научная статья по теме ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ИМПЕДАНСА ВАРБУРГА Химия

Текст научной статьи на тему «ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ИМПЕДАНСА ВАРБУРГА»

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2ÜÜ9, том 45, № 7, с. 889-894

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 544.6.001.57:621.372.43

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ИМПЕДАНСА ВАРБУРГА

© 2009 г. Н. А. Секушин1

Институт химии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар 167982, Сыктывкар, ул. Первомайская, д. 48, Россия Поступила в редакцию 12.05.2008 г.

Обоснованы принципы построения максимально простой эквивалентной схемы импеданса Варбур-га, которые вытекают из свойств функции проводимости (ФП) и логарифмической функции проводимости (ЛФП) ^С-двухполюсников с сосредоточенными и распределенными параметрами. Показана возможность представления ФП в виде суммы однотипных слагаемых или в виде произведения сомножителей двух типов. Рассмотрены методы построения асимптотических ЛФП. На основе проведенного анализа выведены соотношения, позволяющие моделировать импеданс Варбурга двумя и тремя последовательными емкостными цепочками.

Ключевые слова: эквивалентная схема, математическая модель, двухполюсник, импеданс Варбурга, последовательная емкостная цепь, функция проводимости

ВВЕДЕНИЕ

При анализе эквивалентных схем электрохимических ячеек наибольшие трудности вызывают элементы с распределенными параметрами. Особенностью этих элементов является зависимость их импеданса от частоты. В работе [1] рассмотрено 8 типов элементов такого рода, среди которых наиболее известны элементы постоянной фазы (CPE). Частным случаем CPE является импеданс Варбурга, моделирующий электродный диффузионный процесс, который подчиняется второму закону Фика в виде дифференциального уравнения второго порядка в частных производных [2]. Системы с распределенными параметры широко распространены и в других разделах науки и техники [3]. Присутствие CPE в эквивалентной схеме затрудняет ее преобразование, поскольку этот элемент может быть смоделирован бесконечной цепочкой из резисторов и конденсаторов [1, 4]. В настоящей работе показано, как построить небольшую схему, имитирующую систему с распределенными параметрами в некотором заданном диапазоне частот.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЯС-ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Функция проводимости RC-двухполюсника

Ранее нами были выделены 4 вида ЯС-двухпо-люсников, среди которых элементарным является

1 Адрес автора для переписки: sekushin-na@chemi.komisc.ru (H.A. Секушин).

двухполюсник 4-го типа, так как он не имеет геометрической емкости и сквозной проводимости. Было получено выражение для функции проводимости (ФП) этого двухполюсника:

v( ) Yi(Р) fiP"-1 + f2P"-1 + ••• + fn

Y( P) = PY~(P') = P - " U 2 - 1-Г" ' (1)

Y 2 ( P ) bi P + b2P + • + b" + 1

где через Y1(p) и Y2(p) обозначены полиномы числителя и знаменателя; f1-fn, b1-bn +1 - константы (все они положительны); n - целое положительное число; р = ja - переменная пространства изображений [3, 5]; j - мнимая единица; ш - частота.

Было показано, что полиномы Y1(p) и Y2(p) имеют действительные отрицательные корни. Пусть корни числителя равны: -p1f, -р2, ..., -р(п_ 1)f, а корни знаменателя —р1а, -р2а, ..., -рпа. Тогда в соответствии с теоремой Безу оба полинома можно разбить на сомножители, и функция проводимости приобретает следующий вид:

Y( ) = f1( P + Р 1 f ) ( P + Р 2 f ) • ( P + Р (п - 1) f ) =

bi ( Р + Р1а )( Р + Р2а )•■■( Р + Рпа)

n -1

f П(P + Pif) (2)

bln( P + Pia) i = l

В теории технических систем такого рода функции принято записывать в стандартном виде [5, 6]:

П^+1)

У( Р) = Со р^

(3)

П( тр + 1)

г = 1

где т

Рг/

- постоянная времени 1-го форсирующе-

1

го звена; Т =--постоянная времени г-го аперио-

Р1

дического звена; С0 =

/1П" =-1 рц

- константа, рав-

У( р) = I

г = 1

СгР Т Р + 1'

(4)

где Сг и Тг - константы, являющиеся емкостью и постоянной времени г-й последовательной емкостной цепи (ПЕЦ), которая представляет собой последовательно соединенные емкость Сг и резистор Я г = Тг /С.

Зависимость (4) является монотонно растущей функцией, причем скорость роста максимальна при Р = 0. Тангенс угла наклона касательной к функции У(р) в этой точке составляет

-

Нш -

р ^ о ар

IС г = С0,

(5)

г = 1

=1 Рг ■

ная низкочастотной емкости ЯС-двухполюсника (при Р = 0).

Под узлом понимается устройство, имеющее один вход и один выход. В математическом плане

узел - это уравнение, связывающее две временнЫх функции, одну из которых принимают за входной сигнал, а вторую - за выходной. ЯС-двухполюсник можно также считать линейным узлом, на вход которого подается напряжение, а на выходе измеряется ток. Математической моделью линейного звена является его передаточная функция, которая, по определению, равна отношению изображения выходного сигнала к изображению входного сигнала [3, 7]. Отсюда следует, что ФП можно считать передаточной функцией ЯС-двухполюсника. Если передаточная функция разбивается на сомножители, то ее можно представить в виде цепочки последовательно соединенных элементарных звеньев, так как при последовательном соединении передаточные функции звеньев перемножаются [3, 7]. Таким образом, соотношение (3) можно интерпретировать, как передаточную функцию цепочки последовательно соединенных звеньев четырех типов: Щр = С0 - пропорциональное звено; ^ = Р - дифференцирующее звено; ^^ = тг Р + 1 - форсирующее звено; ^ = 1

= —-- - апериодическое звено 1-го порядка.

ТгР + 1

Ранее была доказана теорема о преобразовании ЯС-двухполюсника 4 типа, согласно которой ФП можно представить в виде суммы:

где С0 - низкочастотная емкость.

Эта особенность ЯС-двухполюсников позволяет отличать их от двухполюсников, имеющих в своей схеме индуктивности.

Логарифмическая функция проводимости ЯС-двухполюсника

Логарифмическая функция проводимости (ЛФП) представляет собой зависимость 18 У( р ) от 18 р. Определим максимальный тангенс угла наклона этой функции:

а ( 18 у ) а (18 р )

I ау

уа_ рау

1 аР Р

у ар у

< рСо < 1.

(6)

Несложно показать, что это неравенство будет выполняться для всех типов ЯС-двухполюсников. Предельное значение угла наклона в 45° будет наблюдаться только для конденсатора.

Таким образом, полученный результат можно сформулировать в виде следующего утверждения: ЛФП ЯС-двухполюсника не может иметь угол наклона, превышающий 45°.

Если прологарифмировать (2), то получим выражение для ЛФП ЯС-двухполюсника:

18 У (р) = 18 А + 18 р +

п-1

+ 118 (тр +1) + 118 [(Тр +1 )-1 ].

(7)

г = 1

г = 1

Таким образом, ЛФП равняется сумме логарифмических передаточных функций (ЛПФ) одного пропорционального, одного дифференцирующего, (п - 1) форсирующих и п апериодических звеньев.

Полезность ЛПФ связана с тем, что эти функции могут быть легко построены в приближенном асимптотическом виде [3, 7]. Для форсирующего и апериодического звеньев строят две асимптоты -низкочастотную и высокочастотную. Точка их пересечения называется точкой сопряжения. Для низкочастотной асимптоты берем р = 0. Видим, что для обоих звеньев ЛПФ равна нулю, асимптота совпадает с осью абсцисс. Теперь рассмотрим высокочастотные асимптоты.

п

п

п

п

Для форсирующего звена высокочастотная асимптота равна:

18 Wf (р) = 18 (т.р +1 ) = 18 (т.р) = 18 т + 18 р.

Она представляет собой прямую линию, имеющую максимальный разрешенный угол наклона +45°. Точку сопряжения рс. находим из уравнения:

18 (ТР) = 0. Отсюда получаем необходимую формулу:

1

Рс. = - = Рхр

т. -1

(8)

Таким образом, точки сопряжения форсирующих звеньев располагаются на правой части вещественной оси симметрично соответствующим корням числителя, которые располагаются на левой части этой оси.

Для апериодического звена высокочастотная асимптота равна:

18 Wa (р) = -18 (Т.р +1 ) = -18 (Т.р) = = -18 Т -18 р.

Она представляет собой прямую линию, имеющую угол наклона -45°. Точки сопряжения Рс. совпадают по абсолютной величине со значениями корней знаменателя:

РСI Т Р*с

(9)

Для дифференцирующего звена получаем точную ЛПФ:

18 Wd (р) = 18 р.

(10)

. 1 / / / 1 1 р

1 рр р Ра \ \ Ч Ч 2

Рис. 1. Логарифмические асимптотические передаточные функции: 1 - форсирующего звена; 2 - апериодического звена; 3 - системы из последовательно соединенных форсирующего и апериодического звеньев.

должны чередоваться. Таким образом, на постоянные времени звеньев накладывается следующее условие:

Т1 > Т1 > Т2 > Т2 > ... > тп

1 > Тп.

(11)

Эта функция имеет максимальный разрешенный угол наклона в +45°.

Соотношение (7) показывает, что график ЛФП ЯС-двухполюсника можно построить суммированием ЛПФ составляющих звеньев. На рис. 1 в качестве примера приведено суммирование двух асимптотических ЛПФ.

Как следует из рис. 1, указанные звенья при значениях р, меньших точки сопряжения, пропускают входной сигнал без искажения. В точке сопряжения звено включается в работу. При этом форсирующее звено усиливает входной сигнал, а апериодическое - ослабляет. Из рис. 1 также следует, что рост ЛФП с ростом угла в разрешенном интервале от 0° до 45° обеспечивается поочередным включением звеньев. При малых значениях р работает только дифференцирующее звено, затем, по мере увеличения р, должно включиться апериодическое звено, которое уменьшит угол наклона ЛФП. Включение форсирующего звена в этом случае привело бы к выходу угла наклона за разрешенный предел в 45°. Отсюда можно заключить, что точки сопряжения ЛПФ форсирующих и апериодических звеньев

Неравенство (11) можно переписать для корней полиномов У1(р) и У2(р):

Р\а < Р1/ < Р2а < Р(п - 1)/ < Рпа. (12)

Отсюда вытекает одно из важнейших свойств ФП ЯС-двухполюсника 4-го типа, связанное с расположением особых точек (нулей и полюсов) на комплексной плоскости. При движении по действительной оси от -га до нуля сначала будет зарегистрирован полюс, затем ноль и далее будет их чередование, которое завершится нулем в начале системы координат. Другими словами, ФП не может иметь два рядом расположенных нуля или полюса.

ДИФФУЗИОННЫЙ ИМПЕДАНС ВАРБУРГА И ЕГО МОДЕЛИРОВАНИЕ ЯС-ДВУХПОЛЮСНИКОМ

При наложении на диффузионный процесс слабого электрического поля, изменяющегося по гармоническому закону с частотой ю, возникает электрический ток, фаза которого по отношению к напряжению равна +45° для любых частот, а амплитуда тока оказывается пропорциональной

л/ю. Ниже приведена формула для ФП имп

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком