Явление резонанса и электрических цепей (стр. 2 из 3)
Как и следовало ожидать, значение j определяется добротностью контура. Графически эта зависимость для двух значений добротности показана на рис. 6 .
При уменьшении частоты значение фазового сдвига стремится к значению - 90° , а при увеличении к +90° , проходя через нулевое значение при частоте резонанса. Скорость изменения функции j (v ) определяется добротностью контура.
Последовательный резонансный контур может питаться также от источника электрической энергии, обладающего свойствами источника тока, т.е. обеспечивающего постоянный ток в нагрузке. Выражения (5) остаются справедливыми и в этом случае, но ток в них будет константой. Поэтому постоянным будет падение напряжения на резисторе UR = RI = const. Разделив все напряжения на это базовое значение, получим представление их в относительных единицах в виде
В выражении (12) добротность также есть отношение волнового сопротивления к резистивному Q=r /R .
Общее относительное падение напряжения на входе контура является гипотенузой прямоугольного треугольника напряжений, поэтому
Функции uL(v ) и uС(v ) монотонны, а u(v ) имеет минимум u =1.0 при резонансной частоте, когда uL(v ) -uС(v ) = 0. В случае стремления относительной частоты к бесконечности и к нулю, напряжения на одном из реактивных элементов стремится к бесконечности. При резонансной частоте они одинаковы и их отношение ко входному напряжению равно добротности.
Графическое представление функций uL(v )=A(v ), uС(v )=B(v ) и u(v )=С(v ) при добротности Q=2 дано на рис. 7 в логарифмическом (а) и линейном (б) масштабах оси частот.
Для функции u (v )=С(v ) можно показать, что разность относительных частот v1 и v2 , соответствующих значениям
, равна затуханию контура D=1/Q=v2-v1.Фазовые характеристики контура при питании от источника тока ничем не отличаются от характеристик режима питания от источника ЭДС (рис. 6).
Сопоставляя частотные характеристики при питании последовательного резонансного контура от источника тока с характеристиками при питании его от источника ЭДС, можно сделать следующие выводы:
· частотные характеристики напряжений и тока контура принципиально отличаются друг от друга, т.к. при питании от источника ЭДС сумма напряжений остается постоянной и происходит только их перераспределение между элементами, а при питании от источника тока падения напряжения на каждом элементе формируются независимо;
· режимы резонанса для обоих случаев полностью идентичны;
· фазовые частотные характеристики для обоих случаев также идентичны.
Режим резонанса можно создать также при параллельном соединении R, L и C (рис. 8а)). Такая цепь называется параллельным резонансным контуром. В этом случае условие резонанса удобнее сформулировать для мнимой части комплексной проводимости в виде
Следовательно, для параллельного контура возможны те же вариации параметров, что и для последовательного и выражения для них будут идентичными
При изменении частоты питания изменяется только мнимая составляющая вектора комплексной проводимости Y , поэтому его конец перемещается на комплексной плоскости по прямой параллельной мнимой оси и проходящей через точку G=1/R , соответствующую вещественной составляющей проводимости (рис. 8 б)). При частоте резонанса модуль вектора минимален, а при стремлении частоты к нулю и бесконечности, его значение стремится к бесконечности. При этом угол сдвига фаз между током и напряжением j на входе контура стремится к 90° при w® 0 и к - 90° при w®µ .
Для параллельного соединения токи в отдельных элементах можно представить через проводимости и общее падение напряжения U в виде
Пусть в режиме резонанса падение напряжения на входе контура равно U0, тогда токи в отдельных элементах будут
где
волновая или характеристическая проводимость контура. Как следует из выражений (17), при резонансе токи в реактивных элементах одинаковы, а входной ток равен току в резисторе R. Отношение Q=g /G называется добротностью, а величина обратная D=1/Q - затуханием параллельного резонансного контура. Таким образом, добротность равна отношению токов в реактивных элементах контура к току на входе или в резисторе. В электрических цепях добротность может достигать значений в несколько десятков единиц и во столько же раз токи в индуктивности и емкости будут превышать входной ток. Поэтому резонанс в параллельном контуре называется резонансом токов.
Падение напряжения на входе контура U при питании его от источника, обладающего свойствами источника тока и формирующего ток с действующим значением I, будет равно
Отсюда, напряжение на входе в режиме резонанса U0 = I/G . Тогда ток в контуре - I=U0G. Перейдем к относительным единицам в выражениях (16) и (18), приняв в качестве базовых значений напряжение на входе при резонансе и ток контура, выраженный через это напряжение. Тогда получим
Выражения (18) полностью совпадают с выражениями (7) и (8) для частотных характеристик последовательного контура, если в них относительные токи и напряжения поменять местами. Следовательно, характеристики рис. 3 будут связаны с выражениями (18) следующим образом: A(v)=iС(v); B(v)=iL(v) и C(v)=iR(v)=u (v ). Для относительных токов iС , iL и iR справедливыми будут также все закономерности отмеченные для относительных напряжений последовательного контура.
Из выражения (14) рассмотренную выше качественно фазовую частотную характеристику можно представить аналитически в виде
т.е. она совпадает с характеристикой последовательного контура, но имеет противоположный знак.
Допустим теперь, что параллельный контур питается от источника со свойствами источника ЭДС. В режиме резонанса входной ток также будет равен току через резистор
I0=U/R=UG.
Соотнесем все выражения (16) с этим током, приняв его за базовую величину. Тогда
Относительный входной ток i можно определить, пользуясь тем, что в треугольнике токов он является гипотенузой
Выражения (19) и (20) для относительных токов совпадают с выражениями (12) и (13) для относительных напряжений последовательного контура. Следовательно, на рис. 7 - iC(v )=A(v ), iL(v )=B(v ) и iR(v )= i (v )=C(v ).
Сравнивая частотные характеристики при питании параллельного резонансного контура от источника тока с характеристиками при питании его от источника ЭДС, можно сделать выводы аналогичные тем, которые были сделаны для последовательного контура:
· частотные характеристики токов и напряжения контура принципиально отличаются друг от друга, т.к. при питании от источника тока сумма токов остается постоянной и происходит только их перераспределение между элементами, а при питании от источника ЭДС токи в каждом элементе формируются независимо;
· режимы резонанса для обоих случаев полностью идентичны;
· фазовые частотные характеристики для обоих случаев также идентичны.
Параллельный резонансный контур может содержать резистивные сопротивления (рис. 10). В этом случае комплексные проводимости ветвей будут равны
Y1=G1+jB1; Y2=G2+jB1 ,
а общая проводимость
Y = Y1 + Y2= G1+G2+j(B1+B2).
Условием резонанса будет:
Раскрывая выражение (23) через параметры цепи, получим
,откуда резонансная частота wр –
где
резонансная частота в простейшем параллельном контуре (рис. 8 а)), а
