1. Metoda równań różniczkowych w analizie stanów nieustalonych w obwodach

1.4. Prawo komutacji dotyczące cewek

Suma strumieni skojarzonych cewek należących do danego oczka nie może ulec skokowej zmianie na skutek przełączenia w obwodzie, co można zapisać w postaci (w równaniu przyjęto, że komutacja zachodzi w chwili t0=0)

\(\sum_{i}{\Psi_i(0^-)}=\sum_{i}{\Psi_i(0^+)}\) (1.3)

Jeśli w wyniku przełączenia nie powstają węzły (dokładniej rozcięcia [5]) do których dołączone są wyłącznie same cewki i źródła prądowe to biorąc pod uwagę, że \(\Psi=L{i_L}\) prawo ciągłości strumieni może być uproszczone do ciągłości prądu cewek, co zapiszemy w postaci

\(i_L(0^-)=i_L(0^+)\) (1.4)

Jest to najczęściej w praktyce używana postać pierwszego prawa komutacji w odniesieniu do cewki.

Należy zaznaczyć, że prawa komutacji dotyczą wyłącznie prądu (strumienia) cewki i napięcia (ładunku) kondensatora. Inne wielkości związane z tymi elementami (prąd kondensatora, napięcie cewki) jak również prąd i napięcie na rezystorze nie są związane bezpośrednio zależnościami energetycznymi i mogą zmieniać się w sposób skokowy podczas komutacji. Wartości jakie przybierają tuż po komutacji wynikają bądź z praw Kirchhoffa bądź z prawa Ohma.

Przy założeniu, że chwilę komutacji uważać będziemy za chwilę początkową analizy obwodu w stanie nieustalonym (\(t_0=0\)) istotnym problemem w analizie obwodu jest wyznaczenie warunków początkowych procesu, czyli wartości napięć na kondensatorach i prądów cewek w chwili przełączenia (u nas \(i_L(0^-)\) oraz \(u_C(0^-)\)). Zwykle przyjmuje się, że przełączenie następuje ze stanu ustalonego obwodu. Warunki początkowe wynikają wówczas z wartości ustalonych tych wielkości w chwili tuż przed przełączeniem \(t_0=0^-\). Warunki początkowe mogą być przy tym zerowe, jeśli prądy wszystkich cewek i napięcia wszystkich kondensatorów w chwili przełączenia miały wartości zerowe. Znajomość warunków początkowych w obwodzie jest niezbędna przy wyznaczaniu rozwiązania obwodu w stanie nieustalonym.

Wyznaczenie stanu początkowego napięcia kondensatora i prądu cewki w obwodzie sprowadza się do

  • rozwiązania stanu ustalonego obwodu przed przełączeniem (przy wymuszeniach sinusoidalnych metodą symboliczną),
  • określenia postaci czasowej tego rozwiązania dla prądu cewki \(i_L(t)\) i napięcia kondensatora \(u_C(t)\) 
  • wyznaczenia wartości tego rozwiązania odpowiadającego chwili czasowej przełączenia (u nas \(i_L(0^-)\) oraz \(u_C(0^-)\)).