73542

Простые колебательные контуры

Лекция

Физика

Цепи в которых возникает явление резонанса называют колебательными контурами или резонансными цепями. изображена схема последовательного контура с реактивными элементами L и С и активным сопротивлением R характеризующим потери в контуре. Комплексное входное сопротивление контура на данной частоте определяется согласно уравнению...

Русский

2014-12-17

106 KB

3 чел.

2.2.1 Простые колебательные контуры

Резонансом называют такое состояние электрической цепи, состоящей из разнохарактерных реактивных элементов, при котором фазовый сдвиг между входным током и приложенным напряжением равен нулю. Цепи, в которых возникает явление резонанса, называют колебательными контурами, или резонансными цепями.

Резонансные цепи являются составной частью многих устройств: избирательные цепи, частотно-зависимые элементы автогенераторов, фильтров, других аналоговых устройств. Для получения высоких технико-экономических показателей (избирательности, полосы пропускания, коэффициента прямоугольности, равномерности и т. д.) резонансные цепи должны иметь достаточно сложную структуру (многоконтурные связанные цепи, активные резонансные системы и др.).

Простейший колебательный контур содержит индуктивный и ёмкостной элементы, соединенные последовательно (последовательный контур) или параллельно (параллельный контур). Различают два типа резонансов: напряжений и токов. В последовательном контуре возникает резонанс напряжении, а в параллельном — резонанс токов. Частоту, на которой наблюдается явление резонанса, называют резонансной.

2.2.2 Последовательный колебательный контур и резонанс напряжений

На рисунке 8.1 изображена схема последовательного контура с реактивными элементами L и С и активным сопротивлением R, характеризующим потери в контуре.

Рисунок 8.1 - Последовательный колебательный контур

Приложим к контуру гармоническое напряжение с частотой w. Комплексное входное сопротивление контура на данной частоте определяется согласно уравнению:

= R + jX = R + j(w L - 1/w C),                                                                        (1)

а ток в контуре уравнением = //(R + jX).

Фазовый сдвиг между током и приложенным напряжением

j = arctg = arctg X/R .                                                                  (2)

При резонансе j = 0, что возможно, если X = w L - (1/w C) = 0. Отсюда получаем уравнение резонансной частоты w0:

w = w0 =  .                                                                                             (3)

На резонансной частоте комплексное сопротивление носит чисто активный характер, т. е.  =  R, ток совпадает по фазе с приложенным напряжением и достигает максимального значения . Реактивные сопротивления контура на резонансной частоте w0 будут равны друг другу:

XL0 = XC0 = w0L = 1/(w0C) = = r .                                                (4)

Величина r носит название волнового (характеристического) сопротивления контура. Резонансные свойства контура характеризуются добротностью контура: Q = r /R. 

Величина Q безразмерна и обычно колеблется для реальных контуров от 10 до 100 и выше. Для выяснения физического смысла параметра Q найдем отношение действующих значений напряжений на реактивных элементах (L и С) к действующему значению приложенного напряжения при резонансе:

UL0/U = UC0/U = (I0w0L)/U = I0/(w0CU) = r/R = Q .                                         (5)

Таким образом, добротность Q показывает, во сколько раз резонансные напряжения на реактивных элементах превышают приложенное напряжение. Отсюда следует и термин резонанс напряжений”. Энергия источника расходуется только на покрытие тепловых потерь в элементе активного сопротивления R; реактивная мощность при резонансе не потребляется.

2.2.3 Частотные характеристики и полоса пропускания последовательного колебательного контура

Анализируя характер уравнений напряжений и токов в RLC-цепи, фазовых сдвигов между ними при гармоническом воздействии, видно, что они являются частотно-зависимыми. Эта зависимость вытекает непосредственно из зависимости сопротивлений реактивных элементов ХL и ХC от частоты w. На рисунке 8.2 изображены зависимости ХL(w), ХC(w), Z(w), j (w), определяемые формулами:

ХL(w) = wL;  ХC(w) = 1/(wC);  Х(w) = wL - 1/wC;                                       (6)

Z(w) = ,                                                                       (7)

j (w) = arctg{[wL - 1/(wC)]/R}.                                                                   (8)

Рисунок 8.2 - Зависимость сопротивлений и фазы от частоты в последовательном колебательном контуре

Зависимости ХL(w), ХC(w), X(w), Z(w) носят название частотных характеристик параметров цепи, а зависимость j (w) - фазо-частотной характеристики (ФЧХ).

Из представленных характеристик следует, что при w < w0 цепь имеет емкостной характер (Х<0; j<0) и ток опережает по фазе приложенное напряжение; при w > w0 характер цепи индуктивный (X>0; j>0) и ток отстает по фазе от приложенного напряжения; при w = w0 наступает резонанс напряжений (X=0; j=0) и ток совпадает по фазе с приложенным напряжением. Полное сопротивление цепи принимает при этом минимальное значение Z = R.

Зависимость действующего значения тока от частоты можно найти:

 .                                                                            (9)

Действующие значения напряжений на реактивных элементах можно найти согласно закону Ома:

UL(w) = I(w)XL(w) = .                                                       (10)

UC(w) = I(w)XC(w) =       .                                            (11)

Зависимости I(w), UL(w), UC(w) называются амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) относительно тока и напряжений, или резонансными характеристиками, (рисунок 8.3).

Рисунок 8.3 - АЧХ и полоса пропускания последовательного колебательного контура

Анализ зависимости I(w ) показывает, что она достигает максимума при резонансе w = w0:  I0 = U/R. Зависимости UL(w) и UC(w) также носят экстремальный характер, причем при w = ¥:  (XL = ¥ ) и UL(¥ ) = U; 

при w = w0 имеем:

UL(w0) = UL0 = UC0 = I0r = UQ.                                                                       (12)

Важной характеристикой колебательного контура является полоса пропускания. Полосой пропускания принято называть полосу частот вблизи резонанса, на границе которой ток снижается в раз относительно I0 (рисунок 8.3). Абсолютная полоса пропускания D fA определяется как разность граничных частот f2 и f1:

D fA = f2 - f1 = f0/Q;                                                                                         (13)

Уравнение (13) может быть положено в основу экспериментального определения добротности по АЧХ. Чем выше добротность Q, тем меньше полоса пропускания и наоборот. Причем, поскольку с увеличением потерь R добротность контура падает, то подключение к контуру сопротивления нагрузки или источника с внутренним сопротивлением приводит к расширению полосы пропускания.

 

Параллельный колебательный контур и его свойства


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41603. Hardness of Drinking Water 53.38 KB
  Shchetynsk ICS 405 Lbortory work 3 Hrdness of Drinking Wter im: to reserch the types of the hrdness of drinking wter. Theoreticl informtion Sources of Hrdness Minerls in Drinking Wter Wter is good solvent nd picks up impurities esily. Pure wter tsteless colorless nd odorless is often clled the universl solvent. When wter is combined with crbon dioxide to form very wek crbonic cid n even better solvent results.
41604. Nitrates and Nitrites 19.97 KB
  Shchetynsk ICS 405 Lbortory work 4 Nitrtes nd Nitrites Theoreticl informtion Nitrte nd nitrite re compounds tht contin nitrogen tom joined to oxygen toms with nitrte contining three oxygen toms nd nitrite contining two. In nture nitrtes re redily converted to nitrites nd vice vers. Nitrtes re used primrily to mke fertilizer but they re lso used to mke glss nd explosives. Nitrites re mnufctured minly for use s food preservtive nd both nitrtes nd nitrites re used extensively to enhnce the color nd extend the shelf life of processed mets.
41605. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕШЕНИЯ ПРОСТЕЙШИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ СРЕДСТВАМИ ТАБЛИЧНОГО ПРОЦЕССОРА 58.58 KB
  В ячейки A5, A6 и A7 введите поясняющий текст, а в ячейки B5, B6 и B7 соответствующие формулы. Например, для вычисления первого значения можно ввести формулу =4+3*X+2*X^2+X^3. Однако лучше провести вычисления по схеме Горнера, которая позволяет уменьшить число выполняемых операций. В этом случае формула примет вид =((X+2)*X+3)*X+4. Предложенные формулы используют в качестве операндов созданные имена, что делает их похожими на соответствующие математически формулы. Введите в ячейки 3 B3 и C3 конкретные значения переменных например 1. В ячейки 5 6 и 7 введите поясняющий текст а в ячейки B5 B6 и B7 соответствующие формулы. При необходимости в формулах также можно использовать и ссылки...
41606. Установка локального сервера Denwer та знайомство із середовищем phpMyadmin 205.2 KB
  Створити в папці home директорію з ім'ям, співпадаючим з ім'ям віртуального хоста (у нашому випадку test1.ru). Ім'я директорії містить крапку. Ця директорія зберігатиме директорії документів доменів третього рівня для test1.ru. Наприклад, ім'я abc.test1.ru зв'язується сервером з директорією /home/test1.ru/abc/, а ім'я abc.def.test1.ru - з /home/test1.ru/abc.def/. Піддиректорія www відповідає адресам www.test1.ru і просто test1.ru. На малюнку показано, як може виглядати директорія /home.
41607. Розрахунок площ адміністративних та побутових приміщень 80 KB
  Визначаємо очікувану кількість чоловіків і жінок друкарні, використавши для цього що характерне співвідношення для поліграфічних підприємств: чоловіків - 45%, жінок - 55%. Тоді очікувана кількість чоловіків і жінок відповідно становитиме
41608. МЕРЫ ПО УЛУЧШЕНИЮ ФИНАНСОВОГО СОСТОЯНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ ОАО «ММК-МЕТИЗ» 362.58 KB
  Рассмотреть теоретические аспекты анализа финансового состояния предприятия; Дать общую характеристику предприятия и проанализировать его финансовое состояние; Выявить проблемы финансового состояния предприятия; Разработать рекомендации по улучшению финансового состояния предприятия
41609. Решение системы линейных уравнений методом простых итераций и методом Чебышева 45.92 KB
  Требуется написать программу реализующая 2 метода решение системы линейных уравнений: 1методом простых итераций; 2методом Чебышева. Теория: 1Метод простых итераций Требуется решить систему уравнений 1 где – симметрическая положительно определенная матрица. Метод простых итераций имеет вид...
41610. Первинні засоби пожежогасіння. Вибір типу та визначення необхідної кількості первинних засобів пожежогасіння 309.89 KB
  Головним критерієм вибору виду вогнегасників є величина можливого осередку пожежі. Визначаємо рекомендовані типи вогнегасників. Користуючись рекомендаціями таблиці Д5 щодо порошкових вогнегасників визначаємо що для захисту промислових обєктів рекомендованими є такі типи переносних порошкових вогнегасників: ВП5 ВП6 ВП9 ВП12 записуємо в табл. Визначаємо кількість вогнегасників.
41611. Диференціальні рівняння в частинних похідних 44.88 KB
  resizeN1; forint i = 0; i N1; i u[0][i] = conditionih; forint j = 1; j NT; j { file T: htj endl; forint i = 1; i N; i f[i] = u[j1][i1] 2u[j1][i] u[j1][i1] 2hh u[j1][i]1 ht Q 2; l[2] = c; b[2] = f[1] c; u[j][0] = 0; u[j][N] = 0; forint i = 2; i N; i { l[i1] = c l[i]; b[i1] = f[i] b[i] c l[i]; } forint i = N1; i 0; i u[j][i] = l[i1]u[j][i1] b[i1]; int emx = 0; for int i = 0; i N; i { file x: ih ...