Электротехника - Резонанс напряжений и токов Задача

Рассмотрим контур, состоящий из последовательно соединенных сопротивления, индуктивности и емкости (рис. 1)

Рис. 1. Последовательный контур.

Генераторы импульсных сигналов Формирующие цепи При генерации импульсных сигналов различной формы необходимо формирование временных интервалов, задающих длительность импульсов и пауз, частоту повторения импульсов и т.п. Эта задача решается с помощью формирующих цепей содержащих реактивные элементы. Наиболее простыми и надежными являются RC-цепи. Как правило, они применяются в качестве разделительных, дифференцирующих или интегрирующих цепей.

Входное сопротивление контура:

.

Комплексное действующее значение тока контура имеет вид:

,

отсюда получается действующее значение тока

.

Аналогичным образом получаются выражения для действующих значений напряжений на индуктивности (UL, UL) и на емкости (UC, UC). Объем тел вращения Геометрические приложения определенного интеграла

;

.

Условием наступления резонанса напряжений является равенство нулю реактивной составляющей входного сопротивления контура:

.

При резонансе реактивные сопротивления индуктивности и емкости равны:

,

эта величина называется характеристическим сопротивлением контура.

Отношение характеристического сопротивления контура к его омическому сопротивлению называется добротностью контура:

.

Заметим, что при w=w0 отношение действующих значений напряжений на индуктивности и на емкости к действующему значению входного напряжения равно добротности:

.

Преобразуем выражение для действующего значения тока контура вынеся активное сопротивление R за знак радикала а характеристическое сопротивление r=w0L за скобки и учитывая определение Q:

.

Аналогичным образом получаем выражения для действующих значений напряжений на индуктивности и на емкости:

.

Введя относительную частоту w*=w/w0, преобразуем полученные формулы к следующему виду:

Найдем точки максимумов этих трех кривых.

Очевидно, что при резонансной частоте полное входное сопротивление контура (z=|Z|) минимально и равно активному сопротивлению, тогда действующее значение тока максимально и равно:

Чтобы найти точки максимумов кривых UL(w) и UC(w) необходимо продифференцировать их по частоте, например:

приравняв к нулю числитель полученной дроби, уравнение для частоты максимума для действующего значения напряжения на индуктивности:

,

таким образом, частота максимума действующего значения напряжения на индуктивности равна:

.

Аналогично, частота максимума действующего значения напряжения на емкости равна:

.

Отметим, что: wL>w0, wC<w0, wLwC=w02. Если Q<1/Ö2, то wL и wC - мнимые, т.е. кривые UL(w) и UC(w) не имеют максимумов.

Рассмотрим зависимость I(w) (рис. 2). Полосой пропускания называется частотный диапазон w1£w£w2, в котором выполняется условие:

.

Уравнение для границ полосы пропускания имеет вид:

.

Это - уравнение четвертого порядка, два корня которого являются границами полосы пропускания и имеют вид:

.

Легко видеть, что: w1w2=w02.

Рис. 2.

На рис. 2 представлены зависимости от нормированной частоты действующих значений (амплитуд): тока - сплошная линия, напряжения на емкости - штриховая линия, напряжения на индуктивности - пунктирная линия, а также разности фаз входного напряжения и тока (j=yu-yi) - штрих-пунктирная линия при добротности Q=2.

На рис. 3 представлены зависимости от нормированной частоты действующих значений (амплитуд) тока для различных значений добротности: при Q=0.5 - сплошная линия, при Q=1 - пунктирная линия, при Q=10 - штриховая линия. Из рисунка видно, что чем больше добротность, тем лучше избирательные свойства цепи: т.е. цепь лучше выделяет сигнал определенной частоты из суммы сигналов различных частот.

Рис. 3.


РЕЗОНАНС ТОКОВ

Рассмотрим параллельный контур (рис. 4).

Рис. 4

Вычислим входную проводимость схемы:

Резонанс наступает, когда реактивная часть входной проводимости становится равной нулю:

Вводя обозначения:

,

получим:

.

Резонанс возможен, если одновременно R1>r и R2>r или R1<r и R2<r, если R1<r, а R2>r или наоборот, то резонансная частота - мнимая, т.е. резонанс не наступает, если же R1=R2=r, то wР=0/0, т.е. резонанс наступает при любой частоте. Рассмотрим входное сопротивление контура:

Т.о. входное сопротивление контура равно r и от w не зависит.

На рис. 5, а, б показаны векторные диаграммы резонанса в идеальном (R1=R2=0) и реальном контурах. Если R1=R2=0, то активная входная проводимость равна нулю, резонансная частота wР=w0, токи индуктивности и емкости равны и противоположны по фазе, входной ток равен нулю.

а) идеальный контур

б) реальный контур

Рис. 5.

ПОНЯТИЕ О РЕЗОНАНСЕ В СЛОЖНЫХ ЦЕПЯХ

Условие резонанса b=0 или x=0 в разветвленной цепи с несколькими индуктивностями и емкостями дают для частоты w уравнения, которые могут иметь несколько действительных корней, т.е. у разветвленной цепи может быть несколько резонансных частот.

Пример.

Найдем входное сопротивление цепи, изображенной на рис. 6.

Рис. 6.

Если Z=0, наступает резонанс напряжений:

Входная проводимость этой цепи равна:

При Y=0 наступает резонанс токов:

.

Задача (4.88, Поливанов).

Для схемы рис. 7 даны L,C. При каком R входное сопротивление чисто активное на любой частоте?

Рис. 7.

Входное сопротивление равно:

Найдем величину R из условия равенства нулю мнимой части:

Т.о. получаем, что если активное сопротивление равно характеристическому, резонанс наступает на любой частоте.

Задача.

Найти L0, при котором фазы u и i совпадают. R=2 Ом, L=2 мГн, C=250 мкФ, w=2×103 с-1.

Рис. 8.

Входное сопротивление равно:

.

Чтобы фазы входного напряжения u и входного тока i совпадали, необходимо, чтобы реактивная составляющая входного сопротивления была равна нулю:

.

Резонанс токов наступает, если реактивная составляющая входной проводимости равна нулю:

,

отсюда:

.

По своему внешнему проявлению обе схемы одинаковы и у них одно внутреннее сопротивление

.

Это выражение дает возможность по известным одной схемы находить и другой.

В теории электрических цепей рассматриваются и зависимые, или управляемые источники. Они представляют собой результат идеализации свойств реальных транзисторных и ламповых усилителей, используемых в линейном режиме.

Зависимый источник напряжения представляет собой идеализированную электрическую цепь с двумя парами зажимов. К одной из них подсоединен источник напряжения, у которого задающее напряжение пропорционально напряжению (току), подведенному к другой паре зажимов, и только этому (управляющему) напряжению (току). Аналогично вводится и понятие зависимого источника тока.

При анализе колебаний в реальной линейной электрической цепи она заменяется некоторой идеализированной цепью из того или иного числа элементов, колебания в которой пренебрежимо мало отличаются от колебаний в анализируемой цепи.