Główna zawartość
Kurs: Elektrotechnika > Rozdział 2
Lekcja 4: Odpowiedź swobodna i wymuszona- Charakterystyka napięciowo-prądowa kondensatora
- Przykład zastosowania równania kondensatora
- Charakterystyka i-v kondensatora w działaniu
- Inductor equations
- Inductor kickback (1 of 2)
- Inductor kickback (2 of 2)
- Charakterystyka i-v cewki w działaniu
- Intuicyjna analiza odpowiedzi swobodnej obwodu RC
- Odpowiedź swobodna układu RC — analiza wzorów
- Odpowiedź swobodna obwodu RC — przykładowe wartości liczbowe
- Odpowiedź swobodna układu RC
- RC step response - intuition
- RC step response setup (1 of 3)
- RC step response solve (2 of 3)
- RC step response example (3 of 3)
- Odpowiedź skokowa układu RC
- Odpowiedź swobodna układu RL
- Sketching exponentials
- Sketching exponentials - examples
- LC natural response intuition 1
- LC natural response intuition 2
- LC natural response derivation 1
- LC natural response derivation 2
- LC natural response derivation 3
- LC natural response derivation 4
- LC natural response example
- Odpowiedź swobodna układu LC
- Wyprowadzenie odpowiedzi swobodnej układu LC
- Intuicyjna analiza odpowiedzi swobodnej układu RLC
- Wyprowadzenie odpowiedzi swobodnej układu RLC
- Warianty odpowiedzi swobodnej układu RLC
© 2024 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie
Wyprowadzenie odpowiedzi swobodnej układu LC
Przy okazji formalnego wyprowadzenia odpowiedzi naturalnej układu LC, odkrywamy czym jest częstość oscylacji obwodu elektrycznego. Stworzone przez Willy McAllister. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji Akamai.
Wyprowadzimy formalnie funkcję odpowiedzi naturalnej układu , zawierającego cewkę i kondensator.
Oto gdzie rodzą się fale sinusoidalne.
Kontekst
W tym artykule krok po kroku przejdziemy przez rozwiązanie równania różniczkowego rzędu. Założymy, że nie zetknąłeś się jeszcze z tego typu równaniem. Sal nagrał filmy o równaniach drugiego rzędu. Równania rzędu przybliżyliśmy omawiając odpowiedź naturalną układów i . Możesz też obejrzeć filmy Sala na temat równań pierwszego rzędu.
Do czego zmierzamy
Odpowiedź naturalna układu opisywana jest przez jednorodne równanie różniczkowe drugiego rzędu w postaci:
Rozwiązanie, czyli wyrażenie na natężenie prądu w zależności od czasu ma postać:
gdzie jest naturalną częstością układu , a - początkowym napięciem na kondensatorze.
W elektrotechnice używamy litery na oznaczenie .
(Tak, by nie myliło się z , które zarezerwowane jest dla natężenia prądu.)
(Tak, by nie myliło się z
Wprowadzenie
Układy pierwszego rzędu
Do tej pory rozważaliśmy układy pierwszego rzędu, i . Zawierały one po jednym elemencie zdolnym do gromadzenia energii - kondensatorze ( ) albo cewce indukcyjnej ( ). Ich odpowiedź naturalna ma kształt eksponencjalnego spadku do ustalonej wartości końcowej. Energia, zgromadzona uprzednio na jednym z tych elementów, rozpraszana była na wpiętym w obwód oporniku.
Układy drugiego rzędu
Rozważymy obwód z dwoma elementami gromadzącymi energię, bez opornika. Obwody z dwoma elementami magazynującymi energię nazywamy drugiego rzędu, gdyż opisują je równania różniczkowe drugiego rzędu.
W tym artykule omówimy układ . Jest to przedostatni typ obwodu, który rozwiążemy od początku do końca korzystając z równań różniczkowych. Ostatnim będzie układ , omówiony w następnym artykule. Opis matematyczny robi się coraz bardziej skomplikowany. Na całe szczęście, po omówieniu układów i , nauczymy się drogi na skróty, która uczyni nasze życie znacznie łatwiejszym.
Jednak najpierw przedrzemy się przez równania różniczkowe zamiast iść od razu skrótem. Chcę Ci pokazać, skąd w elektronice biorą się fale sinusoidalne, mające swoje źródło w rozwiązaniach równań drugiego rzędu. Fale tego typu pełnią niezwykle istotną rolę - z fal sinusoidalnych możemy zbudować wszystkie pozostałe rodzaje sygnałów.
W układach drugiego rzędu po raz pierwszy spotykamy się z oscylacyjnym zachowaniem układu. Zegar z wahadłem jest klasycznym przykładem znanym z mechaniki klasycznej. W elektrotechnice, klasycznym układem drugiego rzędu jest układ .
Odpowiedź naturalna
Chcemy wyznaczyć odpowiedź naturalną układu . Przez odpowiedź naturalną rozumiemy zachowanie układu pod nieobecność zewnętrznej siły, która napędzała by jego ruch. Odpowiedź naturalna daje zawsze istotny wkład do całkowitej odpowiedzi układu.
Odpowiedź naturalna układów drugiego rzędu
Aby znaleźć dokładną postać odpowiedzi naturalnej, przygotujemy nasz układ zadając pewną ilość zgromadzonej energii początkowej. Elementy obwodu są oznaczone stosując się do konwencji znaku dla elementów pasywnych. Zaczynamy z przełącznikiem z pozycji otwartej. Początkowe natężenie prądu na cewce wynosi więc . Zakładamy, że na kondensatorze występuje początkowe napięcie . (
Zwróć uwagę na to, że biegun kondensatora jest na dole.) W chwili zamykamy obwód.
Do analizy tego obwodu wykorzystamy standardowe metody. Zaczniemy od rozpisania jednego z praw Kirchhoffa. Chodzi o drugie prawo, które pozwoli nam znaleźć postać równania obwodu. Rozpoczynamy od dolnego lewego końca obwodu i poruszamy się zgodnie z ruchem wskazówek zegara.
Równanie w postaci całkowej nie jest najłatwiejsze w użyciu. Pozbędziemy się jej, biorąc pochodną z każdego wyrazu w równaniu.
Po przeprowadzeniu tej operacji, zostajemy z drugą pochodną wyrazu zawierającego , z wyrazu zawierającego pozbywamy się całki, a po prawej stronie równania nadal mamy .
Zapis jest czytelniejszy, gdy w pierwszym wyrazie nie występuje żaden stały współczynnik. Podzielimy więc obie strony przez . Otryzmane równanie opisuje istotę działania naszego obwodu.
Postulujemy rozwiązanie
Rozwiązując układy pierwszego rzędu, i , zgadliśmy eksponencjalną postać równania na . Metody zgadywania możemy użyć również w przypadku równania drugiego rzędu. Wymagania stawiane przez równanie drugiego rzędu są podobne: funkcja będąca rozwiązaniem ma mieć taką postać, by ona i jej pochodna sumowały się do . Funkcja eksponencjalna spełnia ten warunek. Postulujemy więc rozwiązanie w postaci eksponencjalnej z kilkoma parametrami:
Podstawmy teraz postulowaną funkcję do równania różniczkowego. W ten sposób sprawdzimy, czy jest ono spełnione.
Zacznijmy od pierwszego wyrazu, który musimy dwukrotnie zróżniczkować. Pierwsza pochodna wynosi:
Druga pochodna tego samego wyrazu jest równa:
Teraz wstawimy wyznaczoną drugą pochodną z powrotem do naszego równania:
Wyciągniemy wyrażenie przed nawias:
Na ile sposobów możemy sprawić, by równanie było spełnione?
Po pierwsze, . Otrzymujemy mało interesujące równanie, .
Drugi człon, , nie osiągnie zerowej wartości w skończonym czasie.
Po trzecie mamy człon ( , który możemy przyrównać do by otrzymać coś bardziej interesującego:
Powyższe równanie nazywamy równaniem charakterystycznym obwodu.
Chcemy wyznaczyć pierwiastki równania, czyli takie wartości dla których lewa strona równania wynosi zero.
Patrz uważnie na to, co się zaraz stanie. Weźmiemy pierwiastek z ujemnej liczby, tworząc liczbę urojoną.
W elektrotechnice na oznaczenie jednostki urojonej ( ) używamy litery . jest już zajęte przez natężenie prądu.
Dla uproszczenia wprowadzamy oznaczenie na czynnik z pierwiastkiem:
Wyrazimy przez pierwiastki równania charakterystycznego:
To dopiero! Układ posiada dwie zespolone częstości naturalne i . W dodatku jedna z nich jest ujemna. Pozwoli nam to na wyciągnięcie bardzo interesujących wniosków.
Zarówno jak i jest pierwiastkiem naszego równania. W postulowanym rozwiązaniu musimy uwzględnić obie częstości i . Ogólne rozwiązanie zapiszemy więc jako liniową kombinację dwóch wyrazów z dwoma przestrajalnymi parametrami .
Bardzo możliwe, że w tej chwili myślisz sobie, "Zespolone wykładniki? Ujemne częstości? Czy to dzieje się naprawdę?" Odpowiedź brzmi - tak. Nie zniechęcaj się więc podczas dalszej pracy nad przekształceniami tego wyrażenia.
Tożsamości Eulera
Do rozpisania zespolonej funkcji wykładniczej posłuży nam ważna zależność.
Posiłkując się rozwinięciem Maclaurina dla , i , możliwe jest wyprowadzenie poniższych tożsamości Eulera:
Oglądając podlinkowany film będziemy mieli na uwadze, że za każdym razem kiedy Sal wspomina o , ma na myśli nasze .
Tożsamości te pozwalają nam zmienić specyficzne wyrażenie w postaci do urojonej potęgi w zwykłą liczbę zespoloną. Część rzeczywista i urojona wyraża się przez kosinus i sinus jakichś liczb. Zatem ich wartości muszą leżeć między a .
Zastosowanie tożsamości Eulera
Zastosujemy tożsamości Eulera do postulowanego rozwiązania.
Po wymnożeniu wszystkich stałych:
oraz zebraniu razem wyrazów z kosinusami i sinusami:
Nie wiemy ile wynosi ani , ani , ani ich suma albo różnica. Nie widać więc przeszkód, by nieznane zastąpić nieznanymi , upraszczając tym samym zapis:
Niech i ). Wtedy wynosi:
Udało nam się posłużyć tożsamościami Eulera by przekształcić wyrażenie zawierające funkcje wykładnicze zmiennych zespolonych w sumę funkcji trygonometrycznych. Po raz pierwszy w elektrotechnice zetknęliśmy się z wyrażeniem w którym zmienna czasowa znajduje się pod funkcją typu sinus albo kosinus (w przebiegu sinusoidalnym).
(Zwróć uwagę, że nasza definicja , czyli zawiera , które nie pojawia się wprost w postulowanym rozwiązaniu.)
Sprawdzenie postulowanego rozwiązania
Teraz sprawdzimy postulowane rozwiązanie, wstawiając je do równania różniczkowego drugiego rzędu. Jeśli uda nam się tak dobrać wartości stałych współczynników, by równanie zostało spełnione, będziemy mieli zwycięzcę.
Znajdowanie warunków początkowych
Warunki początkowe dla naszego obwodu drugiego rzędu są nieco bardziej złożone niż dla obwodów pierwszego rzędu, na przykład albo , z którymi mieliśmy styczność wcześniej.
W tamtych sytuacjach wystarczyło zadać początkowe natężenie prądu albo napięcie. W obwodzie drugiego rzędu, jakim jest układ , zadać musimy dwie wartości: natężenie prądu oraz wartość jego pochodnej w chwili zamknięcia obwodu.
Zapiszmy wszystko, co wiemy na temat obwodu w chwili , czyli tuż przed zamknięciem obwodu:
- Obwód jest otwarty, więc
- Początkowe napięcie na kondensatorze jest określone i wynosi
.
Czas tuż po zamknięciu obwodu oznaczymy jako . Naszym celem jest znalezienie natężenia prądu i jego pochodnej w tej chwili, oraz .
Uzbrojeni w wiedzę o tym, jak zachowują się cewki i kondensatory, będziemy w stanie przejść z do :
- Natężenie prądu na cewce nie może zmieniać się w sposób natychmiastowych, więc
- Napięcie na kondensatorze nie może zmieniać się w sposób natychmiastowy, więc
(Po zamknięciu obwodu w obwodzie występuje tylko jedno napięcie . Od tej pory będziemy je oznaczać po prostu , z pominięciem indeksów.)
Znamy już wartość , ale jeszcze nie wiemy ile wynosi . Gdzie możemy znaleźć tę pochodną? Może w równaniu - cewki?
Określiliśmy zatem drugi warunek początkowy. Mówi on nam, że w chwili następującej po zamknięciu obwodu, szybkość zmiany natężenia prądu wynosi amperów na sekundę.
Warunki początkowe - podsumowanie
Wyznaczenie i z warunków początkowych
Użyjemy warunków początkowych, jednego po drugim, aby znaleźć wartości stałych. Pierwszy warunek początkowy mówi, że w chwili . Zobaczmy co dostaniemy po podstawieniu go do równania:
Podobnie postąpimy z , posiłkując się drugim warunkiem początkowym. Pochodna po w wynosi:
Przyrównamy to do pochodnej postulowanego :
Po podstawieniu otrzymujemy:
Wyrazimy przez i , otrzymując:
Nasza ciężka praca jest zwieńczona znalezieniem równania na natężenie prądu w zależności od czasu:
Rozwiązanie dla rzeczywistych elementów obwodu
Aby uwidocznić postać rozwiązania, elementom obwodu przypiszemy określone parametry - henr i farada. Przyjmijmy, że początkowe napięcie na kondensatorze wynosi .
Częstość naturalna, , wynosi:
Natężenie prądu w funkcji czasu wynosi:
W chwili zamknięcia obwodu, pojawia się w nim prąd:
Natężenie prądu przybiera sinusoidalny przebieg, który trwa w nieskończoność. W naszym wyidealizowanym obwodzie nie ma wszak opornika, który mógłby rozpraszać energię. W rzeczywistym obwodzie, obecność niewielkich oporów doprowadziłaby do stopniowego rozproszenia energii.
Częstość naturalna fali sinusoidalnej wynosi . Możemy dokonać przekształcenia z radianów na sekundę do liczby okresów na sekundę (wielkość ta wyrażana jest w hercach, ), wiedząc że pełen okres funkcji sinus wynosi radianów. Do oznaczenia liczby okresów na sekundę zwykle używany jest symbol . Z częstością naturalną łączy się następującym równaniem:
Częstość naturalna wyrażona w liczbie okresów na sekundę, hercach, , wynosi więc:
Innymi słowy, natężenie prądu przechodzi przez cały okres w trakcie sekund.
Szybkie spojrzenie na warunki początkowe
Jeśli zbliżymy się do początku układu współrzędnych, możemy zobaczyć jak warunki początkowe wpłynęły na nasze rozwiązanie. Fala sinusoidalna zaczyna się w początku układu, . Zwróć uwagę, jak blisko nachylenie przebiegu niebieskiej funkcji sinus pokrywa się z nachyleniem prostej oznaczającej warunek początkowy .
Napięcie,
Po znalezieniu wyrażenia na natężenie prądu, spróbujemy zmierzyć się z ostatnim wyzwaniem - rozwiązaniem na napięcie, .
Znajdźmy wyrażenie na po zamknięciu obwodu.
Możliwe, że najszybszym sposobem jest użycie równania - cewki po to, by znaleźć zależność od .
Podsumowanie
Udało nam się wyprowadzić odpowiedź naturalną układu . Pierwszym krokiem było zbudowanie jednorodnego równania różniczkowego drugiego rzędu:
Następnie założyliśmy rozwiązanie w postaci , co doprowadziło nas do równania charakterystycznego naszego obwodu:
Znajdując pierwiastki równania charakterystycznego, natknęliśmy się na bardzo dziwne wyrażenie: , funkcję wykładniczą zmiennej zespolonej. Wyciągnęliśmy wtedy nasze asy z rękawa:
Tożsamości Eulera
Powyższe tożsamości pozwalają nam na wyrażenie funkcji wykładniczej zmiennej zespolonej jako kombinacji liniowej funkcji sinus i kosinus. (W elektrotechnice na oznaczenie jednostki urojonej, , zwykliśmy używać litery ).
W kolejnym kroku przyjrzeliśmy się uważnie obwodowi po to, by znaleźć warunki początkowe. Mając do uwadze, że rozważamy układ drugiego rzędu, wyznaczyliśmy początkowe i .
Znaleźliśmy funkcję , która spełnia nasze równanie różniczkowe:
(To rozwiązanie ma zastosowanie, gdy założymy, że początkowe natężenie prądu na cewce wynosi .)
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji