Данный справочник собран из разных источников. Но на его создание подтолкнула небольшая книжка "Массовой радиобиблиотеки" изданная в 1964 году, как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1961 году. Не смотря на такую ее древность, она является моей настольной книгой (наряду с несколькими другими справочниками). Думаю время над такими книгами не властно, потому что основы физики, электро и радиотехники (электроники) незыблемы и вечны.
Основные зависимости
В практике расчетов избирательных систем на
колебательных контурах для их расчетов используются
L, C, R пот и определяемая ими
f рез колебательного контура
. |
f рез = 1/ 2π (L C) 1/2 |
Производные от них Q - добротность резонансной цепи определяющая ее резонансные свойства, такие, как полоса пропускания Δf . |
Δf = Q f рез |
R ое (сопротивление потерь) (R рез в других источниках) определяющие свойства параллельного колебательного контура как нагрузки или источника сигнала. |
R ое = 6,28 f L Q = 159 10 3 Q / f C (1); |
Сопротивление потерь для последовательного колебательного контура , |
r ое = 6,28 f L / Q = 159 10 3 / C Q (2); |
W или ρ - волновое сопротивление контура, которое необходимо знать при использовании колебательного контура в сложных избирательных системах. |
ρ = (L/C) 1/2 ; |
Добротность колебательных контуров
определяется
добротностью индуктивности. Реально добротность колебательного контура ниже чем расчетная это вызкано шунтированием контура входным или выходным сопротивлением усилительных устройств. Для снижения добротности (получение заданной добротности) и получения широкой (заданной) полосы пропускания применяется искусственное шунтирование параллельного колебательного контура. Для этого параллельно Rое включается внешнее сопротивление Rш, в результате эквивалентная добротность определяется Rэ = Rое || Rш. |
R ое э = 6,28 f L Q э
= 159 10 3 Q э / f C (3) |
В формулах 1, 2 и 3 используют Rое - в КОм, f - в кгц, L - в мкГн, C - в пф. в остальных генри, фарады, омы, герцы. |
Последовательный колебательный контур
L - индуктивность, гн,
С - емкость, ф;
L - индуктивность, мгн,
С - емкость, пф;
L - индуктивность, мкгн,
С
-
емкость, пф.
Ток в последовательном резонансном контуре
В этом случае резонансная частота должна быть равна промежуточной частоте. Последовательный колебательный контур часто применяется при измерении добротности катушек индуктивности (рис. 43). Для этого при неизменном входном напряжении измеряют резонансное напряжение на конденсаторе переменной емкости. Добротность катушки определяется по формуле
b - абсолютная полоса пропускания, заключенная между двумя точками резонансной кривой, взятыми на уровне 0,707 от максимальной амплитуды.
d - потери колебательного контура,
При резонансной частоте f 0
На частотах, отличающихся от резонансной, справедливы следующие формулы:
L - индуктивность, гн;
С - емкость, ф.
Параллельный колебательный контур
В параллельном колебательном
контуре индуктивность
L
,
емкость
С
и сопротивление потерь
R пар
соединены параллельно (рис. 51). Такой колебательный контур получил очень широкое распространение в радиотехнике. При расчете сопротивления параллельных колебательных
контуров удобно исходить из величин проводимости,
так как в этом случае задача сводится к сложению
этих величин. |
||||||||||||
Так как R = 1/G, то | ||||||||||||
|
||||||||||||
Фазовый угол: | ||||||||||||
На резонансной частоте (ω 0) оба реактивных сопротивления равны по модулю: | ||||||||||||
Следовательно, формулы для вычисления
резонансной частоты одинаковы для параллельного и
последовательного колебательных контуров. В параллельном колебательном контуре токи в ветвях с реактивными сопротивлениями оказываются в Q раз больше, чем ток в общей ветви: |
||||||||||||
При настройке параллельного контура на
резонансную частоту реактивные сопротивления взаимно
уничтожаются, и на активном сопротивлении R пар
происходит выделение резонансного напряжения. Это
явление используется в приемниках и передатчиках. Резонансное сопротивление параллельного колебательного контура |
||||||||||||
где: R s - активное сопротивление потерь, ом; L - индуктивность, гн; С - емкость, ф. Величина резонансного сопротивления зависит от добротности контура : |
||||||||||||
где:
d - коэффициент потерь контура. Если, настроив контур в резонанс, изменить емкость С вблизи резонансной частоты так, чтобы напряжение на контуре составляло 0,707 от значения максимального напряжения, то резонансное сопротивление можно найти из выражения |
||||||||||||
где: ΔС - изменение емкости, ф. Ширина полосы пропускания параллельного колебательного контура |
||||||||||||
Если необходимо увеличить ширину полосы пропускания параллельного колебательного контура, то это можно сделать, зашунтировав контур активным сопротивлением. Величина шунта | ||||||||||||
где: L - индуктивность, гн; С - емкость, ф; R s - последовательное сопротивление потерь, ом; Rl
- последовательное сопротивление потерь
катушки, необходимое для получения требуемой полосы
пропускания, ом
В случае использования нескольких колебательных
контуров с одинаковой резонансной частотой, например
в многоконтурных приемниках прямого усиления, ширина
полосы пропускания уменьшается (по сравнению с
полосой одиночного контура) В двухконтурном
приемнике она составляет 0,642 b
,
а в
трехконтурном
- 0,51 b
Диапазон изменения емкости конденсатора: |
||||||||||||
C = C макс - C мин |
||||||||||||
где: С макс - конечная емкость конденсатора, пф; С мин - начальная емкость конденсатора, пф. При расчете необходимо учитывать все остальные емкости, включенные параллельно, в том числе емкость подстроечного конденсатора С п , емкость монтажа С м и собственную емкость катушки индуктивности С к: |
||||||||||||
C пар = C п + C м + C к |
||||||||||||
С учетом емкости С пар величина изменения емкости колебательного контура | ||||||||||||
C = (C макс + C пар) - (C мин +C пар) = C кон - C нач; C кон = C макс + C пар; C нач = C мин + C пар. |
||||||||||||
где: С нач - начальная емкость колебательного контура, пф; С кон - конечная емкость колебательного контура, пф. Коэффициент перекрытия диапазона, т. е. отношение минимальной частоты к максимальной частоте контура, определяется из формулы |
||||||||||||
Таким образом, чтобы получить, например,
отношение частот 1: 3
, необходимо обеспечить
отношение емкостей 1: 9
. Необходимая параллельная индуктивность рассчитывается по формуле: |
||||||||||||
где: f макс - максимальная частота, кгц; С нач - начальная емкость, пф При налаживании точная установка верхней границы
диапазона производится подстроечным конденсатором
при полностью выведенном конденсаторе переменной
емкости. |
||||||||||||
Если Rн - омическое сопротивление, то результирующее сопротивление контура определяется по формуле | ||||||||||||
где R рез - резонансное сопротивление
параллельного контура при отключенном сопротивлении
Rн
.
Сопротивление R рез и пересчитанное сопротивление нагрузки R н n 2 показаны на рис. 52 штриховыми линиями. При рассмотрении цепи постоянного тока мы указывали, что генератор с внутренним сопротивлением R i отдает максимальную мощность сопротивлению нагрузки R н в том случае, если R i = R н. |
||||||||||||
|
||||||||||||
Это положение
остается в силе и для контуров связи оконечных
каскадов передатчиков с антенной, где
рассогласование может привести к перегрузке
усилительного прибора (транзистора или лампы). Точно
так же во избежание отражений кабель всегда
нагружают на его волновое сопротивление. На рис. 53 и 54 показаны схемы согласования с помощью Г-образного звена фильтра нижних частот., Конденсатор в цепи переменного тока, Индуктивность в цепи переменного тока, Мощность переменного тока Основные зависимости, Последовательный колебательный контур, Параллельный колебательный контур Входная цепь приемника RC и LC фильтры - общие положения, RC фильтры, LC фильтры Аттенюаторы, Согласование источника с нагрузкой по мощности, току и напряжению Основные параметры передающих антенн, Параметры приемных антенн, Вибраторные антенны, Рамочные антенны, Приемные ферритовые антенны, Формулы для расчета вибраторных антенн РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ - Общие положения, ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН, Преломление и отражение радиоволн в ионосфере, Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн, Особенности распространения средних волн, Особенности распространения коротких волн, РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН В ПРИЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ, Распространения радиоволн над поверхностью земли, дальний прием Чтобы понять причину возникновения резонанса необходимо разобраться как течёт ток через конденсатор и катушку индуктивности. На резонансной частоте для контура, состоящего из конденсатора и катушки индуктивности, неважно параллельный он или последовательный, их сопротивления равны и сдвиг фаз между напряжением и током равен нулю. Ведь действительно если подумать, то в конденсаторе ток опережает напряжение на 90 градусов, то есть +90 градусов, а в катушке индуктивности ток отстает от напряжения на 90 градусов, то есть -90 градусов и если сложить их получится нуль. Для пары, конденсатор и катушка индуктивности параллельный и последовательный резонанс возникают на одной и той же частоте. Давайте рассмотрим резонанс в последовательном колебательном контуре. На верхнем графике изображена зависимость тока от времени, протекающего через контур, ниже два графика это напряжения, на конденсаторе и катушке, самый нижний это сумма напряжений на катушке и конденсаторе. Видно, что суммарное напряжение на конденсаторе и катушке индуктивности равно нулю, также говорят, что сопротивление последовательного колебательного контура на резонансной частоте стремится к нулю. Давайте соберем простую схему, изображенную на рисунке. Сопротивление резистора должно быть больше выходного сопротивления генератора, то есть больше 50 Ohm, я взял первый попавшийся. Расчетная резонансная частота такого контура 270 KHz, но так как номиналы имеют определенный допуск, который обычно указывается в процентах, придется ее подобрать. Подбирать будем исходя из того, что сопротивления катушки индуктивности и конденсатора на резонансной частоте равны, а так как они соединены последовательно, то равны и падения напряжений. Первый канал показывает напряжение на контуре, второй канал напряжение на катушке, канал Math показывает разность между первым и вторым каналом, а по сути напряжение на конденсаторе. Причина по которой, я не подключил щуп осциллографа параллельно конденсатору, будет подробно описана в следующей статье. Если кратко, то есть правило подключать земляной крокодил только к земле, если осциллограф и исследуемая схема питаются от бытовой сети и имеют заземление. Делается это, для того чтобы не спалить исследуемую схему и осциллограф. На осциллограммах видно, что на резонансной частоте падение напряжения на катушке и конденсаторе равны и противоположны по знаку, а суммарное падение напряжения на контуре стремится к нулю. В последовательном колебательном контуре на резонансной частоте напряжение на катушке и конденсаторе выше чем на генераторе. Давайте увеличим частоту и посмотри что изменится. Видим, что напряжение на катушке увеличилось потому, что увеличилось её сопротивление, так как оно прямо пропорционально зависит от частоты. Напряжение на конденсаторе уменьшилось потому, что его сопротивление с ростом частоты уменьшается. Теперь уменьшим частоту. Видим, что напряжение на конденсаторе увеличилось, а на катушке уменьшилось, также надо отметить, что разность фаз между сигналами равна 180 градусам. Давайте теперь рассмотрим резонанс в параллельном контуре, ситуация аналогичная с последовательным контуром, только в последовательном мы рассматривали напряжения, а в параллельном будем рассматривать токи. Видим, что токи сдвинуты относительно друг друга на 180 градусов, а их сумма равна нулю, то есть ток через контур не течет, а его сопротивление стремится к бесконечности. Параллельный колебательный контур используют как полосно-заграждающий фильтр, радиолюбители называют его фильтр- пробка. Он не пропускает напряжение частота которого равна его резонансной частоте. Давайте соберем простую схему, изображенную на картинке ниже и посмотрим как будет изменяться напряжение на концах контура в зависимости от частоты. Так как конденсатор и индуктивность те же, что и в прошлом эксперименте резонансная частота контура та же. На резонансной частоте сопротивление контура стремится к бесконечности, следовательно и напряжение будет максимально. Давайте уменьшим частоту. Видим, что напряжение на контуре уменьшилось, произошло это потому, что сопротивление катушки уменьшилось и она зашунтировала конденсатор. Теперь давайте увеличим частоту. С ростом частоты сопротивление конденсатора уменьшилось и он зашунтировал катушку. Пожалуй, это всё, что хотелось рассказать про резонанс. Сегодня нас интересует простейший колебательный контур , его принцип работы и применение. За полезной информацией по другим темам переходите на наш телеграм-канал .
Первое, что приходит на ум - это механические колебания математического или пружинного маятников. Но ведь колебания бывают и электромагнитными.
Такой контур представляет собой электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью C . Соединены эти два элемента могут быть лишь двумя способами - последовательно и параллельно. Покажем на рисунке ниже изображение и схему простейшего колебательного контура. Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на . Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на . Принцип действия колебательного контураДавайте рассмотрим пример, когда сначала мы заряжаем конденсатор и замыкаем цепь. После этого в цепи начинает течь синусоидальный электрический ток. Конденсатор разряжается через катушку. В катушке при протекании через нее тока возникает ЭДС самоиндукции , направленная в сторону, противоположную току конденсатора. Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнет заряжаться вновь, но только в обратной полярности. Колебания, которые происходят в контуре – свободные затухающие колебания. То есть без дополнительной подачи энергии колебания в любом реальном колебательном контуре рано или поздно прекратятся, как и любые колебания в природе. Это обусловлено тем, что контур состоит из реальных материалов (конденсатор, катушка, провода), обладающих таким свойством, как электрическое сопротивление, и потери энергии в реальном колебательном контуре неизбежны. В противном случае это нехитрое устройство могло бы стать вечным двигателем , существование которого, как известно, невозможно. Еще одна важная характеристика – добротность Q . Добротность определяет амплитуду резонанса и показывает, во сколько раз запасы энергии в контуре превышают потери энергии за один период колебаний. Чем выше добротность системы, тем медленнее будут затухать колебания. Резонанс LC-контураЭлектромагнитные колебания в происходят с определенной частотой, которая называется резонансной Подробнее про – в нашей отдельной статье. Частоту колебаний можно менять, варьируя такие параметры контура, как емкость конденсатора C , индуктивность катушки L , сопротивление резистора R (для LCR-контура ). Применение колебательного контураКолебательный контур широко применяется на практике. На его основе строятся частотные фильтры, без него не обходится ни один радиоприемник или генератор сигналов определенной частоты. Если вы не знаете, как подступиться к расчету LC-контура или на это совершенно нет времени, обратитесь в профессиональный студенческий сервис . Качественная и быстрая помощь в решении любых задач не заставит себя ждать! Основным устройством, определяющим рабочую частоту любого генератора переменного тока, является колебательный контур. Колебательный контур (рис.1) состоит из катушки индуктивности L (рассмотрим идеальный случай, когда катушка не обладает омическим сопротивлением) и конденсатора C и называется замкнутым. Характеристикой катушки является индуктивность, она обозначается L и измеряется в Генри (Гн), конденсатор характеризуют емкостью C , которую измеряют в фарадах (Ф). Пусть в начальный момент времени конденсатор заряжен так (рис.1), что на одной из его обкладок имеется заряд +Q 0 , а на другой - заряд -Q 0 . При этом между пластинами конденсатора образуется электрическое поле, обладающее энергией где - амплитудное (максимальное) напряжение или разность потенциалов на обкладках конденсатора. После замыкания контура конденсатор начинает разряжаться и по цепи пойдет электрический ток (рис.2), величина которого увеличивается от нуля до максимального значения . Так как в цепи протекает переменный по величине ток, то в катушке индуцируется ЭДС самоиндукции, которая препятствует разрядке конденсатора. Поэтому процесс разрядки конденсатора происходит не мгновенно, а постепенно. В каждый момент времени разность потенциалов на обкладках конденсатора (где - заряд конденсатора в данный момент времени) равна разности потенциалов на катушке, т.е. равна ЭДС самоиндукции
Когда конденсатор полностью разрядится и , сила тока в катушке достигнет максимального значения (рис.3). Индукция магнитного поля катушки в этот момент также максимальна, а энергия магнитного поля будет равна Затем сила тока начинает уменьшаться, а заряд будет накапливаться на пластинах конденсатора (рис.4). Когда сила тока уменьшится до нуля, заряд конденсатора достигнет максимального значения Q 0 , но обкладка, прежде заряженная положительно, теперь будет заряжена отрицательно (рис. 5). Затем конденсатор вновь начинает разряжаться, причем ток в цепи потечет в противоположном направлении. Так процесс перетекания заряда с одной обкладки конденсатора на другую через катушку индуктивности повторяется снова и снова. Говорят, что в контуре происходят электромагнитные колебания . Этот процесс связан не только с колебаниями величины заряда и напряжения на конденсаторе, силы тока в катушке, но и перекачкой энергии из электрического поля в магнитное и обратно.
Перезарядка конденсатора до максимального напряжения произойдет только в том случае, когда в колебательном контуре нет потерь энергии. Такой контур называется идеальным. В реальных контурах имеют место следующие потери энергии: 1) тепловые потери, т.к. R ¹ 0; 2) потери в диэлектрике конденсатора; 3) гистерезисные потери в сердечнике катушке; 4) потери на излучение и др. Если пренебречь этими потерями энергии, то можно написать, что , т.е. Колебания, происходящие в идеальном колебательном контуре, в котором выполняется это условие, называются свободными , или собственными , колебаниями контура. В этом случае напряжение U (и заряд Q ) на конденсаторе изменяется по гармоническому закону: где n - собственная частота колебательного контура, w 0 = 2pn - собственная (круговая) частота колебательного контура. Частота электромагнитных колебаний в контуре определяется как Период T - время, в течение которого совершается одно полное колебание напряжения на конденсаторе и тока в контуре, определяется формулой Томсона Сила тока в контуре также изменяется по гармоническому закону, но отстает от напряжения по фазе на . Поэтому зависимость силы тока в цепи от времени будет иметь вид . (9) На рис.6 представлены графики изменения напряжения U на конденсаторе и тока I в катушке для идеального колебательного контура. В реальном контуре энергия с каждым колебанием будет убывать. Амплитуды напряжения на конденсаторе и тока в контуре будут убывать, такие колебания называются затухающими. В задающих генераторах их применять нельзя, т.к. прибор будет работать в лучшем случае в импульсном режиме.
Для получения незатухающих колебаний необходимо компенсировать потери энергии при самых разнообразных рабочих частотах приборов, в том числе и применяемых в медицине. В радиотехнике широкое применение имеют электрические цепи, составленные из катушки индуктивности и конденсатора. Такие цепи в радиотехнике называются колебательными контурами. Источник переменного тока к колебательному контуру может быть присоединен двумя способами: последовательно (рисунок 1а) и параллельно (рисунок 1б). Рисунок 1. Схемотическое обозначение колебательного контура. а) последовательный колебательный контур; б) параллельный колебательный контур. Рассмотрим поведение колебательного контура в цепи переменного тока при последовательном соединении контура и источника тока (рис 1а). Мы знаем, что такая цепь оказывает переменному току реактивное сопротивление , равное: где R L - активное сопротивление катушки индуктивности в ом; ωL ,-индуктивное сопротивление катушки индуктивности в ом; 1/ωC -емкостное сопротивление конденсатора в ом. Активное сопротивление катушки R L практически очень мало изменяется при изменении частоты (если пренебречь поверхностным эффектом). Индуктивное и емкостное сопротивления в очень сильной степени зависят от частоты, а именно: индуктивное сопротивление ωL увеличивается прямо пропорционально частоте тока, а емкостное сопротивление 1/ωC уменьшается при повышении частоты тока, т. е. оно связано с частотой тока обратно пропорциональной зависимостью. Отсюда непосредственно следует, что реактивное сопротивление последовательного колебательного контура также зависит от частоты, и колебательный контур будет оказывать токам разных частот неодинаковое сопротивление. Если мы будем измерять реактивное сопротивление колебательного контура при различных частотах, то обнаружим, что в области низких частот сопротивление последовательного контура очень велико; при увеличении частоты оно уменьшается до некоторого предела, а затем начинает снова возрастать. Объясняется это тем, что в области низких частот ток испытывает большое сопротивление со стороны конденсатора, при увеличении же частоты начинает действовать индуктивное сопротивление, компенсирующее действие емкостного сопротивления. При некоторой частоте индуктивное сопротивление становится равным емкостному, т. е. Они будут взаимно компенсировать друг друга и общее реактивное сопротивление контура станет равным нулю: При этом реактивное сопротивление последовательного колебательного контура будет равно только его активному сопротивлению, так как При дальнейшем повышении частоты ток будет испытывать все большее и большее сопротивление со стороны индуктивности катушки, при одновременном уменьшении компенсирующего действия емкостного сопротивления. Поэтому реактивное сопротивление контура начнет снова возрастать. На рисунке 2а приведена кривая, показывающая изменение реактивного сопротивления последовательного колебательного контура при изменении частоты тока. Рисунок 2. Резонанс напряжений. а) зависимость изменения полного сопротивления от частоты; б) зависимость реактивного сопротивления от активного сопротивления контура; в) кривые резонанаса. Частота тока, при которой сопротивление колебательного контура делается наименьшим, называется частотой резонанса или резонансной частотой колебательного контура. При резонансной частоте имеет место равенство: пользуясь которым, нетрудно определить частоту резонанса: (1) Единицами в этих формулах служат герцы, генри и фарады. Из формулы (1) видно, что чем меньше величины емкости и самоиндукции колебательного контура, тем больше будет его резонансная частота. Величина активного сопротивления R L не влияет на резонансную частоту, однако от нее зависит характер изменения Z . На рисунке 2б приведен ряд графиков изменения реактивного сопротивления колебательного контура при одних и тех же величинах L и С , но при разных R L . Из этого рисунка видно, что чем больше активное сопротивление последовательного колебательного контура, тем тупее становится кривая изменения реактивного сопротивления. Теперь рассмотрим, как будет изменяться сила тока в колебательном контуре, если мы будем изменять частоту тока. При этом мы будем считать, что напряжение, развиваемое источником переменного тока, остается все время одним и тем же. Так как источник тока включен последовательно с L и С контура, то сила тока, протекающего через катушку и конденсатор, будет тем больше, чем меньше реактивное сопротивление колебательного контура в целом, так как Отсюда непосредственно следует, что при резонансе сила тока в колебательном контуре будет наибольшей. Величина тока при резонансе будет зависеть от напряжения источника переменного тока и от активного сопротивления контура: На рисунке 2г изображен ряд графиков изменения силы тока в последовательном колебательном контуре при изменении частоты тока так называемых кривых резонанса . Из этого рисунка видно, что чем больше активное сопротивление контура, тем тупее кривая резонанса. При резонансе сила тока может достигать огромных значений при сравнительно малой внешней ЭДС . Поэтому падения напряжения на индуктивном и емкостном сопротивлениях контура, т. е. на катушке и на конденсаторе, могут достигать очень больших величии и далеко превосходить величину внешнего напряжения. Последнее утверждение на первый взгляд может показаться несколько странным, однако нужно помнить, что фазы напряжений на емкостном и индуктивном сопротивлениях сдвинуты друг относительно друга на 180°, т. е. мгновенные значения напряжений на катушке и конденсаторе направлены всегда в противоположные стороны. Вследствие этого большие напряжения, существующие при резонансе внутри контура на его катушке и конденсаторе, ничем не обнаруживают себя вне контура, взаимно компенсируя друг друга. Разобранный нами случай последовательного резонанса называется резонансом напряжений , так как в этом случае в момент резонанса имеет место резкое увеличение напряжения на L и С колебательного контура. |