezystancję   nominalną,   tolerancję   (wyrażoną   w   procentach   klasę   dokładności)   i   moc 

znamionową.   W   przypadku   małych   oporników   gdzie   nie   ma   miejsca   napisy   stosuje   się 

oznaczenie   kodowe:   cyfrowo-literowe   lub   barwnych   pasków.   W   oznaczeniu   cyfrowo-

literowym IEC w miejscu przecinka dziesiętnego znajduje się litera oznaczająca mnożnik: R 

= 1, K=1000, M=1000000. W standardzie MIL trzecia cyfra oznacza mnożnik przez który 

trzeba pomnożyć dwie pierwsze liczby. 

Przykład

oznaczenie IEC oznaczenie MIL

rezystancja

R57

R57

0,57 Ω 

6R8

6R8

6,8 Ω 

27R

270

27 Ω 

820R, K82

821

820 Ω 

4K7

472

4,7 k Ω 

56K

563

56 k Ω 

470K, M47

474

470 k Ω 

2M7

275

2,7 M Ω 

56M

566

56 M Ω 

oznaczenie:

N

M

K

J

G

H

tolerancja:

30 %

20 %

10 %

5 %

2 %

1 %

DODATEK 2)

Kod paskowy rezystorów

W systemie znakowania cztero-paskowym dwa pierwsze oznaczają wartość rezystancji, a 

trzeci  mnożnik przez który należy  pomnożyć  te  dwie  pierwsze  liczby.  Czwarty  pasek to 

dopuszczalna tolerancja.

Kod pięcio-paskowy stosowany jest przy rezystorach o niskiej tolerancji błędu. Tutaj wartość 

rezystancji   wskazują   trzy   pierwsze   paski,   czwarty   to   mnożnik,   a   piąty   tolerancja.   Jeśli 

oznaczenie zawiera sześć pasków to ten szósty oznaczą współczynnik temperaturowy.

Przygotował Grzegorz Śmigielski

1

background image

kolor

liczby 

znaczące

mnożnik

tolerancja

srebrny

 

-

0,01

10 %

złoty

 

-

0,1

5 %

czarny

 

0

1

-

brązowy

 

1

10

1 %

czerwony

 

2

100

2 %

pomarańczowy

 

3

1000

15 %

żółty

 

4

10000

-

zielony

 

5

100000

0,5 %

niebieski

 

6

1000000

1,25%

fioletowy

 

7

10000000

0,1 %

szary

 

8

100000000

-

biały

 

9

1000000000

-

brak

x

-

-

20 %

Przykład:

Wartość rezystancji: 1,6 kΩ, 20 % tolerancji.

 

DODATEK 3)

Oznaczanie pojemności kondensatorów przy pomocy wartości liczbowej

Pojemność kondensatora jest podawana w pikofaradach (10

-12

 F).

Pierwsze dwie cyfry to liczby znaczące, natomiast trzecia jest mnożnikiem (podobnie jak dla 

rezystancji) 

Przykład: 

10

4

 = 

10

 * 10

4

 pF = 10 * 10

-8

 F = 100 nF

12

1

 = 

12

 * 10

1

 pF = 12 * 10

-11

 = 120 pF

Przygotował Grzegorz Śmigielski

1