Spoel transiente respons begrijpen: energie, stroom en spanningsdynamica

Spoels slaan energie op in een magnetisch veld gegenereerd door stroomstroom, het directe tegenovergestelde van condensators, die energie opslaan in een elektrisch veld gecreëerd door spanning over twee platen. Deze magnetische opslag zorgt ervoor dat een spoel veranderingen in stroom weerstaat, terwijl een condensator veranderingen in spanning weerstaat.

Wanneer een spoel initieel onbeenergiseerd is - geen magnetisch veld en nul stroom - zorgt het aanleggen van een spanningsbron ervoor dat het zich gedraagt als een open circuit. Het probeert de stroom op nul te houden, dus de volledige bronspanning verschijnt over zijn terminalen.

Naarmate de tijd vordert, stijgt de spoel zijn stroom naar de maximale waarde toegestaan door het circuit, en daalt de spanning over zijn terminalen overeenkomstig. Eenmaal de terminalspanning nul benadert (ideaal geval), wordt de spoel essentieel een kortsluiting, de volledige stroom geleidend met verwaarloosbare spanningsval.

Wanneer de schakelaar voor het eerst gesloten wordt, is de spoelspanning direct gelijk aan de batterijspanning, aangezien de spoel zich gedraagt als een open circuit. Over tijd daalt deze spanning naar nul, terwijl de stroom klimt naar zijn steady-state waarde. De spoelspanning wordt gevonden door de weerstand zijn spanningsval (I·R) van de batterijspanning af te trekken.

In een serie R-L circuit met een 15 V batterij en een 1 Ω weerstand, begint de stroom bij 0 A en benadert asymptotisch 15 A. De volgende tabel demonstreert het tijdsafhankelijke gedrag met echte waarden:

Net als het RC geval, daalt de spoelspanning asymptotisch naar nul terwijl de stroom asymptotisch naar 15 A stijgt. Voor praktische doeleinden kan de spanning als nul beschouwd worden en de stroom effectief op zijn maximum na een paar tijdconstanten.

Met SPICE kan de transiente respons duidelijker gevisualiseerd worden. De volgende plot toont de snelle initiële daling in spanning en de corresponderende stijging in stroom, wat dan uiteenloopt naarmate de tijd vordert.

Herhaling:

• Een volledig onbeenergiseerde spoel gedraagt zich initieel als een open circuit, dan overgaat naar een kortsluiting eenmaal volledig beenergiseerd.
• In een R-L oplaadcircuit neemt de spoelstroom toe van nul naar zijn eindwaarde terwijl de spanning afneemt van maximum naar nul, met de meest snelle veranderingen eerst en vertragend naar de asymptoot.

Gerelateerde werkbladen:

• Tijdconstante Circuits Werkblad
• Tijdconstante Berekeningen Werkblad