Je znázornený oscilačný frekvenčný obvod. Rezonančná frekvencia: vzorec

Sériový oscilačný obvod je obvod pozostávajúci z induktora a kondenzátora, ktoré sú zapojené do série. Na diagramoch ideálne sériový oscilačný obvod je označený takto:

Skutočný oscilačný obvod má stratový odpor cievky a kondenzátora. Táto celková odolnosť voči strate je označená písmenom R. Výsledkom je, reálny sériový oscilačný obvod bude vyzerať takto:

R je celkový stratový odpor cievky a kondenzátora

L je samotná indukčnosť cievky

C - skutočná kapacita kondenzátora

Oscilačný obvod a frekvenčný generátor

Urobme klasický experiment, ktorý nájdete v každej učebnici elektroniky. Za týmto účelom zhromaždíme nasledujúcu schému:

Náš generátor vytvorí sínus.

Aby sme mohli previesť oscilogram sériovým oscilačným obvodom, pripojíme k obvodu bočný rezistor s nízkym odporom 0,5 ohmu a už z neho odstránime napätie. To znamená, že v tomto prípade používame bočník na sledovanie sily prúdu v obvode.

A tu je skutočný diagram:

Zľava doprava: bočný odpor, tlmivka a kondenzátor. Ako ste už pochopili, odpor R je celkový stratový odpor cievky a kondenzátora, pretože neexistujú žiadne ideálne rádiové prvky. Ten sa „skrýva“ vo vnútri cievky a kondenzátora, takže v reálnom zapojení ho ako samostatný rádiový prvok neuvidíme.

Teraz nám zostáva pripojiť tento obvod k frekvenčnému generátoru a osciloskopu a spustiť ho cez niektoré frekvencie, pričom vezmeme oscilogram zo skratu. U w, ako aj odber oscilogramu zo samotného generátora U GEN.

Z bočníka odstránime napätie, ktorým zobrazíme správanie sa sily prúdu v obvode a z generátora samotný signál generátora. Poďme prejsť náš okruh cez niektoré frekvencie a uvidíme, čo je čo.

Vplyv frekvencie na odpor oscilačného obvodu

Tak, poďme. V obvode som zobral 1uF kondenzátor a 1mH tlmivku. Na generátore som nastavil sínusoidu 4 volty. Pripomíname si pravidlo: ak v obvode ide spojenie rádiových prvkov do série jeden po druhom, potom cez ne preteká rovnaký prúd.

Červený priebeh je napätie z frekvenčného generátora a žltý priebeh je zobrazenie prúdu prechádzajúceho napätím cez bočný odpor.

Frekvencia 200 Hertzov s centom:

Ako vidíme, pri takejto frekvencii je v tomto obvode prúd, ale je veľmi slabý.

Pridávanie frekvencie. 600 hertzov s haliermi

Tu už jasne vidíme, že sila prúdu sa zvýšila a tiež vidíme, že priebeh sily prúdu je pred napätím. Vonia ako kondenzátor.

Pridávanie frekvencie. 2 kilohertz

Sila prúdu je ešte väčšia.

3 kilohertz

Prúd sa zvýšil. Všimnite si tiež, že fázový posun sa začal znižovať.

4,25 kilohertzov

Oscilogramy sa už takmer spájajú do jedného. Fázový posun medzi napätím a prúdom je takmer nepostrehnuteľný.

A teraz, pri určitej frekvencii, sa súčasná sila stala maximálnou a fázový posun sa rovnal nule. Pamätaj na tento moment. Pre nás to bude veľmi dôležité.

Nedávno bol prúd pred napätím, ale teraz už začal zaostávať po tom, čo sa s ním vo fáze vyrovnal. Keďže prúd už zaostáva za napätím, už to tu zaváňa reaktanciou tlmivky.

Ešte viac zvýšiť frekvenciu

Prúdová sila začína klesať a fázový posun sa zvyšuje.

22 kilohertzov

74 kHz

Ako vidíte, ako sa frekvencia zvyšuje, posun sa blíži k 90 stupňom a prúd sa zmenšuje a zmenšuje.

Rezonancia

Pozrime sa bližšie na moment, keď bol fázový posun nulový a prúd prechádzajúci sériovým oscilačným obvodom maximálny:

Tento jav sa nazýva rezonancia.

Ako si pamätáte, ak je náš odpor malý a v tomto prípade je stratový odpor cievky a kondenzátora veľmi malý, potom v obvode začne prúdiť veľký prúd podľa Ohmovho zákona: I=U/R. Ak je generátor výkonný, napätie na ňom sa nemení a odpor sa stáva zanedbateľným a voila! Prúd rastie ako huby po daždi, čo sme videli pri pohľade na žltý priebeh rezonancie.

Thomsonov vzorec

Ak sa pri rezonancii reaktancia cievky rovná reaktancii kondenzátora XL = XC, potom môžete vyrovnať ich reaktancie a už odtiaľto vypočítať frekvenciu, pri ktorej nastala rezonancia. Takže reaktancia cievky je vyjadrená vzorcom:

Reaktancia kondenzátora sa vypočíta podľa vzorca:

Zrovnajte obe časti a vypočítajte odtiaľto F:

V tomto prípade sme dostali vzorec rezonančná frekvencia. Tento vzorec sa nazýva Thomsonov vzorec, ako ste pochopili, na počesť vedca, ktorý to priniesol.

Použime Thomsonov vzorec na výpočet rezonančnej frekvencie nášho sériového oscilačného obvodu. Na to použijem svoj RLC tranzistorový merač.

Meriame indukčnosť cievky:

A meriame našu kapacitu:

Našu rezonančnú frekvenciu vypočítame pomocou vzorca:

Mám 5,09 kilohertzov.

Pomocou nastavenia frekvencie a osciloskopu som zachytil rezonanciu na frekvencii 4,78 kilohertz (napísané v ľavom dolnom rohu)

Odpíšme chybu 200 kopejok Hertzov za chybu merania prístrojov. Ako vidíte, Thompsonov vzorec funguje.

Stresová rezonancia

Zoberme si ďalšie parametre cievky a kondenzátora a uvidíme, čo sa stane na samotných rádiových prvkoch. Všetko si predsa treba poriadne zistiť ;-). Beriem induktor s indukčnosťou 22 mikrohenry:

a kondenzátor 1000 pF

Takže, aby som chytil rezonanciu, nebudem pridávať do obvodu. budem múdrejší.

Keďže môj frekvenčný generátor je čínsky a nízkovýkonový, pri rezonancii máme v obvode len aktívny stratový odpor R. Celkovo nám stále vychádza malá hodnota odporu, takže prúd pri rezonancii dosahuje maximálne hodnoty. V dôsledku toho klesá slušné napätie na vnútornom odpore frekvenčného generátora a klesá amplitúda výstupnej frekvencie generátora. Zachytím minimálnu hodnotu tejto amplitúdy. Preto to bude rezonancia oscilačného obvodu. Preťaženie generátora nie je dobré, ale čo môžete urobiť pre vedu!

No, začnime ;-). Najprv vypočítajme rezonančnú frekvenciu pomocou Thomsonovho vzorca. Aby som to urobil, otvorím si online kalkulačku na internete a rýchlo vypočítam túto frekvenciu. Mám 1,073 megahertzov.

Rezonanciu na frekvenčnom generátore zachytávam o jeho minimálne hodnoty amplitúdy. Dopadlo to asi takto:

Peak-to-Peak 4 volty

Hoci frekvenčný generátor má výkyv viac ako 17 voltov! Tu začalo napätie. A ako vidíte, rezonančná frekvencia sa ukázala byť mierne odlišná od vypočítanej: 1,109 megahertz.

Teraz trochu zábavy ;-)

Toto je signál, ktorý aplikujeme na náš sériový oscilačný obvod:

Ako vidíte, môj generátor nie je schopný dodať veľký prúd do oscilačného obvodu pri rezonančnej frekvencii, takže signál sa ukázal byť v špičkách dokonca mierne skreslený.

No a teraz to najzaujímavejšie. Zmerajte úbytok napätia na kondenzátore a cievke pri rezonančnej frekvencii. To znamená, že to bude vyzerať takto:

Pozeráme sa na napätie na kondenzátore:

Výkyv amplitúdy 20 voltov (5x4)! Kde? Koniec koncov, do oscilačného obvodu sme priviedli sínus s frekvenciou 2 Volty!

Dobre, možno sa niečo stalo s osciloskopom? Zmerajte napätie na cievke:

Ľudia! Darmo!!! Aplikovali 2 volty z generátora a dostali 20 voltov na cievku aj na kondenzátor! Energetický zisk 10-krát! Majte čas iba na odstránenie energie buď z kondenzátora alebo z cievky!

No dobre, od takej veci ... vyberiem 12-voltovú žiarovku z mopedu a pripojím ju ku kondenzátoru alebo cievke. Koniec koncov, žiarovka sa zdá byť ako bubon, s akou frekvenciou pracovať a akým prúdom jesť. Nastavil som amplitúdu tak, aby cievka alebo kondenzátor mali niekde 20 voltov, pretože stredné napätie bude niekde 14 voltov, a postupne k nim pripojím žiarovku:

Ako vidíte - úplná nula. Žiarovka nebude horieť, takže fanúšikovia voľnej energie sa holia). Pamätali ste si, že výkon je určený súčinom prúdu a napätia? Zdá sa, že napätie je dostatočné, ale súčasná sila - bohužiaľ! Preto sa nazýva aj sériový oscilačný obvod úzkopásmový (rezonančný) zosilňovač napätia, nie moc!

Poďme si zhrnúť, čo sme v týchto experimentoch získali.

Pri rezonancii sa ukázalo, že napätie na cievke a na kondenzátore je oveľa väčšie ako napätie, ktoré sme aplikovali na oscilačný obvod. V tomto prípade sme dostali 10-krát viac. Prečo sa napätie na cievke pri rezonancii rovná napätiu na kondenzátore. To sa dá ľahko vysvetliť. Pretože v sériovom oscilačnom obvode nasledujú cievka a konder za sebou, obvodom tečie rovnaký prúd.

Pri rezonancii sa reaktancia cievky rovná reaktancii kondenzátora. Dostaneme podľa shuntového pravidla, že napätie na cievke klesá U L = IX L a na kondenzátore U C = IX C. A keďže pri rezonancii máme XL = XC, potom to dostaneme U L = U C, prúd v obvode je rovnaký ;-). Preto sa nazýva aj rezonancia v sériovom oscilačnom obvode napäťová rezonancia, pretože napätie na cievke pri rezonančnej frekvencii sa rovná napätiu na kondenzátore.

faktor kvality

No keďže sme začali pretláčať tému oscilačných obvodov, tak nemôžeme ignorovať ani taký parameter ako faktor kvality oscilačný obvod. Keďže sme už vykonali niekoľko experimentov, bude pre nás jednoduchšie určiť faktor kvality na základe amplitúdy napätí. Faktor kvality je označený písmenom Q a vypočíta sa podľa prvého jednoduchého vzorca:

Vypočítajme faktor kvality v našom prípade.

Keďže cena vertikálneho delenia jedného štvorca je 2 volty, preto je amplitúda signálu frekvenčného generátora 2 volty.

A to je to, čo máme na svorkách kondenzátora alebo cievky. Tu je cena vertikálneho delenia jedného štvorca 5 voltov. Spočítame štvorce a vynásobíme. 5x4 \u003d 20 voltov.

Počítame podľa vzorca dobra:

Q = 20/2 = 10. V podstate málo a nie málo. Vykonám. Takto sa dá nájsť dobrota v praxi.

Existuje aj druhý vzorec na výpočet faktora kvality.

kde

R - stratový odpor v obvode, Ohm

L - indukčnosť, Henry

C - kapacita, Farad

Keď poznáte faktor kvality, môžete ľahko nájsť odolnosť voči strate R sériový oscilačný obvod.

Chcem tiež pridať pár slov o faktore kvality. Faktor kvality obvodu je kvalitatívnym ukazovateľom oscilačného obvodu. V podstate sa ho vždy snažia rôznymi rôznymi spôsobmi zvyšovať. Ak sa pozriete na vzorec uvedený vyššie, môžete pochopiť, že na zvýšenie faktora kvality musíme nejakým spôsobom znížiť stratový odpor oscilačného obvodu. Leví podiel strát sa týka induktora, pretože už má štrukturálne vysoké straty. Je navinutý z drôtu a vo väčšine prípadov má jadro. Pri vysokých frekvenciách sa v drôte začína objavovať skin efekt, ktorý vnáša do obvodu ešte väčšie straty.

Zhrnutie

Sériový oscilačný obvod pozostáva z induktora a kondenzátora zapojených do série.

Pri určitej frekvencii sa reaktancia cievky rovná reaktancii kondenzátora a v obvode sériového oscilačného obvodu nastáva taký jav ako rezonancia.

Pri rezonancii sú reaktancie cievky a kondenzátora, hoci sú rovnaké, majú opačné znamienko, takže sa odpočítajú a pripočítajú k nule. V obvode zostáva iba aktívny stratový odpor R.

Pri rezonancii sa prúd v obvode stáva maximálnym, pretože stratový odpor cievky a kondenzátora R má celkovo malú hodnotu.

Pri rezonancii sa napätie na cievke rovná napätiu na kondenzátore a je väčšie ako napätie na generátore.

Koeficient, ktorý ukazuje, koľkokrát napätie na cievke alebo na kondenzátore prevyšuje napätie na generátore, sa nazýva faktor kvality Q sériového oscilačného obvodu a predstavuje kvalitatívne hodnotenie oscilačného obvodu. V podstate sa snažte urobiť Q čo najväčšie.

Pri nízkych frekvenciách má oscilačný obvod pred rezonanciou kapacitnú zložku prúdu a po rezonancii indukčnú zložku prúdu.

V článku vám povieme, čo je oscilačný obvod. Sériový a paralelný oscilačný obvod.

Oscilačný obvod - zariadenie alebo elektrický obvod obsahujúci potrebné rádioelektronické prvky na vytváranie elektromagnetických kmitov. V závislosti od spojenia prvkov sa delí na dva typy: konzistentné A paralelný.

Hlavná rádioprvková báza oscilačného obvodu: Kondenzátor, napájací zdroj a tlmivka.

Sériový oscilačný obvod je najjednoduchší rezonančný (oscilačný) obvod. Pozostáva zo sériového oscilačného obvodu, zo sériovo zapojených tlmiviek a kondenzátorov. Keď sa na takýto obvod aplikuje striedavé (harmonické) napätie, cez cievku a kondenzátor bude pretekať striedavý prúd, ktorého hodnota sa vypočíta podľa Ohmovho zákona:I \u003d U / X Σ, kde X Σ- súčet reaktancií cievky a kondenzátora zapojených do série (použije sa súčtový modul).

Pre osvieženie pamäte si pripomeňme, ako závisia reaktancie kondenzátora a tlmivky od frekvencie privádzaného striedavého napätia. Pre induktor bude táto závislosť vyzerať takto:

Zo vzorca je zrejmé, že so zvyšujúcou sa frekvenciou sa zvyšuje reaktancia induktora. Pre kondenzátor bude závislosť jeho reaktancie od frekvencie vyzerať takto:

Na rozdiel od induktora to robí kondenzátor opačne - so zvyšujúcou sa frekvenciou reaktancia klesá. Nasledujúci obrázok graficky znázorňuje závislosti reaktancií cievky X L a kondenzátor X C z cyklickej (kruhovej) frekvencie ω , ako aj graf závislosti od frekvencie ω ich algebraický súčet X Σ. Graf v skutočnosti ukazuje závislosť od frekvencie celkovej reaktancie sériového oscilačného obvodu.

Z grafu je vidieť, že pri nejakej frekvencii ω=ω p, na ktorom sú reaktancie cievky a kondenzátora rovnaké v absolútnej hodnote (rovnaké v hodnote, ale opačné v znamienku), celkový odpor obvodu zmizne. Pri tejto frekvencii je v obvode pozorovaný maximálny prúd, ktorý je obmedzený iba ohmickými stratami v tlmivke (t.j. aktívnym odporom drôtu vinutia cievky) a vnútorným odporom zdroja prúdu (generátora). Takáto frekvencia, pri ktorej je uvažovaný jav pozorovaný, vo fyzike nazývaná rezonancia, sa nazýva rezonančná frekvencia alebo vlastná frekvencia kmitov obvodu. Z grafu je tiež vidieť, že pri frekvenciách pod rezonančnou frekvenciou je reaktancia sériového oscilačného obvodu kapacitného charakteru a pri vyšších frekvenciách je indukčná. Pokiaľ ide o samotnú rezonančnú frekvenciu, možno ju vypočítať pomocou Thomsonovho vzorca, ktorý môžeme odvodiť zo vzorcov pre reaktancie tlmivky a kondenzátora, pričom ich reaktancie navzájom porovnávame:

Obrázok vpravo ukazuje ekvivalentný obvod sériového rezonančného obvodu, berúc do úvahy ohmické straty. R pripojený k ideálnemu generátoru harmonického napätia s amplitúdou U. Celkový odpor (impedancia) takéhoto obvodu je určený: Z = √(R2 + X Σ2), kde X Σ = ω L-1/coC. Pri rezonančnej frekvencii, keď sú hodnoty reaktancie cievky XL = ωL a kondenzátor X С = 1/ωС sa rovnajú v absolútnej hodnote, hodnote X Σ zmizne (preto je odpor obvodu čisto aktívny) a prúd v obvode je určený pomerom amplitúdy napätia generátora k odporu ohmických strát: I=U/R. Súčasne klesá rovnaké napätie na cievke a na kondenzátore, v ktorom je uložená jalová elektrická energia. U L \u003d U C \u003d IX L \u003d IX C.

Pri akejkoľvek inej frekvencii, než je rezonančná, nie sú napätia na cievke a kondenzátore rovnaké - sú určené amplitúdou prúdu v obvode a hodnotami reaktančných modulov X L A X C.Preto sa rezonancia v sériovom oscilačnom obvode zvyčajne nazýva napäťová rezonancia. Rezonančná frekvencia obvodu je frekvencia, pri ktorej má odpor obvodu čisto aktívny (odporový) charakter. Podmienkou rezonancie je rovnosť reaktancií tlmivky a kapacity.

Jedným z najdôležitejších parametrov oscilačného obvodu (samozrejme okrem rezonančnej frekvencie) je jeho charakteristický (alebo vlnový) odpor ρ a faktor kvality okruhu Q. Charakteristický (vlnový) odpor obvodu ρ hodnota reaktancie kapacity a indukčnosti obvodu pri rezonančnej frekvencii sa nazýva: ρ = X L = X C pri ω =ω p. Charakteristická impedancia sa môže vypočítať takto: ρ = √ (L/C). Charakteristická odolnosť ρ je kvantitatívna miera na odhad energie uloženej reaktívnymi prvkami obvodu - cievkou (energia magnetického poľa) W L = (LI2)/2 a kondenzátor (energia elektrického poľa) Wc = (CU2)/2. Pomer energie uloženej reaktívnymi prvkami obvodu k energii ohmických (odporových) strát za dané obdobie sa bežne nazýva faktor kvality. Q obrys, čo doslovne preložené z angličtiny znamená "kvalita".

Faktor kvality oscilačného obvodu- charakteristika, ktorá určuje amplitúdu a šírku frekvenčnej odozvy rezonancie a ukazuje, koľkokrát sú zásoby energie v obvode väčšie ako strata energie za jednu periódu kmitania. Faktor kvality zohľadňuje prítomnosť aktívneho odporu voči zaťaženiu R.

Pre sériový oscilačný obvod v obvodoch RLC, v ktorom sú všetky tri prvky zapojené do série, sa faktor kvality vypočíta:

kde R, L A C

Recipročný faktor kvality d = 1/Q sa nazýva tlmenie slučky. Na určenie faktora kvality sa zvyčajne používa vzorec Q = ρ / R, kde R-odpor ohmických strát obvodu, charakterizujúci výkon odporových (aktívnych strát) obvodu P \u003d I 2 R. Faktor kvality skutočných oscilačných obvodov, vyrobených na diskrétnych tlmivkách a kondenzátoroch, sa pohybuje od niekoľkých jednotiek po stovky alebo viac. Faktor kvality rôznych oscilačných systémov vybudovaných na princípe piezoelektrických a iných efektov (napríklad kremenné rezonátory) môže dosiahnuť niekoľko tisíc aj viac.

Frekvenčné vlastnosti rôznych obvodov v technike sa zvyčajne vyhodnocujú pomocou amplitúdovo-frekvenčných charakteristík (AFC), pričom samotné obvody sa považujú za štvorsvorkové siete. Obrázky nižšie znázorňujú dva jednoduché štvorpóly obsahujúce sériový oscilačný obvod a frekvenčnú odozvu týchto obvodov, ktoré sú znázornené (znázornené plnými čiarami). Na zvislej osi grafov frekvenčnej odozvy je vynesená veľkosť koeficientu prenosu napätia obvodu K, znázorňujúca pomer výstupného napätia obvodu k vstupu.

Pre pasívne obvody (t. j. neobsahujúce zosilňovacie prvky a zdroje energie) je hodnota TO nikdy nepresiahne jednu. Odolnosť obvodu znázorneného na obrázku voči striedavému prúdu bude minimálna pri nárazovej frekvencii rovnajúcej sa rezonančnej frekvencii obvodu. V tomto prípade je koeficient prenosu obvodu blízky jednotke (určený ohmickými stratami v obvode). Pri frekvenciách, ktoré sú veľmi odlišné od rezonančných, je odpor obvodu voči striedavému prúdu pomerne veľký a v dôsledku toho koeficient prenosu obvodu klesne takmer na nulu.

Pri rezonancii v tomto obvode je v skutočnosti zdroj vstupného signálu skratovaný malým odporom slučky, vďaka čomu zosilnenie takéhoto obvodu na rezonančnej frekvencii klesne takmer na nulu (opäť v dôsledku prítomnosti konečného stratového odporu ). Naopak, pri frekvenciách vstupnej akcie, ktoré sú výrazne odlišné od rezonančnej, sa koeficient prenosu obvodu ukazuje byť blízky jednote. Vlastnosť oscilačného obvodu výrazne meniť koeficient prenosu pri frekvenciách blízkych rezonančným je v praxi široko používaná, keď je potrebné izolovať signál so špecifickou frekvenciou od množstva nepotrebných signálov umiestnených na iných frekvenciách. Takže v akomkoľvek rádiovom prijímači je pomocou oscilačných obvodov zabezpečené naladenie frekvencie požadovanej rozhlasovej stanice. Vlastnosť oscilačného obvodu vyčleniť jednu frekvenciu zo súboru sa bežne nazýva selektivita alebo selektivita. V tomto prípade sa intenzita zmeny koeficientu prenosu obvodu pri odladení frekvencie dopadu od rezonancie zvyčajne odhaduje pomocou parametra nazývaného šírka pásma. Za šírku pásma sa považuje frekvenčný rozsah, v ktorom pokles (alebo nárast, v závislosti od typu obvodu) koeficientu prenosu vzhľadom na jeho hodnotu pri rezonančnej frekvencii nepresahuje 0,7 (3 dB).

Bodkované čiary na grafoch znázorňujú frekvenčnú odozvu presne tých istých obvodov, ktorých oscilačné obvody majú rovnaké rezonančné frekvencie ako vo vyššie diskutovanom prípade, ale s nižším faktorom kvality (napríklad tlmivka je navinutá drôtom s vysokou odolnosťou proti jednosmernému prúdu). Ako je zrejmé z obrázkov, v tomto prípade sa šírka pásma obvodu rozširuje a jeho selektívne (selektívne) vlastnosti sa zhoršujú. Na základe toho je pri výpočte a návrhu oscilačných obvodov potrebné usilovať sa o zvýšenie ich kvalitatívneho faktora. Naopak, v niektorých prípadoch je potrebné podceniť faktor kvality obvodu (napríklad zahrnutím malého odporového odporu do série s induktorom), čo umožňuje vyhnúť sa skresleniu širokopásmových signálov. Aj keď je v praxi potrebné izolovať dostatočne širokopásmový signál, selektívne obvody nie sú spravidla postavené na jednoduchých oscilačných obvodoch, ale na zložitejších viazaných (viacobvodových) oscilačných systémoch, vrátane. viacvrstvové filtre.

Paralelný oscilačný obvod

V rôznych rádiotechnických zariadeniach sa spolu so sériovými oscilačnými obvodmi často (ešte častejšie ako sériové) používajú paralelné oscilačné obvody.Na obrázku je schematický diagram paralelného oscilačného obvodu. Tu sú paralelne zapojené dva reaktívne prvky s rôznou povahou reaktivity.Ako je známe, keď sú prvky zapojené paralelne, nie je možné sčítať ich odpory - môžete pridať iba vodivosti. Na obrázku sú znázornené grafické závislosti reaktívnych vodivosti tlmivky BL = 1/coL, kondenzátor V C=-coC ako aj celková vodivosť V Σ, tieto dva prvky, čo je reaktívne vedenie paralelného oscilačného obvodu. Podobne ako pri sériovom oscilačnom obvode existuje určitá frekvencia, nazývaná rezonančná, pri ktorej sú reaktancie (a teda vodivosti) cievky a kondenzátora rovnaké. Pri tejto frekvencii zaniká celková vodivosť paralelného oscilačného obvodu bez strát. To znamená, že pri tejto frekvencii má oscilačný obvod nekonečne veľký odpor voči striedavému prúdu.

Ak postavíme závislosť reaktancie obvodu od frekvencie X Σ = 1/B Σ, táto krivka, znázornená na nasledujúcom obrázku, v bode ω = ω p bude mať diskontinuitu druhého druhu. Odpor skutočného paralelného oscilačného obvodu (teda so stratami) sa samozrejme nerovná nekonečnu - je tým menší, čím väčší je ohmický odpor strát v obvode, to znamená, že priamo úmerne klesá zníženie faktora kvality okruhu. Vo všeobecnosti fyzikálny význam pojmov činiteľ kvality, charakteristická impedancia a rezonančná frekvencia oscilačného obvodu, ako aj ich výpočtové vzorce, sú platné pre sériové aj paralelné oscilačné obvody.

Pre paralelný rezonančný obvod, v ktorom sú indukčnosť, kapacita a odpor zapojené paralelne, sa faktor kvality vypočíta:

kde R, L A C- odpor, indukčnosť a kapacita rezonančného obvodu, resp.

Uvažujme obvod pozostávajúci z generátora harmonických kmitov a paralelného oscilačného obvodu. V prípade, že sa frekvencia kmitov generátora zhoduje s rezonančnou frekvenciou obvodu, jeho indukčné a kapacitné vetvy poskytujú rovnaký odpor voči striedavému prúdu, v dôsledku čoho budú prúdy vo vetvách obvodu rovnaké. V tomto prípade sa hovorí, že prúdy sú v obvode v rezonancii. Rovnako ako v prípade sériového oscilačného obvodu sa reaktancie cievky a kondenzátora navzájom rušia a odpor obvodu voči prúdu, ktorý ním prechádza, sa stáva čisto aktívnym (odporovým). Hodnota tohto odporu, ktorý sa v technológii často nazýva ekvivalentný, je určená súčinom faktora kvality obvodu a jeho charakteristického odporu. R eq = Q ρ. Pri iných ako rezonančných frekvenciách sa odpor obvodu znižuje a stáva sa reaktívnym pri nižších frekvenciách - indukčným (keďže s klesajúcou frekvenciou klesá reaktancia indukčnosti) a pri vyšších frekvenciách naopak kapacitným (čiže reaktancia kapacita klesá so zvyšujúcou sa frekvenciou) .

Uvažujme, ako závisia koeficienty prenosu štvorpólov od frekvencie, keď nezahŕňajú sériové oscilačné obvody, ale paralelné.

Štvorpól zobrazený na obrázku má pri rezonančnej frekvencii obvodu obrovský prúdový odpor, preto keď ω=ω p jeho prenosový koeficient bude blízky nule (vrátane ohmických strát). Pri iných ako rezonančných frekvenciách sa odpor obvodu zníži a koeficient prenosu štvorpólu sa zvýši.

Pri štvorpólovom znázornení na obrázku vyššie bude situácia opačná – pri rezonančnej frekvencii bude mať obvod veľmi veľký odpor a takmer celé vstupné napätie pôjde na výstupné svorky (tj koeficient prenosu bude maximálny a blízky jednote). Pri výraznom rozdiele frekvencie vstupnej akcie od rezonančnej frekvencie obvodu bude zdroj signálu pripojený na vstupné svorky štvorpólu prakticky skratovaný a koeficient prenosu bude blízky nule.

Hlavným zariadením, ktoré určuje prevádzkovú frekvenciu akéhokoľvek alternátora, je oscilačný obvod. Oscilačný obvod (obr. 1) pozostáva z tlmivky L(zvážte ideálny prípad, keď cievka nemá ohmický odpor) a kondenzátor C a nazýva sa uzavretý. Charakteristickým znakom cievky je jej indukčnosť, označuje sa L a meria sa v Henry (H), kondenzátor je charakterizovaný kapacitou C, ktorá sa meria vo faradoch (F).

Nechajte kondenzátor nabiť v počiatočnom okamihu (obr. 1) tak, aby jedna z jeho dosiek mala náboj + Q 0 a na druhej strane - poplatok - Q 0 V tomto prípade sa medzi doskami kondenzátora vytvorí elektrické pole, ktoré má energiu

kde je amplitúda (maximálne) napätie alebo potenciálny rozdiel na doskách kondenzátora.

Po uzavretí obvodu sa kondenzátor začne vybíjať a obvodom bude pretekať elektrický prúd (obr. 2), ktorého hodnota narastá z nuly na maximálnu hodnotu. Keďže v obvode tečie striedavý prúd, v cievke sa indukuje EMF samoindukcie, ktorá zabraňuje vybitiu kondenzátora. Preto proces vybíjania kondenzátora nenastáva okamžite, ale postupne. V každom okamihu je rozdiel potenciálov na doskách kondenzátora

(kde je náboj kondenzátora v danom čase) sa rovná potenciálnemu rozdielu na cievke, t.j. rovná samoindukčnému emf

Obr.1	Obr.2

Keď je kondenzátor úplne vybitý a , prúd v cievke dosiahne svoju maximálnu hodnotu (obr. 3). Indukcia magnetického poľa cievky je v tomto okamihu tiež maximálna a energia magnetického poľa sa bude rovnať

Potom sa sila prúdu začne znižovať a náboj sa bude hromadiť na doskách kondenzátora (obr. 4). Keď prúd klesne na nulu, nabitie kondenzátora dosiahne svoju maximálnu hodnotu. Q 0, ale platňa, predtým kladne nabitá, bude teraz záporne nabitá (obr. 5). Potom sa kondenzátor začne opäť vybíjať a prúd v obvode potečie v opačnom smere.

Takže proces nabíjania prúdiaceho z jednej dosky kondenzátora na druhú cez induktor sa opakuje znova a znova. Hovorí sa, že v okruhu sa vyskytujú elektromagnetické oscilácie. Tento proces je spojený nielen s kolísaním veľkosti náboja a napätia na kondenzátore, intenzitou prúdu v cievke, ale aj s prenosom energie z elektrického poľa do magnetického poľa a naopak.

Obr.3	Obr.4

K dobitiu kondenzátora na maximálne napätie dôjde len vtedy, keď v oscilačnom obvode nedôjde k strate energie. Takýto obvod sa nazýva ideálny.

V reálnych obvodoch dochádza k nasledujúcim stratám energie:

1) tepelné straty, pretože R ¹ 0;

2) straty v dielektriku kondenzátora;

3) hysterézne straty v jadre cievky;

4) straty radiáciou a pod. Ak tieto straty energie zanedbáme, potom môžeme napísať, že , t.j.

Oscilácie vyskytujúce sa v ideálnom oscilačnom obvode, v ktorom je táto podmienka splnená, sa nazývajú zadarmo, alebo vlastné, oscilácie obrysu.

V tomto prípade napätie U(a účtovať Q) na kondenzátore sa mení podľa harmonického zákona:

kde n je vlastná frekvencia oscilačného obvodu, w 0 = 2pn je vlastná (kruhová) frekvencia oscilačného obvodu. Frekvencia elektromagnetických kmitov v obvode je definovaná ako

Obdobie T- určí sa čas, počas ktorého dôjde k úplnému kmitaniu napätia na kondenzátore a prúdu v obvode Thomsonov vzorec

Intenzita prúdu v obvode sa tiež mení podľa harmonického zákona, ale zaostáva za napätím vo fáze o . Preto závislosť sily prúdu v obvode od času bude mať formu

. (9)

Obrázok 6 zobrazuje grafy zmien napätia U na kondenzátore a prúde ja v cievke pre ideálny oscilačný obvod.

V skutočnom obvode bude energia s každým kmitaním klesať. Amplitúdy napätia na kondenzátore a prúdu v obvode sa znížia, takéto oscilácie sa nazývajú tlmené. Nemožno ich použiť v hlavných generátoroch, pretože zariadenie bude pracovať najlepšie v pulznom režime.

Obr.5	Obr.6

Na získanie netlmených kmitov je potrebné kompenzovať straty energie pri širokej škále prevádzkových frekvencií zariadení, vrátane tých, ktoré sa používajú v medicíne.

Oscilačný obvod je zariadenie určené na generovanie (vytváranie) elektromagnetických kmitov. Od svojho vzniku až po súčasnosť sa používa v mnohých oblastiach vedy a techniky: od každodenného života až po obrovské továrne vyrábajúce širokú škálu produktov.

Z čoho pozostáva?

Oscilačný obvod pozostáva z cievky a kondenzátora. Okrem toho môže obsahovať aj rezistor (prvok s premenlivým odporom). Induktor (alebo solenoid, ako sa niekedy nazýva) je tyč, na ktorej je navinutých niekoľko vrstiev vinutia, čo je spravidla medený drôt. Práve tento prvok vytvára oscilácie v oscilačnom obvode. Tyč v strede sa často nazýva tlmivka alebo jadro a cievka sa niekedy nazýva solenoid.

Cievka oscilačného obvodu kmitá iba vtedy, keď je uložený náboj. Keď ním prechádza prúd, akumuluje náboj, ktorý potom pri poklese napätia odovzdá obvodu.

Drôty cievky majú zvyčajne veľmi malý odpor, ktorý vždy zostáva konštantný. V obvode oscilačného obvodu veľmi často dochádza k zmene napätia a prúdu. Táto zmena podlieha určitým matematickým zákonom:

• U = U 0 *cos(w*(t-t 0), kde
  U - napätie v danom čase t,
  U 0 - napätie v čase t 0,
  w je frekvencia elektromagnetických kmitov.

Ďalšou integrálnou súčasťou obvodu je elektrický kondenzátor. Ide o prvok pozostávajúci z dvoch dosiek, ktoré sú oddelené dielektrikom. V tomto prípade je hrúbka vrstvy medzi doskami menšia ako ich veľkosti. Táto konštrukcia umožňuje akumulovať elektrický náboj na dielektriku, ktorý sa potom môže preniesť do obvodu.

Rozdiel medzi kondenzátorom a batériou je v tom, že nedochádza k premene látok pôsobením elektrického prúdu, ale k priamej akumulácii náboja v elektrickom poli. Pomocou kondenzátora je teda možné naakumulovať dostatočne veľký náboj, ktorý je možné rozdať naraz. V tomto prípade sa sila prúdu v obvode výrazne zvýši.

Oscilačný obvod tiež pozostáva z jedného prvku: odporu. Tento prvok má odpor a je určený na riadenie prúdu a napätia v obvode. Ak sa zvýši pri konštantnom napätí, prúdová sila sa zníži podľa Ohmovho zákona:

• I \u003d U / R, kde
  I - súčasná sila,
  U - napätie,
  R je odpor.

Induktor

Pozrime sa bližšie na všetky jemnosti fungovania induktora a lepšie pochopíme jeho funkciu v oscilačnom obvode. Ako sme už povedali, odpor tohto prvku má tendenciu k nule. Teda pri zapojení do jednosmerného obvodu by sa to stalo.Ak však cievku pripojíte na striedavý obvod, funguje správne. To nám umožňuje dospieť k záveru, že prvok ponúka odpor voči striedavému prúdu.

Prečo sa to však deje a ako vzniká odpor pri striedavom prúde? Aby sme odpovedali na túto otázku, musíme sa obrátiť na taký jav, ako je samoindukcia. Pri prechode prúdu cievkou v nej vzniká, čo vytvára prekážku pre zmenu prúdu. Veľkosť tejto sily závisí od dvoch faktorov: od indukčnosti cievky a od derivácie sily prúdu vzhľadom na čas. Matematicky je táto závislosť vyjadrená rovnicou:

• E \u003d -L ​​​​* I "(t) , kde
  E - EMF hodnota,
  L - hodnota indukčnosti cievky (pre každú cievku je iná a závisí od počtu cievok vinutia a ich hrúbky),
  I "(t) - derivácia sily prúdu vzhľadom na čas (rýchlosť zmeny intenzity prúdu).

Sila jednosmerného prúdu sa časom nemení, takže pri vystavení nevzniká žiadny odpor.

Ale pri striedavom prúde sa všetky jeho parametre neustále menia podľa sínusového alebo kosínusového zákona, v dôsledku čoho vzniká EMF, ktoré týmto zmenám bráni. Takýto odpor sa nazýva indukčný a vypočíta sa podľa vzorca:

• X L \u003d w * L, kde
  w je frekvencia oscilácií obvodu,
  L je indukčnosť cievky.

Prúdová sila v solenoide lineárne rastie a klesá podľa rôznych zákonov. To znamená, že ak zastavíte prívod prúdu do cievky, bude ešte nejaký čas nabíjať obvod. A ak súčasne dôjde k náhlemu prerušeniu dodávky prúdu, dôjde k šoku v dôsledku skutočnosti, že náboj sa pokúsi rozložiť a opustiť cievku. Toto je vážny problém v priemyselnej výrobe. Takýto efekt (aj keď nesúvisí celkom s oscilačným obvodom) možno pozorovať napríklad pri vyťahovaní zástrčky zo zásuvky. Zároveň preskočí iskra, ktorá v takom rozsahu nie je schopná človeku ublížiť. Je to spôsobené tým, že magnetické pole nezmizne okamžite, ale postupne sa rozptýli a indukuje prúdy v iných vodičoch. V priemyselnom meradle je prúdová sila mnohonásobne väčšia ako 220 voltov, na ktoré sme zvyknutí, a preto pri prerušení výroby vo výrobe môže dôjsť k iskreniu takej sily, ktoré spôsobí veľké škody ako pre závod, tak pre človeka. .

Cievka je základom toho, z čoho sa skladá oscilačný obvod. Indukčnosti solenoidov v sérii sa sčítavajú. Ďalej sa bližšie pozrieme na všetky jemnosti štruktúry tohto prvku.

Čo je indukčnosť?

Indukčnosť cievky oscilačného obvodu je individuálny indikátor, ktorý sa číselne rovná elektromotorickej sile (vo voltoch), ktorá sa vyskytuje v obvode, keď sa prúd zmení o 1 A za 1 sekundu. Ak je solenoid pripojený k obvodu jednosmerného prúdu, potom jeho indukčnosť opisuje energiu magnetického poľa, ktoré vzniká týmto prúdom podľa vzorca:

• W \u003d (L * I 2) / 2, kde
  W je energia magnetického poľa.

Faktor indukčnosti závisí od mnohých faktorov: geometria solenoidu, magnetické charakteristiky jadra a počet cievok drôtu. Ďalšou vlastnosťou tohto ukazovateľa je, že je vždy kladný, pretože premenné, od ktorých závisí, nemôžu byť negatívne.

Indukčnosť možno definovať aj ako vlastnosť vodiča prenášajúceho prúd ukladať energiu v magnetickom poli. Meria sa v Henry (pomenovaný podľa amerického vedca Josepha Henryho).

Okrem solenoidu sa oscilačný obvod skladá z kondenzátora, o ktorom sa bude diskutovať neskôr.

Elektrický kondenzátor

Kapacita oscilačného obvodu je určená kondenzátorom. O jeho vzhľade bolo napísané vyššie. Teraz si rozoberme fyziku procesov, ktoré v ňom prebiehajú.

Keďže dosky kondenzátora sú vyrobené z vodiča, môže cez ne pretekať elektrický prúd. Medzi oboma platňami je však prekážka: dielektrikum (môže to byť vzduch, drevo alebo iný materiál s vysokým odporom. Vzhľadom na to, že náboj sa nemôže presúvať z jedného konca drôtu na druhý, hromadí sa na Tým sa zvyšuje výkon magnetického a elektrického poľa okolo neho. Keď sa teda nabíjanie zastaví, všetka elektrina nahromadená na doskách sa začne prenášať do obvodu.

Každý kondenzátor má optimum pre svoju činnosť. Ak je tento prvok prevádzkovaný dlhší čas pri napätí vyššom ako menovité napätie, jeho životnosť sa výrazne znižuje. Kondenzátor oscilačného obvodu je neustále ovplyvňovaný prúdmi, a preto by ste pri jeho výbere mali byť veľmi opatrní.

Okrem bežných kondenzátorov, o ktorých sa diskutovalo, existujú aj ionistory. Ide o zložitejší prvok: možno ho opísať ako kríženec medzi batériou a kondenzátorom. Organické látky spravidla slúžia ako dielektrikum v ionistore, medzi ktorým je elektrolyt. Spoločne vytvárajú dvojitú elektrickú vrstvu, ktorá umožňuje v tomto prevedení uložiť mnohonásobne viac energie ako v tradičnom kondenzátore.

Aká je kapacita kondenzátora?

Kapacita kondenzátora je pomer náboja na kondenzátore k napätiu, pod ktorým je kondenzátor. Táto hodnota sa dá vypočítať veľmi jednoducho pomocou matematického vzorca:

• C \u003d (e 0 *S) / d, kde
  e 0 - dielektrický materiál (tabuľková hodnota),
  S je plocha dosiek kondenzátora,
  d je vzdialenosť medzi doskami.

Závislosť kapacity kondenzátora od vzdialenosti medzi doskami sa vysvetľuje javom elektrostatickej indukcie: čím menšia je vzdialenosť medzi doskami, tým viac sa navzájom ovplyvňujú (podľa Coulombovho zákona), tým väčší je náboj dosky. dosky a čím nižšie je napätie. A s poklesom napätia sa hodnota kapacity zvyšuje, pretože ju možno opísať aj nasledujúcim vzorcom:

• C = q/U, kde
  q - náboj v príveskoch.

Stojí za to hovoriť o jednotkách merania tohto množstva. Kapacita sa meria vo faradoch. 1 farad je dostatočne veľká hodnota, takže existujúce kondenzátory (ale nie ionistory) majú kapacitu meranú v pikofaradoch (jeden bilión faradov).

Rezistor

Prúd v oscilačnom obvode závisí aj od odporu obvodu. A okrem dvoch opísaných prvkov, ktoré tvoria oscilačný obvod (cievky, kondenzátory), existuje aj tretí - rezistor. Je zodpovedný za vytváranie odporu. Odpor sa líši od ostatných prvkov tým, že má veľký odpor, ktorý je možné u niektorých modelov meniť. V oscilačnom obvode plní funkciu regulátora výkonu magnetického poľa. Môžete pripojiť niekoľko rezistorov do série alebo paralelne, čím sa zvýši odpor obvodu.

Odpor tohto prvku závisí aj od teploty, takže by ste mali byť opatrní pri jeho prevádzke v obvode, pretože sa pri prechode prúdu zahrieva.

Odpor odporu sa meria v ohmoch a jeho hodnota sa dá vypočítať podľa vzorca:

• R = (p*l)/S, kde
  p je špecifický odpor materiálu odporu (meraný v (Ohm * mm 2) / m);
  l je dĺžka odporu (v metroch);
  S je plocha prierezu (v štvorcových milimetroch).

Ako prepojiť parametre obrysu?

Teraz sme sa priblížili k fyzike činnosti oscilačného obvodu. V priebehu času sa náboj na doskách kondenzátora mení podľa diferenciálnej rovnice druhého rádu.

Ak je táto rovnica vyriešená, vyplýva z nej niekoľko zaujímavých vzorcov, ktoré popisujú procesy prebiehajúce v obvode. Napríklad cyklická frekvencia môže byť vyjadrená pomocou kapacity a indukčnosti.

Najjednoduchší vzorec, ktorý vám umožňuje vypočítať veľa neznámych veličín, je však Thomsonov vzorec (pomenovaný podľa anglického fyzika Williama Thomsona, ktorý ho odvodil v roku 1853):

• T = 2*n*(L*C) 1/2.
  T - perióda elektromagnetických oscilácií,
  L a C - indukčnosť cievky oscilačného obvodu a kapacita prvkov obvodu,
  n je číslo pi.

faktor kvality

Existuje ďalšia dôležitá hodnota, ktorá charakterizuje činnosť okruhu - faktor kvality. Aby sme pochopili, čo to je, mali by sme sa obrátiť na taký proces, ako je rezonancia. Ide o jav, pri ktorom sa amplitúda stáva maximálnou s konštantnou hodnotou sily, ktorá podporuje túto osciláciu. Rezonanciu možno vysvetliť na jednoduchom príklade: ak začnete tlačiť hojdačku do rytmu jej frekvencie, zrýchli sa a jej „amplitúda“ sa zvýši. A ak vytlačíte čas, spomalia. Pri rezonancii sa často rozptýli veľa energie. Aby mohli vypočítať veľkosť strát, prišli s takým parametrom, akým je faktor kvality. Je to pomer rovný pomeru energie v systéme k stratám vyskytujúcim sa v okruhu v jednom cykle.

Faktor kvality obvodu sa vypočíta podľa vzorca:

• Q = (w0*W)/P, kde
  w 0 - rezonančná cyklická oscilačná frekvencia;
  W je energia uložená v oscilačnom systéme;
  P je rozptýlený výkon.

Tento parameter je bezrozmerná hodnota, pretože v skutočnosti ukazuje pomer energie: uskladnená k vynaloženej energii.

Aký je ideálny oscilačný obvod

Pre lepšie pochopenie procesov v tomto systéme prišli fyzici s tzv ideálny oscilačný obvod. Toto je matematický model, ktorý predstavuje obvod ako systém s nulovým odporom. Vytvára netlmené harmonické kmity. Takýto model umožňuje získať vzorce na približný výpočet parametrov obrysu. Jedným z týchto parametrov je celková energia:

• W \u003d (L * I 2) / 2.

Takéto zjednodušenia výrazne urýchľujú výpočty a umožňujú vyhodnotiť charakteristiky obvodu s danými indikátormi.

Ako to funguje?

Celý cyklus oscilačného obvodu možno rozdeliť na dve časti. Teraz budeme podrobne analyzovať procesy vyskytujúce sa v každej časti.

• Prvá fáza: Kladne nabitá doska kondenzátora sa začne vybíjať a dodáva obvodu prúd. V tomto okamihu prúd prechádza z kladného náboja na záporný a prechádza cievkou. V dôsledku toho sa v obvode vyskytujú elektromagnetické oscilácie. Prúd, ktorý prešiel cievkou, prechádza na druhú dosku a nabíja ju kladne (zatiaľ čo prvá doska, z ktorej prúd tečie, je nabitá záporne).
• Druhá fáza: prebieha opačný proces. Prúd prechádza z kladnej platne (ktorá bola na začiatku negatívna) na zápornú a opäť prechádza cievkou. A všetky obvinenia padnú na svoje miesto.

Cyklus sa opakuje, kým sa kondenzátor nenabije. V ideálnom oscilačnom obvode sa tento proces vyskytuje donekonečna, ale v skutočnom sú straty energie nevyhnutné v dôsledku rôznych faktorov: zahrievanie, ku ktorému dochádza v dôsledku existencie odporu v obvode (Joulovo teplo) a podobne.

Možnosti dizajnu slučky

Okrem jednoduchých obvodov cievka-kondenzátor a cievka-odpor-kondenzátor existujú aj ďalšie možnosti, ktoré využívajú ako základ oscilačný obvod. Toto je napríklad paralelný obvod, ktorý sa líši tým, že existuje ako prvok elektrického obvodu (pretože ak by existoval samostatne, bol by to sériový obvod, o ktorom sme hovorili v článku).

Existujú aj iné typy konštrukcií vrátane rôznych elektrických komponentov. Napríklad môžete do siete pripojiť tranzistor, ktorý bude obvod otvárať a zatvárať s frekvenciou rovnajúcou sa frekvencii kmitov v obvode. V systéme sa tak vytvoria netlmené oscilácie.

Kde sa používa oscilačný obvod?

Najznámejšou aplikáciou obvodových komponentov sú elektromagnety. Tie sa zasa používajú v interkomoch, elektromotoroch, senzoroch a v mnohých ďalších nie tak bežných priestoroch. Ďalšou aplikáciou je generátor oscilácií. V skutočnosti je nám toto použitie obvodu veľmi známe: v tejto forme sa používa v mikrovlnnej rúre na vytváranie vĺn a v mobilnej a rádiovej komunikácii na prenos informácií na diaľku. To všetko sa deje vďaka skutočnosti, že oscilácie elektromagnetických vĺn môžu byť kódované takým spôsobom, že je možné prenášať informácie na veľké vzdialenosti.

Samotný induktor môže byť použitý ako prvok transformátora: dve cievky s rôznym počtom vinutí môžu prenášať svoj náboj pomocou elektromagnetického poľa. Ale keďže charakteristiky solenoidov sú odlišné, indikátory prúdu v dvoch obvodoch, ku ktorým sú tieto dva induktory pripojené, sa budú líšiť. Takto je možné premeniť prúd s napätím povedzme 220 voltov na prúd s napätím 12 voltov.

Záver

Podrobne sme rozobrali princíp činnosti oscilačného obvodu a každej jeho časti samostatne. Dozvedeli sme sa, že oscilačný obvod je zariadenie určené na vytváranie elektromagnetických vĺn. To sú však len základy zložitej mechaniky týchto zdanlivo jednoduchých prvkov. Viac o zložitosti obvodu a jeho komponentoch sa dozviete z odbornej literatúry.

Oscilačný obvod: princíp činnosti, typy obvodov, parametre a charakteristiky

Netlmiace vibrácie.

Princíp činnosti oscilačného obvodu

Nabijeme kondenzátor a uzavrieme obvod. Potom v obvode začne prúdiť sínusový elektrický prúd. Kondenzátor sa vybíja cez cievku. V cievke, keď ňou preteká prúd, vzniká EMF samoindukcie, nasmerovaná v smere opačnom k ​​prúdu kondenzátora.

Po úplnom vybití sa kondenzátor v dôsledku energie EMF cievky, ktorá bude v tomto okamihu maximálna, začne znova nabíjať, ale iba s obrátenou polaritou. Oscilácie, ktoré sa vyskytujú v obvode, sú voľne tlmené kmity. To znamená, že bez dodatočného prísunu energie sa oscilácie v akomkoľvek reálnom oscilačnom obvode skôr či neskôr zastavia, ako akékoľvek oscilácie v prírode.

Dôležitou charakteristikou LC obvodu je Q faktor. Faktor kvality určuje amplitúdu rezonancie a ukazuje, koľkokrát energetické zásoby v obvode prevyšujú stratu energie za jednu periódu oscilácie. Čím vyšší je faktor kvality systému, tým pomalšie budú oscilácie doznievať.

Vlastná frekvencia oscilačného obvodu

Frekvencia oscilácií voľného prúdu a napätia, ktoré sa vyskytujú v oscilačnom obvode.

T = 2*n*(L*C)1/2. T je perióda elektromagnetických kmitov, L a C sú indukčnosť cievky oscilačného obvodu a kapacita prvkov obvodu, n je číslo pi.

Nepretržité oscilácie sú vytvorené takými zariadeniami, ktoré samy dokážu udržiavať svoje oscilácie vďaka nejakému stálemu zdroju energie. Takéto zariadenia sa nazývajú samooscilačné systémy.

Každý samooscilačný systém pozostáva z nasledujúcich štyroch častí

1) oscilačný systém; 2) zdroj energie, vďaka ktorému sa kompenzujú straty; 3) ventil - nejaký prvok, ktorý reguluje tok energie do oscilačného systému v určitých častiach v správnom čase; 4) spätná väzba - riadenie činnosti ventilu v dôsledku procesov v samotnom oscilačnom systéme.

Tranzistorový oscilátor je príkladom samooscilačného systému. Na obrázku nižšie je znázornená zjednodušená schéma takéhoto generátora, v ktorom tranzistor zohráva úlohu "ventilu". Oscilačný obvod je pripojený k zdroju prúdu v sérii s tranzistorom. Emitorový prechod tranzistora cez cievku Lsv je indukčne spojený s oscilačným obvodom. Táto cievka sa nazýva spätná väzba.

Pri uzavretom obvode prechádza tranzistorom prúdový impulz, ktorý nabíja kondenzátor C oscilačného obvodu, v dôsledku čoho dochádza v obvode k voľným elektromagnetickým osciláciám s malou amplitúdou.

Prúd pretekajúci slučkovou cievkou L indukuje striedavé napätie na koncoch spätnoväzbovej cievky. Pod pôsobením tohto napätia sa elektrické pole emitorového prechodu periodicky zvyšuje a potom oslabuje a tranzistor sa buď otvára alebo zatvára. Počas tých časových období, keď je tranzistor otvorený, ním prechádzajú prúdové impulzy. Ak je cievka Lsv pripojená správne (kladná spätná väzba), frekvencia prúdových impulzov sa zhoduje s frekvenciou kmitov, ktoré vznikli v obvode, a prúdové impulzy vstupujú do obvodu v tých okamihoch, keď sa kondenzátor nabíja (keď horná doska kondenzátora je kladne nabitá). Prúdové impulzy prechádzajúce cez tranzistor preto dobíjajú kondenzátor a dopĺňajú energiu obvodu a oscilácie v obvode neutnú.

Ak s pozitívnou spätnou väzbou pomaly zväčšujete vzdialenosť medzi cievkami Ls a L, potom pomocou osciloskopu môžete zistiť, že amplitúda vlastných kmitov klesá a samooscilácie sa môžu zastaviť. To znamená, že pri slabej spätnej väzbe je energia vstupujúca do obvodu menšia ako energia nevratne premenená na vnútornú energiu.

Spätná väzba teda musí byť taká, že: 1) napätie na prechode emitora sa mení vo fáze s napätím na kondenzátore obvodu - to je fázová podmienka pre samobudenie generátora; 2) spätná väzba by zabezpečila, že do obvodu sa dostane toľko energie, koľko je potrebné na kompenzáciu energetických strát v obvode – to je amplitúdová podmienka pre samobudenie.

Frekvencia vlastných kmitov sa rovná frekvencii voľných kmitov v obvode a závisí od jeho parametrov.

Znížením L a C je možné získať vysokofrekvenčné netlmené oscilácie používané v rádiotechnike.

Amplitúda ustálených vlastných kmitov, ako ukazuje skúsenosť, nezávisí od počiatočných podmienok a je určená parametrami samooscilačného systému - napätím zdroja, vzdialenosťou medzi Lsv a L a odporom slučky.