Резонанс напруг. Що таке резонанс в електричному ланцюзі

Резонанс є одним з найпоширеніших у природі фізичних явищ. Явище резонансу можна спостерігати в механічних, електричних і навіть теплових системах. Без резонансу у нас не було б радіо, телебачення, музики і навіть гойдалок на дитячих майданчиках, не кажучи вже про найефективніші діагностичних системах, застосовуваних у сучасній медицині. Одним з найбільш цікавих і корисних видів резонансу в електричному ланцюзі є резонанс напруг.

Елементи резонансної ланцюга

Явище резонансу може виникнути в так званій RLC-ланцюга, що містить наступні компоненти:

• R - резистори. Ці пристрої, що відносяться до так званих активних елементів електричного кола, перетворять електричну енергію в теплову. Іншими словами, вони видаляють енергію з контуру і перетворюють її в тепло.
• L - індуктивність. Індуктивність в електричних ланцюгах - аналог маси або інерції в механічних системах. Цей компонент не надто помітний в електричному ланцюзі, поки не спробуєш зробити в ній які-небудь зміни. У механіці, наприклад, такою зміною є зміна швидкості. В електричному ланцюзі - зміна струму. Якщо воно з якоїсь причини відбувається, індуктивність протидіє такій зміні режиму ланцюга.
• С - позначення для конденсаторів, які являють собою пристрої, що зберігають електричну енергію подібно до того, як пружини зберігають механічну енергію. Індуктивність концентрує і зберігає магнітну енергію, в той час як конденсатор концентрує заряд і тим самим зберігає електричну енергію.

Поняття резонансного контуру

Ключовими елементами резонансного контуру є індуктивність (L) і ємність (C). Резистор має тенденцію до гасіння коливань, тому він видаляє енергію з контуру. При розгляді процесів, що відбуваються в коливальному контурі, ми його тимчасово ігноруємо, але необхідно пам`ятати, що подібно силі тертя в механічних системах електричний опір в ланцюгах неможливо усунути.

Резонанс напруг і резонанс струмів

Залежно від способу з`єднання ключових елементів резонансний контур може бути послідовним і паралельним. При підключенні послідовного коливального контуру до джерела напруги з частотою сигналу, що збігається з власною частотою, за певних умов в ньому виникає резонанс напруг. Резонанс в електричному ланцюзі з паралельно з`єднаними реактивними елементами називається резонансом струмів.

Власна частота резонансного контуру

Ми можемо змусити систему коливатися з власною частотою. Для цього спочатку необхідно зарядити конденсатор, як показано на верхньому малюнку зліва. Коли це буде виконано, ключ переводиться в положення, показане на тому ж малюнку праворуч.

У момент часу "0" вся електрична енергія зберігається в конденсаторі, і струм в контурі дорівнює нулю (рисунок внизу). Зверніть увагу, що верхня пластина конденсатора заряджена позитивно, а нижня - негативно. Ми не можемо бачити коливання електронів у ланцюзі, але ми можемо виміряти струм амперметром, а за допомогою осцилоскопа відстежити характер залежності струму від часу. Відзначимо, що T на нашому графіку - це час, необхідний для завершення одного коливання, що носить в електротехніці назву "Період коливання".

Струм тече за годинниковою стрілкою (малюнок внизу). Енергія передається з конденсатора в котушку індуктивності. На перший погляд може здатися дивним, що індуктивність містить енергію, однак це схоже на кінетичну енергію, що міститься в рухається масі.

Потік енергії повертається назад в конденсатор, але зверніть увагу, що полярність конденсатора тепер змінилася. Іншими словами, нижня пластина тепер має позитивний заряд, а верхня пластина - негативний заряд (малюнок внизу).

Тепер система повністю звернулася, і енергія починає надходити з конденсатора знову в індуктивність (малюнок внизу). У підсумку енергія повністю повертається до своєї відправної точки і готова почати цикл заново.

Частота коливань може бути апроксимована наступним чином:

• F = 1 / 2pi- (LC)^0,5,

де: F - частота, L - індуктивність, C - ємність.

Розглянутий на цьому прикладі процес відображає фізичну суть резонансу напруг.

Дослідження резонансу напруг

У реальних схемах LC завжди присутня невелика опір, який з кожним циклом зменшує приріст амплітуди струму. Після декількох циклів струм зменшується до нуля. Цей ефект називається "загасання синусоїдального сигналу". Швидкість загасання струму до нульового значення залежить від величини опору в ланцюзі. Тим не менш, опір не змінює частоту коливань резонансного контуру. Якщо опір досить велике, синусоїдальні коливання в контурі чи не виникнуть взагалі.

Очевидно, там, де існує власна частота коливань, є можливість порушення резонансного процесу. Ми робимо це, включаючи в послідовний ланцюг джерело живлення змінного струм (АС), як показано на малюнку зліва. Термін "змінний" означає, що вихідна напруга джерела коливається з певною частотою. Якщо частота джерела живлення збігається з власною частотою контуру, виникає резонанс напруг.

Умови виникнення

Зараз ми розглянемо умови виникнення резонансу напруг. Як показано на останньому малюнку, ми повернули резистор в контур. При відсутності резистора в контурі струм в резонансної ланцюга буде наростати до деякого максимального значення, що визначається параметрами елементів контуру і потужністю джерела живлення. Збільшення опору резистора в резонансної ланцюга підвищує тенденцію до загасання струму в контурі, але не впливає на частоту резонансних коливань. Як правило, режим резонансу напруг не настає, якщо опір ланцюга резонансу задовольняє умові R = 2 (L / C)^0,5.

Використання резонансу напруг для передачі радіосигналу

Явище резонансу напруг є не тільки цікавий фізичним феноменом. Воно відіграє виняткову роль в технології бездротових комунікацій - радіо, телебаченні, стільникової телефонії. Передавачі, використовувані для бездротової передачі інформації, в обов`язковому порядку містять схеми, призначені для резонірованія на певній для кожного пристрою частоті, званої несучою частотою. За допомогою передавальної антени, підключеної до передавача, він випромінює електромагнітні хвилі на несучої частоті.

Антена на іншому кінці приймально-передавального тракту отримує цей сигнал і подає його на приймальний контур, призначений для резонірованія на частоті несучої. Очевидно, що антена приймає безліч сигналів на різних частотах, не кажучи вже про фоновому шумі. Завдяки наявності на вході приймального пристрою, налаштованого на несучу частоту резонансного контуру, приймач вибирає єдино правильну частоту, відсіваючи всі непотрібні.

Після детектування амплітудно-модульованого (AM) радіосигналу, виділений з нього низькочастотний сигнал (НЧ) посилюється і подається на звуковідтворювальний пристрій. Це найпростіша форма радіопередачі дуже чутлива до шумів і перешкод.

Для підвищення якості прийнятої інформації розроблені й успішно використовуються інші, більш досконалі способи передачі радіосигналу, які також базуються на використанні налаштованих резонансних систем.

Частотна модуляція або FM-радіо вирішує багато з проблем радіопередачі з амплітудно-модульованим передавальним сигналом, однак це досягається ціною істотного ускладнення системи передачі. В FM-радіо системні звуки в електронному тракті перетворюються на невеликі зміни несучої частоти. Частина обладнання, яке виконує це перетворення, називається "модулятор" і використовується з передавачем.

Відповідно, до приймача повинен бути доданий демодулятор для перетворення сигналу назад у форму, яка може бути відтворена через гучномовець.

Інші приклади використання резонансу напруги

Резонанс напруг як основоположний принцип закладений також у схемотехнике численних фільтрів, широко застосовуваних в електротехніці для усунення шкідливих і непотрібних сигналів, згладжування пульсацій і генерування синусоїдальних сигналів.