Elektrická rezonance je jev shody frekvence zdroje střídavého proudu s frekvencí vlastních volných kmitů elektrického obvodu. Elektrické vibrace se vyskytují v obvodu, který zahrnuje indukčnost a kapacitu.
Zpočátku se kapacita nabije na počáteční napětí Un, načež se zkratuje na indukčnost, v důsledku čehož se v obvodu objeví postupně se zvyšující proud i. Síla proudu se postupně zvyšuje, protože jejímu nárůstu brání např. d.s. samoindukce. S rostoucím proudem se v magnetickém poli o indukčnosti L akumuluje energie. Proud dosáhne své maximální hodnoty, poté postupně klesá, protože jeho poklesu je zabráněno např. d.s. samoindukce. Udržuje proud, což způsobuje dobíjení kondenzátoru v opačném směru. V případě, že v oscilačním obvodu nedochází ke ztrátám, pokračuje dobíjení kapacity, dokud není kapacita nabita na počáteční napětí Un. K rezonanci dochází v obvodu, když je obvod připojen k externímu zdroji a frekvence tohoto zdroje je ? rovná frekvenci ?0. Existují dva hlavní typy rezonance: napěťová rezonance, ke které dochází, když jsou jalové prvky zapojeny do série, a proudová rezonance, ke které dochází při paralelním zapojení. K napěťové rezonanci dochází v nerozvětveném obvodu střídavého proudu, který obsahuje zdroj energie, indukčnost L, kapacitu C a činný odpor R. Když je činný odpor obvodu R malý, při rezonanci rychle roste proud a zároveň se napětí přes zvýšení kapacity a indukčnosti. Faktor kvality elektrického obvodu je veličina Q = ? / R. V praxi je napěťová rezonance v zařízeních nežádoucím jevem, který je spojen se vznikem přepětí. Pozitivní vliv rezonance se projevuje v radiotechnice, drátové telefonii, automatizaci atd. K rezonanci proudů dochází při paralelním zapojení zdroje a oscilačního obvodu. K tomuto jevu dochází za podmínky, že bC = bL, když I = Ug a cos? = 1. Proudy v každé z jalových větví jsou úměrné stejnému napětí, a proto jsou při rezonanci stejné: IC = UbC = IL = UbL. V reálných obvodech nejsou cívky, které mají indukčnost a nemají činný odpor, což platí i pro kapacitu.
26. Tranzistorové spínače na bázi bipolárních a polních tranzistorů. Analogové spínače.
Tranzistorové spínače s efektem pole se používají ke spínání analogových i digitálních signálů a spínače analogových signálů se obvykle vyrábějí pomocí tranzistorů s efektem pole s řídicím přechodem nebo MOSFETů s indukovaným kanálem. V digitálních obvodech se používají pouze MOSFETy s indukovaným kanálem.
Spínače na bázi tranzistorů s efektem pole se vyznačují: 1) nízkým zbytkovým napětím na spínači, který je ve vodivém stavu; 2) vysoký odpor v nevodivém stavu a v důsledku toho nízký proud protékající tranzistorem, jehož kanál je blokován; 3) nízká spotřeba energie ze zdroje řídicího napětí; 4) dobrá elektrická izolace mezi řídicím obvodem a obvodem spínaného signálu, což umožňuje obejít se bez transformátoru v řídicím obvodu;
Rýže. 7.21. Klíčové obvody na tranzistorech s efektem pole s indukovaným kanálem (a, b, c, d)
5) schopnost přepínat elektrické signály velmi nízké úrovně (řádově ).
Z hlediska rychlosti jsou přepínače pole obvykle horší než přepínače založené na bipolárních tranzistorech. Kromě toho sledují pronikání přídavných impulsů do spínaného obvodu, jejichž parametry závisí na řídicím signálu. Důvodem jejich vzhledu je přítomnost nádob.
Nejjednodušší spínací obvody založené na polních tranzistorech s řídicím přechodem a MOS tranzistorech s indukovaným kanálem jsou na obr. 7.21, a, d.
Pro zablokování spínačů vyrobených na tranzistorech s efektem pole s řídicím přechodem a tranzistorech MOS s technologicky zabudovaným kanálem musí být na jejich hradla přivedeno blokovací napětí, které převyšuje napětí kolektoru a zdroje o hodnotu větší, než je napětí cutoff. Protože specifikace pro tranzistor udávají určitou hodnotu proudu kanálu, vypínací napětí by mělo být o 1-3 V vyšší.
Při volbě blokovacího napětí je třeba pamatovat na to, že pokud je jeho hodnota velká, může dojít k lavinovému průrazu v obvodu pn přechodu. Proto musí být nerovnosti vždy uspokojeny
kde jsou maximální přípustná napětí hradla-odvod a hradlo-zdroj.
Analogový spínač se používá ke spínání plynule se měnících elektrických signálů. Pokud je spínač ve stavu „zapnuto“, jeho výstupní napětí by mělo být co nejblíže vstupnímu napětí; pokud je spínač ve stavu „vypnuto“, výstupní napětí by mělo být co nejblíže nule nebo by v každém případě mělo být co nejméně závislé na vstupu.
Existují různé obvodové návrhy spínačů, které splňují stanovené podmínky. Princip jejich činnosti je znázorněn na obr. 1 na příkladu mechanických (kontaktních) spínačů.
Rýže. 1. Spínací obvody
Obrázek 1a ukazuje sériový přepínač. Když je kontakt sepnutý, Uout=Uin. Když se kontakt otevře, výstupní napětí bude nulové. To vše platí, pokud má zdroj signálu nulovou výstupní impedanci a zatěžovací kapacita je nulová. Pokud je výstupní odpor zdroje signálu významný, rozdělí se napětí Uout mezi tento odpor a rezistor R. Tento obvod by se proto neměl používat, pokud je zdrojem signálu zdroj proudu, například fotodioda. Při značné zatěžovací kapacitě při vybití této kapacity při rozepnutí spínače S klesne výstupní napětí spínače na poměrně dlouhou dobu k nule.
V obvodu paralelního spínače (obr. 1b) Uout=Uin s rozpojeným spínačem, pokud je vstupní zátěžový odpor spínače nekonečně velký. Pokud je úměrná odporu rezistoru R, pak na rezistoru poklesne část výstupního napětí zdroje signálu. V případě kapacitní zátěže se výstupní napětí po otevření spínače nastaví relativně pomalu.
Sérioparalelní přepínač znázorněný na obr. 1c, nemá nevýhody dvou předchozích schémat. Za jakýchkoli provozních podmínek má výstupní impedanci blízkou nule.
V tomto video tutoriálu si připomeneme roli reaktance ve střídavém obvodu. Pojďme zjistit, co se nazývá účiník části střídavého obvodu. Seznámíme se s fenoménem rezonance v elektrickém obvodu. Dozvíme se také, kde a jak se využívá fenoménu rezonance v obvodu střídavého proudu.
V tuto chvíli nemůžete sledovat ani distribuovat videolekci studentům
Chcete-li získat přístup k tomuto a dalším výukovým videím sady, musíte ji přidat do svého účtu.
Získejte neuvěřitelné příležitosti
Shrnutí lekce „Rezonance ve střídavém obvodu“
Připomeňme si, že vektorový diagram amplitud napětí na rezistoru, kondenzátoru a cívce nám pomohl odvodit Ohmův zákon pro část obvodu střídavého proudu obsahující rezistor, induktor, kondenzátor a zdroj střídavého napětí.
Ukázali jsme, že amplituda použitého napětí se musí rovnat geometrickému součtu těchto amplitud. Úhel mezi amplitudami použitého napětí a proudu určuje fázový rozdíl mezi proudem a napětím. Tangenta tohoto úhlu, jak je vidět z obrázku, se rovná poměru rozdílu amplitud napětí na cívce a kondenzátoru k amplitudě napětí na aktivním odporu:
Pomocí Ohmova zákona pro část obvodu je snadné ukázat, že stejný úhel je určen poměrem reaktance k aktivnímu odporu:
A průměrný výkon uvolněný v obvodu přes aktivní odpor bude určen výrazem uvedeným na obrazovce:
Tady cos φ – Je Faktor síly. Jako bezrozměrná fyzikální veličina charakterizuje spotřebiče střídavého elektrického proudu z hlediska přítomnosti jalové složky v zátěži a ukazuje, jak moc je střídavý proud protékající zátěží fázově posunutý vzhledem k napětí přiváděnému do zátěže. to.
Z posledních dvou vzorců vyplývá, že pokud je reaktance obvodu nulová, pak rovnice pro výkon bude mít podobu, kterou známe:
V tomto případě je v obvodu uvolněn maximální výkon – dochází k jevu rezonance.
Rezonance v elektrickém oscilačním obvodu je jev prudkého nárůstu amplitudy vynucených oscilací proudu nebo napětí, když se frekvence vnějšího střídavého napětí shoduje s vlastní frekvencí oscilačního obvodu:
Podívejme se na tento jev podrobněji. Pro začátek si představme, že kýváme kyvadlem a působíme na něj periodicky se měnící silou. V tomto případě se kyvadlo nebude kývat nezávisle, ne volně, ale pod vlivem periodické vnější síly. Takové oscilace kyvadla, jak si pamatujeme, se nazývají nucené oscilace.
V elektrických oscilačních obvodech se mohou vyskytovat i vynucené elektromagnetické oscilace. Pokud v jakémkoli oscilačním obvodu, který se skládá z induktoru a kondenzátoru, generátor střídavého proudu neustále pracuje, pak emf generátoru způsobí v tomto obvodu střídavý elektrický proud, jehož frekvence se bude rovnat frekvenci oscilací emf generátoru.
Frekvence těchto nucených oscilací se v obecném případě neshoduje s frekvencí vlastních oscilací obvodu:
Když je vlastní frekvence oscilačního obvodu daleko od frekvence EMF působícího v obvodu, celkový odpor obvodu je vysoký a proud v něm je nevýznamný. Pokud je však v takovém obvodu zvolena kapacita kondenzátoru a indukčnost cívky tak, aby jejich odpory byly stejné, pak se fázový rozdíl mezi kolísáním proudu a napětí rovná nule, to znamená změny proudu. a napětí se bude vyskytovat ve fázi:
Podmínkou pro výskyt rezonance v oscilačním obvodu je tedy to, že frekvence vnějšího napětí přiváděného do obvodu je rovna frekvenci vlastních oscilací obvodu:
Tato frekvence se nazývá rezonanční.
Za této podmínky se celkový odpor obvodu stane nejmenším a rovným aktivnímu odporu a amplituda proudu při daném napětí nabývá největší hodnoty. V tomto případě je amplituda napětí na aktivním odporu rovna amplitudě vnějšího napětí aplikovaného na část obvodu (Ur = U) a napětí na induktoru a kondenzátoru mají stejnou velikost a opačné ve fázi:
Vezměte prosím na vědomí, že hodnoty amplitudy rezonančních napětí na cívce a kondenzátoru jsou stejné a mohou výrazně překročit amplitudu použitého napětí:
Tento jev se nazývá napěťová rezonance. Navíc, čím nižší je aktivní odpor obvodu, tím silnější je proud v obvodu a strmější rezonanční křivka. Takový případ se obvykle nazývá ostrá rezonance.
Obvod s ostrou rezonancí je velmi citlivý na kolísání rezonanční frekvence. To je široce používáno v rádiu a elektrotechnice pro zesílení kolísání napětí konkrétní frekvence.
Například rádiové vlny z různých vysílacích stanic vybudí střídavé proudy různých frekvencí v anténě rádiového přijímače, protože každá vysílající rádiová stanice pracuje na své vlastní frekvenci. K anténě je indukčně připojen oscilační obvod, v jehož cívce dochází k nuceným oscilacím proudu a napětí. Ale pouze při rezonanci, z kmitů různých frekvencí vybuzených v anténě, obvod vybírá pouze ty, jejichž frekvence je rovna vlastní frekvenci. Naladění obvodu na požadovanou frekvenci se obvykle provádí změnou kapacity kondenzátoru.
Nyní se podívejme na část střídavého obvodu obsahujícího kondenzátor a induktor zapojené paralelně.
Předpokládejme, že činný odpor obvodu je tak malý, že jej lze zanedbat. Nechť je na tento obvod aplikováno střídavé napětí, které se mění podle sinusového zákona:
Pak bude proud procházející ve větvi s kapacitní reaktancí předběhnout aplikované napětí ve fázi o π/2. A průchod ve větvi s indukční reaktancí – zpoždění ve fázi o π/2 z přiloženého napětí:
Fázový rozdíl proudů ve dvou větvích je tedy roven π, to znamená, že oscilace proudu ve větvích jsou ve fázi opačné. Amplituda proudu ve vnějším obvodu je rovna velikosti rozdílu amplitud proudových sil obou větví:
Pokud je kmitočet kmitů v obvodu rovna rezonanční frekvenci, pak se hodnoty amplitudy sil proudu ve větvích budou rovnat a amplituda síly proudu ve vnějším obvodu bude rovna nule.
Samozřejmě, pokud vezmeme v úvahu přítomnost aktivního odporu, fázový rozdíl nebude stejný π, stejně jako hodnota amplitudy proudu ve vnějším obvodu nebude rovna nule. Ale bude to mít nejmenší možnou hodnotu. V tomto případě mohou amplitudy proudových sil ve větvích výrazně překročit amplitudu proudu ve vnějším obvodu.
Jev prudkého poklesu amplitudy proudu ve vnějším obvodu napájejícím kondenzátor a induktor zapojené paralelně, když se frekvence přiváděného napětí blíží rezonanční frekvenci, se nazývá proudová rezonance (neboli paralelní rezonance).
Tohoto jevu se využívá u rezonančních zesilovačů, které umožňují izolovat jeden konkrétní kmit od signálu složitého tvaru, a také u indukčních pecí, takže proud v napájecích vodičích je mnohem menší než proud v cívce.
Chcete-li posílit nový materiál, vyřešme tento problém s vámi. Obvod sestávající z kondenzátoru o kapacitě 507 μF, cívky o indukčnosti 20 mH a rezistoru o odporu 100 Ohmů je sériově zapojen do sítě střídavého proudu o frekvenci 50 Hz a napětí 220 V. Určete sílu proudu v obvodu, fázový posun mezi napětím a proudem a také rezonanční frekvenci obvodu.
