Рэзананс высілкаў. Што такое рэзананс у электрычнай ланцугу

Рэзананс з'яўляецца адным з самых распаўсюджаных у прыродзе фізічных з'яў. З'ява рэзанансу можна назіраць у механічных, электрычных і нават цеплавых сістэмах. Без рэзанансу ў нас не было б радыё, тэлебачання, музыкі і нават арэляў на дзіцячых пляцоўках, не кажучы ўжо пра вельмі эфектыўных дыягнастычных сістэмах, якія ўжываюцца ў сучаснай медыцыне. Адным з самых цікавых і карысных відаў рэзанансу ў электрычнай ланцугу з'яўляецца рэзананс высілкаў.

Элементы рэзананснай ланцуга

З'ява рэзанансу можа паўстаць у так званай RLC-ланцуга, якая змяшчае наступныя кампаненты:

• R - рэзістары. Гэтыя прылады, якія адносяцца да так званым актыўным элементам электрычнай ланцугу, пераўтвораць электрычную энергію ў цеплавую. Іншымі словамі, яны выдаляюць энергію з контуру і пераўтвораць яе ў цяпло.
• L - індуктыўнасць. Індуктыўнасць ў электрычных ланцугах - аналаг масы або інэрцыі ў механічных сістэмах. Гэты кампанент не вельмі прыкметны ў электрычнай ланцугу, пакуль не паспрабуеш зрабіць у ёй якія-небудзь змены. У механіцы, напрыклад, такім змяненнем з'яўляецца змяненне хуткасці. У электрычнай ланцугу - змена току. Калі яно па якой-небудзь прычыне адбываецца, індуктыўнасць процідзейнічае такой змены рэжыму ланцуга.
• З - пазначэнне для кандэнсатараў, якія ўяўляюць сабой прылады, якія захоўваюць электрычную энергію падобна таму, як спружыны захоўваюць механічную энергію. Індуктыўнасць канцэнтруе і захоўвае магнітную энергію, у той час як кандэнсатар канцэнтруе зарад і тым самым захоўвае электрычную энергію.

Паняцце рэзананснага контуру

Ключавымі элементамі рэзананснага контуру з'яўляюцца індуктыўнасць (L) і ёмістасць (C). Рэзістар мае тэндэнцыю да гашэння ваганняў, таму ён выдаляе энергію з контуру. Пры разглядзе працэсаў, якія адбываюцца ў вагальным контуры, мы яго часова ігнаруем, але неабходна памятаць, што падобна сіле трэння ў механічных сістэмах электрычны супраціў у ланцугах немагчыма ліквідаваць.

Рэзананс высілкаў і рэзананс токаў

У залежнасці ад спосабу злучэння ключавых элементаў рэзанансны контур можа быць паслядоўным і паралельным. Пры падключэнні паслядоўнага вагальнага контуру да крыніцы напружання з частатой сігналу, супадальнай з уласнай частатой, пры пэўных умовах у ім узнікае рэзананс высілкаў. Рэзананс у электрычнай ланцугу з паралельна злучанымі рэактыўнымі элементамі называецца рэзанансам токаў.

Ўласная частата рэзананснага контуру

Мы можам прымусіць сістэму вагацца з уласнай частатой. Для гэтага спачатку неабходна зарадзіць кандэнсатар, як паказана на верхнім малюнку злева. Калі гэта будзе выканана, ключ перакладаецца ў становішча, паказанае на тым жа малюнку справа.

У момант часу "0" уся электрычная энергія захоўваецца ў кандэнсатары, і ток у контуры роўны нулю (малюнак унізе). Звярніце ўвагу, што верхняя пласціна кандэнсатара зараджана станоўча, а ніжняя - адмоўна. Мы не можам бачыць ваганні электронаў у ланцугу, але мы можам вымераць ток амперметрам, а пры дапамозе осциллоскопа адсачыць характар залежнасці току ад часу. Адзначым, што T на нашым графіку - гэта час, неабходнае для завяршэння аднаго ваганні, які носіць у электратэхніцы назву "перыяд ваганні".

Ток цячэ па гадзінны стрэлцы (малюнак унізе). Энергія перадаецца з кандэнсатара ў катушку індуктыўнасці. На першы погляд можа здацца дзіўным, што індуктыўнасць ўтрымлівае энергію, аднак гэта падобна на кінэтычную энергію, якая змяшчаецца ў якая рухаецца масе.

Паток энергіі вяртаецца назад у кандэнсатар, але звернеце ўвагу, што палярнасць кандэнсатара цяпер змянілася. Іншымі словамі, ніжняя пласціна цяпер мае станоўчы зарад, а верхняя пласціна - адмоўны зарад (малюнак унізе).

Цяпер сістэма цалкам звярнулася, і энергія пачынае паступаць з кандэнсатара зноў у індуктыўнасць (малюнак унізе). У выніку энергія цалкам вяртаецца да сваёй адпраўной кропкі і гатовая пачаць цыкл зноўку.

Частата ваганняў можа быць аппроксимирована наступным чынам:

• F = 1 / 2π (LC) ^0,5,

дзе: F - частата, L - індуктыўнасць, C - ёмістасць.

Разгледжаная на гэтым прыкладзе працэс адлюстроўвае фізічную сутнасць рэзанансу высілкаў.

Даследаванне рэзанансу высілкаў

У рэальных схемах LC заўсёды прысутнічае невялікі супраціў, якое з кожным цыклам памяншае прырост амплітуды току. Пасля некалькіх цыклаў ток памяншаецца да нуля. Гэты эфект называецца "згасанне сінусоіднага сігналу". Хуткасць згасання току да нулявога значэння залежыць ад велічыні супраціву ў ланцугі. Тым не менш, супраціў не змяняе частату ваганняў рэзананснага контуру. Калі супраціў дастаткова вялікае, сінусоідныя ваганні ў контуры не ўзнікнуць наогул.

Відавочна, там, дзе існуе ўласная частата ваганняў, ёсць магчымасць ўзбуджэння рэзананснага працэсу. Мы робім гэта, уключаючы ў паслядоўную ланцуг крыніца харчавання пераменнага ток (АС), як паказана на малюнку злева. Тэрмін "пераменны" азначае, што выходную напружанне крыніцы вагаецца з пэўнай частатой. Калі частата крыніцы харчавання супадае з уласнай частатой контуру, узнікае рэзананс высілкаў.

Умовы ўзнікнення

Зараз мы разгледзім ўмовы ўзнікнення рэзанансу высілкаў. Як паказана на апошнім малюнку, мы вярнулі рэзістар у контур. Пры адсутнасці рэзістара ў контуры ток у рэзананснай ланцуга будзе нарастаць да некаторага максімальнага значэння, што вызначаецца параметрамі элементаў контуру і магутнасцю крыніцы харчавання. Павелічэнне супраціву рэзістара ў рэзананснай ланцуга павышае тэндэнцыю да згасання току ў контуры, але не ўплывае на частату рэзанансных ваганняў. Як правіла, рэжым рэзанансу высілкаў не надыходзіць, калі супраціў ланцуга рэзанансу задавальняе ўмове R = 2 (L / C) ^0,5.

Выкарыстанне рэзанансу высілкаў для перадачы радыёсігналу

З'ява рэзанансу высілкаў з'яўляецца не толькі цікаўны фізічным феноменам. Яно адыгрывае выключную ролю ў тэхналогіі бесправадных камунікацый - радыё, тэлебачанні, сотавай тэлефаніі. Перадатчыкі, якія выкарыстоўваюцца для бесправадной перадачы інфармацыі, у абавязковым парадку ўтрымліваюць схемы, прызначаныя для резонирования на пэўнай для кожнага прылады частаце, званай апорнай частатой. Пры дапамозе якая перадае антэны, падключанай да перадатчыка, ён выпраменьвае электрамагнітныя хвалі на апорнай частаце.

Антэна на іншым канцы прыёма-перадавальнага гасцінца атрымлівае гэты сігнал і падае яго на прыёмны контур, прызначаны для резонирования на частаце апорнай. Відавочна, што антэна прымае мноства сігналаў на розных частотах, не кажучы ўжо пра фонавым шуме. Дзякуючы наяўнасці на ўваходзе прыёмнай прылады, наладжанага на апорную частату рэзананснага контуру, прыёмнік выбірае адзіна правільную частату, адсяваючы усе непатрэбныя.

Пасля дэтэктавання амплітудна-мадуляванага (AM) радыёсігналу, вылучаны з яго нізкачашчынны сігнал (НЧ) узмацняецца і падаецца на звуковоспроизводящее прылада. Гэта найпростая форма радыёперадачы вельмі адчувальная да шумоў і перашкод.

Для павышэння якасці прыманай інфармацыі распрацаваны і паспяхова выкарыстоўваюцца іншыя, больш дасканалыя спосабы перадачы радыёсігналу, якія таксама грунтуюцца на выкарыстанні настроеных рэзанансных сістэм.

Частотная мадуляцыя або FM-радыё вырашае многія з праблем радыёперадачы з амплітудна-мадуляваным якія перадаюць сігналам, аднак гэта дасягаецца коштам істотнага ўскладнення сістэмы перадачы. У FM-радыё сістэмныя гукі ў электронным тракце ператвараюцца ў невялікія змены апорнай частоты. Частка абсталявання, якое выконвае гэта пераўтварэнне, называецца "модулятор" і выкарыстоўваецца з перадатчыкам.

Адпаведна, да прымача павінен быць дададзены дэмадулятара для пераўтварэння сігналу назад у форму, якая можа быць прайграная праз гучнагаварыцель.

Іншыя прыклады выкарыстання рэзанансу напружання

Рэзананс высілкаў як асноватворны прынцып закладзены таксама ў схематэхніка шматлікіх фільтраў, шырока ўжываюцца ў электратэхніцы для ліквідацыі шкодных і непатрэбных сігналаў, згладжвання пульсацый і генеравання сінусоідных сігналаў.