При последовательном соединении
сопротивления R, катушки индуктивности L и конденсатора С образуется
электрический R-L-C контур (рис. 8.9).
Дифференциальное уравнение для тока в контуре
.
После дифференцирования
по t и деления на L получим
. (8.4)
Решение уравнения (8.4) равно сумме принужденной и свободной
составляющих
.
В нашем случае принужденная составляющая переходного
тока равна нулю, так как в схеме имеется емкость, являющаяся разрывом
цепи для постоянного тока.
Рис. 8.9
Свободная составляющая является
общим решением уравнения
. (8.5)
Пусть
, ,
.
После подстановки этих выражений
в уравнение (8.5) получим характеристическое уравнение
.
Характеристическое уравнение
имеет два корня
,
где
- коэффициент затухания;
- угловая резонансная частота контура без потерь.
Получим
.
Вид корней зависит от отношения
,
где
- характеристическое или волновое сопротивление контура;
- добротность контура.
Колебательный режим
Наиболее важен часто встречающийся
случай, когда корни P1,2 - комплексные сопряженные с отрицательной
вещественной частью, свободная составляющая имеет вид затухающих колебаний.
В этом случае
,
, ,
,
где -
угловая частота собственных колебаний в контуре;
- период собственных колебаний.
Ток в цепи
, (8.6)
где А и φ - постоянные
интегрирования.
До коммутации ток в индуктивности
равен нулю, сразу после коммутации остается равным нулю
.
Чтобы определить две постоянные
интегрирования, необходимо иметь два начальных условия и составить два
уравнения. Напряжение на индуктивности
. (8.7)
где
- напряжение на индуктивности в момент коммутации, является зависимым
начальным условием. Составим уравнение по второму закону Кирхгофа для
момента коммутации, чтобы определить зависимое начальное условие .
.
До коммутации конденсатор
был не заряжен, поэтому
.
Подставляя в (8.6) и (8.7) t =
0 и используя независимое и зависимое начальные условия, получим систему
уравнений
(8.8)
Решив систему (8.8), определим
.
На рис. 8.10 приведена кривая изменения тока в контуре
при подключении к нему источника постоянной ЭДС. Из рисунка видно, что
колебания в контуре затухают по показательному закону из-за потерь электрической
энергии в сопротивлении R. Затухание происходит тем медленнее, чем меньше
коэффициент затухания α .
Рис. 8.10
Постоянная времени переходного
процесса .
При малом коэффициенте затухания
величина ωС незначительно отличается от резонансной
частоты ω0.
Относительное затухание колебаний характеризуется
декрементом затухания, представляющим отношение мгновенных значений
тока через один период.
.
Натуральный логарифм этого
оператора носит название логарифмического декремента затухания
.
Для контура с небольшим
затуханием, когда
Апериодический режим в R-L-C контуре
наблюдается при большом затухании, когда .
В этом случае корни P1,2 вещественные, отрицательные, различные.
Свободный ток определяется
по формуле
. (8.9)
Напряжение на индуктивности
. (8.10)
Подставив в уравнение (8.9) и (8.10)
t = 0 и используя независимое и зависимое условия, получим систему уравнений
Решив эту систему, определим
постоянные интегрирования
.
Выражение для тока в контуре
состоит из положительной, медленно затухающей экспоненты
с коэффициентом затухания P1 и отрицательной, быстро затухающей
экспоненты P2 (рис. 8.11).
Ток получается неколебательным, он не принимает отрицательных
значений, то есть не меняет своего направления.
На границе между колебательным и апериодическим
режимом при
наблюдается предельный случай апериодического процесса.
Рис. 8.11