Rezonans jest jednym z najczęstszych.w naturze zjawisk fizycznych. Zjawisko rezonansu można zaobserwować w układach mechanicznych, elektrycznych, a nawet termicznych. Bez rezonansu nie mielibyśmy radia, telewizji, muzyki, a nawet huśtawek na placach zabaw, nie wspominając o najskuteczniejszych systemach diagnostycznych stosowanych we współczesnej medycynie. Jednym z najbardziej interesujących i użytecznych rodzajów rezonansu w obwodzie elektrycznym jest rezonans napięcia.
Elementy obwodu rezonansowego
Zjawisko rezonansu może wystąpić w tak zwanym obwodzie RLC, zawierającym następujące elementy:
- R - rezystory.Urządzenia te, związane z tak zwanymi aktywnymi elementami obwodu elektrycznego, przetwarzają energię elektryczną w ciepło. Innymi słowy, usuwają energię z obwodu i przekształcają ją w ciepło.
- L jest indukcyjnością.Indukcyjność w obwodach elektrycznych jest analogiem masy lub bezwładności w układach mechanicznych. Ten element nie jest bardzo zauważalny w obwodzie elektrycznym, dopóki nie spróbujesz wprowadzić w nim żadnych zmian. Na przykład w mechanice taka zmiana jest zmianą prędkości. W obwodzie elektrycznym zmiana prądu. Jeśli nastąpi z jakiegokolwiek powodu, indukcyjność przeciwdziała takiej zmianie trybu obwodu.
- C to oznaczenie kondensatorów, któresą urządzeniami przechowującymi energię elektryczną, podobnie jak sprężyny magazynują energię mechaniczną. Indukcyjność koncentruje i zachowuje energię magnetyczną, podczas gdy kondensator koncentruje ładunek, a tym samym magazynuje energię elektryczną.
Pojęcie obwodu rezonansowego
Kluczowe elementy obwodu rezonansowegooznaczają indukcyjność (L) i pojemność (C). Rezystor ma tendencję do zawilgocenia, więc usuwa energię z obwodu. Rozważając procesy zachodzące w obwodzie oscylacyjnym, tymczasowo go ignorujemy, ale musimy pamiętać, że podobnie jak siła tarcia w układach mechanicznych, nie można wyeliminować rezystancji elektrycznej w łańcuchach.
Rezonans napięcia i rezonans prądu
W zależności od metody połączenia kluczemelementy obwodu rezonansowego mogą być szeregowe i równoległe. Kiedy szeregowy obwód oscylacyjny jest podłączony do źródła napięcia o częstotliwości sygnału odpowiadającej częstotliwości naturalnej, w pewnych warunkach powstaje w nim rezonans napięcia. Rezonans w obwodzie elektrycznym z elementami reaktywnymi połączonymi równolegle nazywa się rezonansem prądowym.
Częstotliwość naturalna obwodu rezonansowego
Możemy sprawić, że system oscyluje znaturalna frekwencja. Aby to zrobić, musisz najpierw naładować kondensator, jak pokazano na lewym górnym obrazku. Gdy to zrobisz, klucz zostanie przesunięty do pozycji pokazanej na tym samym rysunku po prawej stronie.
W czasie „0” cała energia elektrycznajest przechowywany w kondensatorze, a prąd w pętli wynosi zero (rysunek poniżej). Zauważ, że górna płyta kondensatora jest naładowana dodatnio, a dolna ujemna. Nie widzimy oscylacji elektronów w obwodzie, ale możemy zmierzyć prąd amperomierzem, a za pomocą oscyloskopu prześledzić naturę zależności prądu od czasu. Zauważ, że T na naszym wykresie to czas potrzebny na ukończenie jednego wahnięcia, który w elektrotechnice nazywa się okresem wahnięcia.
Prąd płynie zgodnie z ruchem wskazówek zegara (rysunek poniżej).Energia jest przekazywana z kondensatora do cewki indukcyjnej. Na pierwszy rzut oka może wydawać się dziwne, że indukcyjność zawiera energię, ale jest ona podobna do energii kinetycznej zawartej w poruszającej się masie.
Przepływ energii wraca z powrotem do kondensatora,ale zauważ, że polaryzacja kondensatora się zmieniła. Innymi słowy, dolna płyta jest teraz naładowana dodatnio, a górna ujemnie (rysunek poniżej).
Teraz system jest całkowicie odwrócony, a energiazaczyna płynąć z kondensatora z powrotem do indukcyjności (rysunek poniżej). W rezultacie energia jest w pełni zwracana do punktu początkowego i jest gotowa do ponownego rozpoczęcia cyklu.
Częstotliwość drgań można przybliżyć w następujący sposób:
- F = 1/2π (LC)0,5,
gdzie: F – częstotliwość, L – indukcyjność, C – pojemność.
Proces rozważany w tym przykładzie odzwierciedla fizyczną istotę rezonansu naprężeń.
Badanie rezonansu napięciowego
Oczywiście tam, gdzie występuje naturalna częstotliwośćoscylacje, istnieje możliwość wzbudzenia procesu rezonansowego. Robimy to, łącząc łańcuchowo zasilacz prądu przemiennego (AC), jak pokazano na rysunku po lewej stronie. Termin „zmienny” oznacza, że napięcie wyjściowe źródła oscyluje z określoną częstotliwością. Gdy częstotliwość zasilania jest zgodna z częstotliwością własną obwodu, pojawia się rezonans napięciowy.
Warunki wystąpienia
Teraz rozważymy warunki wystąpieniarezonans napięcia. Jak pokazano na ostatnim rysunku, wstawiamy rezystor z powrotem w pętlę. W przypadku braku rezystora w obwodzie prąd w obwodzie rezonansowym wzrośnie do pewnej maksymalnej wartości określonej przez parametry elementów obwodu i moc źródła zasilania. Zwiększenie rezystancji rezystora w obwodzie rezonansowym zwiększa tendencję do tłumienia prądu w obwodzie, ale nie wpływa na częstotliwość drgań rezonansowych. Z reguły tryb rezonansu napięciowego nie występuje, jeśli rezystancja obwodu rezonansowego spełnia warunek R = 2 (L / C)0,5.
Wykorzystanie rezonansu napięciowego do przesyłania sygnałów radiowych
Zjawisko rezonansu napięcia to nie tylko isnajciekawsze zjawisko fizyczne. Odgrywa wyłączną rolę w technologii komunikacji bezprzewodowej - radio, telewizja, telefonia komórkowa. Nadajniki używane do bezprzewodowej transmisji informacji z konieczności zawierają obwody zaprojektowane tak, aby rezonować z określoną częstotliwością dla każdego urządzenia, zwaną częstotliwością nośną. Po podłączeniu do nadajnika anteny nadawczej emituje fale elektromagnetyczne o częstotliwości nośnej.
Antena na drugim końcu ścieżki nadawczej/odbiorczejodbiera ten sygnał i podaje go do obwodu odbiorczego zaprojektowanego do rezonansu na częstotliwości nośnej. Oczywiście antena odbiera wiele sygnałów o różnych częstotliwościach, nie mówiąc już o szumach tła. Ze względu na obecność na wejściu urządzenia odbiorczego, dostrojonego do częstotliwości nośnej obwodu rezonansowego, odbiornik wybiera jedyną prawidłową częstotliwość, odfiltrowując wszystkie niepotrzebne.
Po wykryciu modulowanej amplitudy(AM) sygnału radiowego, wydobyty z niego sygnał o niskiej częstotliwości (LF) jest wzmacniany i podawany do urządzenia odtwarzającego dźwięk. Ta najprostsza forma transmisji radiowej jest bardzo podatna na zakłócenia i zakłócenia.
Aby poprawić jakość otrzymywanych informacjiopracował i z powodzeniem zastosował inne, bardziej zaawansowane metody transmisji sygnału radiowego, które również opierają się na wykorzystaniu strojonych układów rezonansowych.
Modulacja częstotliwości lub radio FM rozwiązuje wiele problemówproblemy transmisji radiowej z sygnałem transmisyjnym z modulacją amplitudy, ale jest to osiągane kosztem znacznej komplikacji systemu transmisyjnego. W radiu FM dźwięki systemowe w torze elektronicznym zamieniane są na niewielkie zmiany częstotliwości nośnej. Urządzenie, które wykonuje tę konwersję, nazywa się „modulatorem” i jest używane z nadajnikiem.
W związku z tym do odbiornika musi zostać dodany demodulator, aby przekonwertować sygnał z powrotem do postaci, która może być odtworzona przez głośnik.
Inne zastosowania rezonansu napięcia
Rezonans napięciowy jako podstawowa zasadajest również wbudowany w obwody wielu filtrów szeroko stosowanych w elektrotechnice w celu wyeliminowania szkodliwych i niepotrzebnych sygnałów, wygładzenia tętnień i generowania sygnałów sinusoidalnych.
