Obwody RL

14.4 Obwody RL

Cel dydaktyczny

W tym podrozdziale nauczysz się:
  • analizować obwody zawierające cewkę indukcyjną i opornik połączone szeregowo;
  • opisywać, jak prąd i napięcie zmieniają się wykładniczo w zależności od warunków początkowych.

Obwód posiadający opór i indukcyjność własną nazywamy w skrócie obwodem RL. Ilustracja 14.12 (a) przedstawia tego rodzaju obwód z następującymi elementami: opornikiem, cewką indukcyjną, baterią generującą stałą SEM oraz dwoma przełącznikami S 1 S 1 i S 2 S 2 . Przy zamkniętym przełączniku S 1 S 1 otrzymujemy obwód zawierający wszystkie elementy połączone szeregowo: baterię, cewkę i opornik, natomiast przy zamkniętym S 2 S 2 (i otwartym S 1 S 1 ) mamy obwód z odłączoną baterią. Te dwie sytuacje przedstawione są na Ilustracji 14.12 (b) i (c).

Rysunek (a) pokazuje opornik R i cewkę L połączone szeregowo z dwoma otwartymi przełącznikami leżącymi wobec siebie równolegle. Oba przełączniki są otwarte. Zamknięcie przełącznika S1 uruchamia połączenie szeregowe z R i L i baterią, której terminal dodatni skierowany jest ku L. Zamykając przełącznik S2 zamykamy obieg R i L z baterią. Rysunek (b) pokazuje zamknięty obwód z R, L i baterią w połączeniu szeregowym. Strona L skierowana ku baterii ma potencjał dodatni. Prąd płynie od końcówki dodatniej L ku ujemnej. Rysunek (c) pokazuje połączone szeregowo R i L. Potencjał poprzez L jest skierowany odwrotnie, ale prąd biegnie w tym samym kierunku, jak na rysunku (b).
Ilustracja 14.12 Obwód RL z przełącznikami S 1 S 1 i S 2 S 2 . Przedstawione są obwody otrzymane przez (b) zamknięcie S 1 S 1 i pozostawienie S 2 S 2 otwartym, (c) zamknięcie S 2 S 2 i pozostawienie S 1 S 1 otwartym.

W momencie zamknięcia S 1 S 1 bateria zaczyna generować prąd płynący przez obwód. Gdybyśmy pominęli indukcyjność własną obwodu, natężenie natychmiast wzrosłoby do stałej wartości ε ∕ R ε∕R. W opisywanej sytuacji w obwodzie pojawia się jendak dodatkowa SEM uL⁡t=−L⋅di⁡t∕dtuL⁡t=−L⋅di⁡t∕dt u_L \apply (t) = - L \cdot \d i\apply (t) / \d t, przeciwdziałająca nagłej zmianie prądu zgodnie z regułą Lenza. W rezultacie i⁡ti⁡t i \apply (t) początkowo jest równe zero, a następnie rośnie asymptotycznie do wartości końcowej. Na mocy prawa Kirchoffa możemy zapisać

ε−L⁢didt−i⁢R=0⁢.ε−L⁢didt−i⁢R=0⁢. \epsilon - L \frac{\d i}{\d t} - i R = 0 \text{.}
14.23

Jest to równanie różniczkowe pierwszego rzędu ze względu na I ⁢ t I⁢ t . Zauważmy jego podobieństwo do równania wyprowadzonego wcześniej dla obwodu RC (Obwody RC). Równanie 14.23 może być rozwiązane w analogiczny sposób, zastępując człony pojemnościowe indukcyjnymi, co da nam

i ⁢ t = ε R ⁢ 1 − e − R ⁢ t ∕ L = ε R ⁢ 1 − e − t ∕ τ L ⁢ , i ⁢ t = ε R ⁢ 1 − e − R ⁢ t ∕ L = ε R ⁢ 1 − e − t ∕ τ L ⁢ ,
14.24

gdzie

τL=LRτL=LR \tau_L = \frac{L}{R}
14.25

jest stałą czasową obwodu RL (ang. inductive time constant).

Zależność i ⁢ t i⁢ t wykreślona jest na Ilustracji 14.13 (a). Zaczyna się w zerze, a kiedy t ⟶ ∞ t⟶∞ dąży asymptotycznie do ε ∕ R ε∕R. Indukowana SEM u L ⁢ t u L ⁢ t jest wprost proporcjonalna do d i ∕ d t d i ∕ d t , czyli nachylenia krzywej i ⁢ t i⁢ t . Wobec tego indukowana SEM zbiega w granicy bardzo długiego czasu do zera, a obwód staje się równoważny opornikowi podłączonemu do źródła SEM.

Rysunek (a) przedstawia wykres prądu elektrycznego l w zależności od czasu t. Aktualnie wzrasta wraz z czasem krzywej, która wyrównuje się przy epsilon I R. W t równym tau ze znakiem L wartość I wynosi 0,63 epsilon I R. Rysunek (b) pokazuje wykres wielkości indukowanego napięcia, z wartością bezwzględną V ze znakiem L, w stosunku do czasu t. Wartość V ze znakiem L startuje od wartości epsilon i opada z czasem wzdłuż krzywej osiągając zero. W t równym tau ze znakiem L, wartość I wynosi 0,37 epsilon.
Ilustracja 14.13 Wykresy w funkcji czasu: (a) natężenia prądu i (b) SEM indukowanej w obwodzie przedstawionym na Ilustracji 14.12 (b).

Energia zmagazynowana w polu magnetycznym cewki jest równa

u B = 1 2 ⁢ L ⁢ I 2 ⁢ . u B = 1 2 ⁢ L ⁢ I 2 ⁢ .
14.26

Maksymalna wartość zmagazynowanej energii wynosi L ⁢ ε ∕ R 2 ∕ 2 L ⁢ ε ∕ R 2 ∕2 przy maksymalnym natężeniu wynoszącym ε ∕ R ε∕R.

Stała czasowa τ L τ L mówi nam o szybkości wzrostu natężenia prądu do jego końcowej wartości. Natężenie prądu w czasie t = τ L t= τ L wyliczymy z Równania 14.24

i ⁢ τ L = ε R ⁢ 1 − e −1 = 0,63 ⁢ ε R ⁢ . i ⁢ τ L = ε R ⁢ 1 − e −1 = 0,63 ⁢ ε R ⁢ .
14.27

Wynosi ono 63 ⁢ % 63⁢% końcowej wartości ε ∕ R ε∕R. Im mniejsza stała czasowa τ L = L ∕ R τ L = L ∕ R , tym szybsze są te zmiany.

Zmienność w czasie indukowanej przez cewkę SEM możemy znaleźć, korzystając z tego, że u L ⁢ t = − L ⋅ d I ∕ d t u L ⁢ t = − L ⋅ d I ∕ d t i z Równania 14.24

u L ⁢ t = − L ⁢ d I d t = − ε ⁢ e − t ∕ τ L ⁢ . u L ⁢ t = − L ⁢ d I d t = − ε ⁢ e − t ∕ τ L ⁢ .
14.28

Jej wartość w zależności od czasu przedstawiona jest na Ilustracji 14.13 (b). W chwili zamknięcia S 1 S 1 i otwarcia S 2 S 2 , SEM ma maksymalną wartość ε ε, gdyż d I ∕ d t d I ∕ d t jest wtedy największe. Następnie układ zbiega do stanu ustalonego, kiedy natężenie prądu przestaje się zmieniać. Wtedy też indukowana SEM zbiega do zera. Stała czasowa obwodu określa szybkość tych zmian. W chwili t = τ L t= τ L wielkość indukowanej SEM wynosi

u L ⁢ τ L = ε ⁢ e −1 = 0,37 ⁢ ε = 0,37 ⁢ u L ⁡ 0 ⁢ s ⁢ . u L ⁢ τ L = ε ⁢ e −1 = 0,37 ⁢ ε = 0,37 ⁢ u L ⁡ 0 ⁢ s ⁢ .
14.29

Po upływie czasu równego jednej stałej czasowej indukowane napięcie wynosi więc 37 ⁢ % 37⁢% wartości początkowej. Im mniejsza stała czasowa, tym wyższa szybkość tych zmian.

Po pewnym czasie natężenie prądu osiągnie w przybliżeniu swoją końcową wartość. W tym momencie zmieniamy pozycję obu przełączników, w efekcie otrzymując obwód przedstawiony na Ilustracji 14.12 (c). Prąd płynący w obwodzie ma wtedy natężenie i ⁢ 0 ⁢ s = ε ∕ R i ⁢ 0 ⁢ s = ε ∕ R . Z prawa Kirchoffa zapiszemy

i ⁢ R + L ⁢ d i d t = 0 ⁢ V ⁢ . i ⁢ R + L ⁢ d i d t = 0 ⁢ V ⁢ .
14.30

Rozwiązanie tego równania przebiega podobnie jak dla rozładowującego się kondensatora. Natężenie prądu w chwili t t zapisuje się równaniem

i ⁢ t = ε R ⁢ e − t ∕ τ L ⁢ . i ⁢ t = ε R ⁢ e − t ∕ τ L ⁢ .
14.31

Początkowo natężenie i ⁢ 0 ⁢ s = ε ∕ R i ⁢ 0 ⁢ s = ε ∕ R , a następnie zanika, podczas gdy zużywana jest energia zmagazynowana na cewce indukcyjnej (Ilustracja 14.14). Zależność indukowanego SEM od czasu wynosi

u L ⁢ t = ε ⁢ e − t ∕ τ L ⁢ . u L ⁢ t = ε ⁢ e − t ∕ τ L ⁢ .
14.32

Początkowa SEM wynosi u L ⁡ 0 ⁢ s = ε u L ⁡ 0 ⁢ s =ε i zbiega do zera, podobnie jak natężenie prądu i energia pola magnetycznego cewki L ⁢ I 2 ∕ 2 L ⁢ I 2 ∕2, która rozpraszana jest na oporze w postaci ciepła Joule’a.

Wykres l w stosunku do t. Wartość l na t równym zero do 0 wynosi epsilon I R. I spada w czasie wzdłuż krzywej osiągającej 0. Na t równym tau ze znakiem L, wartość l wynosi 0,37 epsilon I R.
Ilustracja 14.14 Zachowanie się natężenia prądu w obwodzie RL przedstawionym na Ilustracji 14.12 (c). Indukowana SEM również zanika wykładniczo.

Przykład 14.4

Obwód RL ze źródłem SEM

Rozważmy obwód przedstawiony na Ilustracji 14.12 (a) z ε = 2 ⁢ V ε= 2 ⁢ V , R = 4 ⁢ Ω R= 4 ⁢ Ω i L = 4 ⁢ H L= 4 ⁢ H . Przy zamkniętym przełączniku S 1 S 1 i otwartym S 2 S 2 – Ilustracja 14.12 (b).
  1. Ile wynosi stała czasowa obwodu?
  2. Ile wynosi natężenie prądu w obwodzie i wielkość SEM indukowanej w cewce w chwilach czasu t = 0 ⁢ s t= 0 ⁢ s , t = 2 ⁢ τ L t= 2 ⁢ τ L oraz t ⟶ ∞ t⟶∞?

Strategia rozwiązania

Stała czasowa może być obliczona z Równania 14.25. Natężenie prądu płynącego przez cewkę indukcyjną i indukowana SEM znaleziona będzie z Równania 14.24 i Równania 14.32.

Rozwiązanie

  1. Stała czasowa dla tego obwodu wynosi
    τ L = L R = 4 ⁢ H 4 ⁢ Ω = 1 ⁢ s ⁢ . τ L = L R = 4 ⁢ H 4 ⁢ Ω = 1 ⁢ s ⁢ .
  2. Natężenie prądu w obwodzie rośnie zgodnie z Równaniem 14.24
    i ⁢ t = ε R ⁢ 1 − e − t ∕ τ L ⁢ . i ⁢ t = ε R ⁢ 1 − e − t ∕ τ L ⁢ .
    W chwili t = 0 ⁢ s t= 0 ⁢ s
    1−e−t∕τL=1−1=0⇒i⁡0⁢s=0⁢A⁢.1−e−t∕τL=1−1=0⇒i⁡0⁢s=0⁢A⁢. 1 - e^{-t/\tau_L} = 1-1 = 0 \implies i\apply (\SI{0}{\second}) = \SI{0}{\ampere} \text{.}
    W chwili t = 2 ⁢ τ L t= 2 ⁢ τ L
    i ⁢ 2 ⁢ τ L = ε R ⁢ 1 − e −2 = 0,5 ⁢ A ⋅ 0,86 = 0,43 ⁢ A ⁢ . i ⁢ 2 ⁢ τ L = ε R ⁢ 1 − e −2 = 0,5 ⁢ A ⋅ 0,86 = 0,43 ⁢ A ⁢ .
    Natomiast w t ⟶ ∞ t⟶∞
    i ⁢ t ⟶ ∞ = ε R = 0,5 ⁢ A ⁢ . i ⁢ t ⟶ ∞ = ε R = 0,5 ⁢ A ⁢ .
    Wartość indukowanej SEM maleje zgodnie z Równaniem 14.32
    u L ⁢ t = ε ⁢ e − t ∕ τ L ⁢ . u L ⁢ t = ε ⁢ e − t ∕ τ L ⁢ .
    W chwilach czasu t = 0 ⁢ s t= 0 ⁢ s , t = 2 ⁢ τ L t= 2 ⁢ τ L i t ⟶ ∞ t⟶∞ otrzymujemy
    uL⁡0⁢s=ε=2⁢V⁢,uL⁡2⁢τL=ε⁢e-2=0,27⁢V⁢,uL⁡t⟶∞=0⁢V⁢.uL⁡0⁢s=ε=2⁢V⁢,uL⁡2⁢τL=ε⁢e-2=0,27⁢V⁢,uL⁡t⟶∞=0⁢V⁢. \begin{align} \abs{u_L \apply (\SI{0}{\second})} &= \epsilon = \SI{2}{\volt} \text{,} \\ \abs{u_L \apply (2\tau_L)} &= \epsilon e^{-2} = \SI{0,27}{\volt} \text{,} \\ \abs{u_L \apply (t \to \infty)} &= \SI{0}{\volt} \text{.} \end{align}

Znaczenie

Jeśli odstęp czasowy między pomiarami jest znacznie większy od stałej czasowej, nie zaobserwujemy wykładniczego zaniku albo wzrostu napięcia na cewce indukcyjnej i oporniku. Tak jak przedstawiono to na Ilustracji 14.15, mierzone napięcia szybko osiągają końcowe wartości.
Rysunki (a), (b) i (c) przedstawiają oscyloskopowe ślady napięcia w stosunku do czasu, napięcia na źródle, napięcia na induktorze i odpowiednio napięcia na oporniku. Rysunek (a) jest prostokątną krzywą o różnych wartościach od minus 12 woltów do plus 12 woltów z okresem od minus 10 ms do minus 0.001 ms. Rysunek (b) przedstawia prostokątną krzywą o różnych wartościach od minus 6 woltów ze szpicem 16 woltów na początku każdego grzebienia i szpicem minus 16 woltów na początku każdej niecki. Okres jest taki sam jak na rysunku (a). Rysunek (c) przedstawia prostokątną krzywą o różnych wartościach od minus 0,3 do plus 0.3 woltów, ze szpicami wychodzącymi poza obszar ze śladami w kierunku dodatnim na początku każdego grzebienia i niecki. Okres fali jest od minus 9.985 do plus 0.015 ms.
Ilustracja 14.15 Jako źródło prądu do obwodu RL przyłączono generator napięcia prostokątnego. Na wykresach przedstawione jest zachowanie w czasie (a) napięcia źródła, (b) napięcia na cewce indukcyjnej, (c) napięcia na oporniku.

Przykład 14.5

Obwód RL bez źródła SEM

Po osiągnięciu przez obwód z Przykładu 14.4 stanu ustalonego pozycja obu przełączników jest odwrócona i otrzymujemy obwód z wypiętą baterią – Ilustracja 14.12 (c).
  1. Po jakim czasie natężenie prądu spadnie do połowy początkowej wartości?
  2. Po jakim czasie energia zmagazynowana w polu magnetycznym cewki indukcyjnej spadnie do 1 ⁢ % 1⁢% wartości maksymalnej?

Strategia rozwiązania

Na oporze występującym w obwodzie rozpraszana będzie energia prądu, więc jego natężenie będzie teraz malało wykładniczo. W punktach (a) i (b) skorzystamy z tego samego wyrażenia na i ⁢ t i⁢ t , najpierw bezpośrednio wyliczając natężenie, a potem podstawiając do wyrażenia na energię zmagazynowaną w cewce.

Rozwiązanie

  1. Po zmianie pozycji przełączników natężenie prądu zanika zgodnie z równaniem
    i⁡t=εR⁢e−t∕τL=i⁡0⁢s⁢e−t∕τL⁢.i⁡t=εR⁢e−t∕τL=i⁡0⁢s⁢e−t∕τL⁢.
    W szukanym czasie natężenie prądu wynosi połowę początkowej wartości
    i⁡t=0,5⋅i⁡0⁢s⇒e−t∕τL=0,5⁢,i⁡t=0,5⋅i⁡0⁢s⇒e−t∕τL=0,5⁢, i\apply (t) = \num{0,5} \cdot i\apply (\SI{0}{\second}) \implies e^{-t/\tau_L} = \num{0,5}\text{,}
    więc
    t=−ln0,5⋅τL=0,69⋅1⁢s=0,69⁢s⁢,t=−ln0,5⋅τL=0,69⋅1⁢s=0,69⁢s⁢,
    gdzie skorzystaliśmy ze stałej czasowej obliczonej w poprzednim przykładzie.
  2. Energia zmagazynowana w cewce indukcyjnej wynosi
    E L ⁢ t = 1 2 ⁢ L ⋅ i ⁢ t 2 = 1 2 ⁢ L ⋅ ε R ⋅ e − t ∕ τ L 2 = L ⁢ e 2 2 ⁢ R 2 ⋅ e − 2 ⁢ t ∕ τ L ⁢ . E L ⁢ t = 1 2 ⁢ L ⋅ i ⁢ t 2 = 1 2 ⁢ L ⋅ ε R ⋅ e − t ∕ τ L 2 = L ⁢ e 2 2 ⁢ R 2 ⋅ e − 2 ⁢ t ∕ τ L ⁢ .
    Energia spada do 1⁢%1⁢% \SI{1}{\percent} wartości początkowej, otrzymujemy więc
    EL⁡t=0,01⋅EL⁡0⁢s⁢ lub ⁢L⁢e22⁢R2⁢e−2⁢t∕τL=0,01⋅L⁢e22⁢R2⁢.EL⁡t=0,01⋅EL⁡0⁢s⁢ lub ⁢L⁢e22⁢R2⁢e−2⁢t∕τL=0,01⋅L⁢e22⁢R2⁢.
    Po skróceniu i zlogarytmowaniu obu stron ostatniego równania otrzymujemy
    −2⁢tτL=ln0,01⁢,−2⁢tτL=ln0,01⁢,
    zatem
    t=12⁢τL⁢ln0,01⁢.t=12⁢τL⁢ln0,01⁢.
    Skoro τ L = 1 ⁢ s τ L = 1 ⁢ s , to energia zmagazynowana w cewce osiągnie 1 ⁢ % 1⁢% początkowej wartości po czasie
    t=−12⋅1⁢s⋅ln0,01=2,3⁢s⁢.t=−12⋅1⁢s⋅ln0,01=2,3⁢s⁢.

Znaczenie

W obliczeniach przyjęliśmy, że przed przełączeniem przełączników S 1 S 1 i S 2 S 2 w obwodzie (b) ustaliła się maksymalna wartość natężenia prądu. W przeciwnym razie początkowe natężenie byłoby niższe i zanikałoby według tego samego równania.

Sprawdź, czy rozumiesz 14.7

Wykaż, że R ⁢ C R⁢C i L ∕ R L∕R mają wymiar czasu.

Sprawdź, czy rozumiesz 14.8

  1. Ile wynosi stała czasowa obwodu z Ilustracji 14.12 (b), jeśli po czasie 5 ⁢ s 5⁢s natężenie rośnie do 90 ⁢ % 90⁢% maksymalnej wartości?
  2. Ile wynosi indukcyjność własna cewki, jeśli R = 20 ⁢ Ω R= 20 ⁢ Ω ?
  3. Po jakim czasie natężenie osiągnie 90 ⁢ % 90⁢% maksymalnej wartości, jeśli R R zwiększy się z 20 ⁢ Ω 20⁢Ω do 100 ⁢ Ω 100⁢Ω?

Sprawdź, czy rozumiesz 14.9

Wykaż, że po ustaleniu się stanu obwodu z Ilustracji 14.12 (b) różnica całkowitej energii wytworzonej przez baterię i rozproszonej na oporniku równa będzie energii zmagazynowanej w polu magnetycznym cewki.