Меню

Какую мощность должен потреблять колебательный контур



Расчет колебательных контуров

В. Поляков, г. Москва

7.4. Расчет колебательных контуров.
Приводимые ниже соображения справедливы не только для контуров автогенераторов, но и для любых других, применяемых в радиотехнических устройствах, например, в радиоприемниках. Формулу для частоты настройки контура мы уже приводили, и ею с успехом можно пользоваться, подставляя все данные в основных единицах: емкость — в фарадах, индуктивность — в генри. Ответ получится, естественно, в герцах. Для упрощения вычислений можно подставить емкость в нанофарадах (тысячах пикофарад), а индуктивность — в миллигенри, тогда ответ будет в мегагерцах: f = 0,16/(LC)¹ / ².
Радиочастотные колебательные контуры часто перестраивают по частоте с помощью конденсаторов переменной емкости (КПЕ). Типовые диапазоны изменения емкости таких конденсаторов — 5…180, 5…360 или 17…500 пФ. При расчетах надо учесть еще небольшие собственные емкости катушки, монтажа и входную емкость каскада, подключенного к контуру. Они относительно мало добавляют к максимальной емкости КПЕ, но значительно увеличивают минимальную емкость контура, сужая диапазон перестройки.

Screenshot_474

Чтобы выровнять минимальные емкости у нескольких одновременно перестраиваемых контуров, параллельно секциям блока КПЕ присоединяют подстроечные конденсаторы (С1 и СЗ на рис. 52). Практически емкость настраиваемого контура изменяется не более чем в 10 раз, что дает лишь трехкратное изменение частоты. Совпадения настроек контуров на низкочастотном краю диапазона добиваются изменением индуктивности
катушек, для чего их снабжают подстроечниками из магнитодиэлектрика (феррит, магнетит и т. д.). Типичные значения индуктивности средневолновых катушек — около 200 мкГн. длинноволновых — 2 мГн.
Наибольшие трудности у радиолюбителей вызывает расчет числа витков катушек. Точная формула выведена для соленоида с длиной намотки, много большей диаметра: L = μμ₀N²S/l, где μ — магнитная проницаемость магнитодиэлектрика; μ₀ = 4π∙10⁻⁷ Гн/м магнитная постоянная; N — число витков; S — площадь поперечного сечения катушки; l — длина намотки. При подстановке размеров в метрах ответ получается в генри. Эта же формула дает очень хорошие результаты для тороидальных катушек, намотанных на кольцах из феррита. Длина намотки в этом случае — это длина окружности средней линии кольца.
Для ферритовых антенн формула тоже годится, но поскольку магнитопровод не замкнут, надо брать эффективное значение μ, которое для широко распространенных стержней с магнитной проницаемостью 400…1000 составляет всего 50…150. Типичные значения числа витков катушек магнитных антенн СВ диапазона — 50…70. ДВ — 200…250.
Как уже упоминалось в разделе 7.3, для повышения добротности ДВ и СВ катушки наматывают
проводом ЛЭШО, скрученным из нескольких (от 7 до 81) тонких изолированных проводников. При отсутствии такого провода его можно изготовить самостоятельно из провода ПЭЛ диаметром 0.07—0,1 мм. При распайке выводов их зачищают, скручивают и пропаивают вместе. Оборванные или непропаянные проводники снижают добротность катушки.
Коротковолновые катушки наматывают одножильным медным проводом диаметром 0,4—1,5 мм, желательно посеребренным, но можно использовать и провод марки ПЭЛ. Индуктивность однослойной цилиндрической катушки (в мкГн) можно определить по эмпирической формуле: L = DN²/(102l/D+45), в которую диаметр D и длину намотки l подставляют в см. Для повышения добротности намотку следует вести с шагом (т. е. зазором между витками), примерно равным диаметру провода. Не надо стараться сделать катушку слишком маленькой — добротность малогабаритных катушек меньше! Число витков КВ катушек обычно не превышает 10…20.
Нередко радиолюбителям приходится применять готовые катушки, например, от контуров старых радиовещательных приемников или телевизоров. Возникает вопрос, как перестроить контур на другую частоту? Здесь полезно сказать о нескольких простых закономерностях: индуктивность катушки при фиксированных размерах всегда пропорциональна квадрату числа витков, поэтому, чтобы увеличить индуктивность, например, вдвое, надо увеличить число витков в 1,4 раза. Частота настройки контура при фиксированной емкости при этом понижается в 1,4 раза — она обратно пропорциональна числу витков. Любопытно, что длина волны, на которую настроен контур, прямо пропорциональна числу витков катушки, а значит, и длине провода.
В заключение отметим, что нелепо выглядят и плохо работают контуры с очень большой индуктивностью при малой емкости, или наоборот. Действительно, при малой емкости контура большую роль начинают играть всевозможные паразитные емкости: междувитковая емкость катушки, емкость монтажа, собственная емкость подключенных к контуру деталей и т. д. Слишком малая индуктивность контура при большой емкости приводит к возрастанию роли паразитной индуктивности соединительных проводов, а также понижению резонансного сопротивления контура, равного ρQ. Характеристическое сопротивление контура ρ = (L/C)¹ / ² выбирают обычно от сотен Ом до нескольких кОм.

7.5. Стабилизация частоты колебаний.
Требования к стабильности частоты колебаний генераторов и радиопередатчиков постоянно возрастают. что связано с большой «загрузкой» эфира, сужением полосы пропускания приемников, применением наиболее совершенных методов передачи аналоговой и цифровой информации. Относительная нестабильность частоты обычных LC-генераторов с колебательным контуром составляет около 0,01 % и специальными мерами (термостатированием, использованием качественных деталей) может быть повышена еще на порядок. Этого недостаточно, но, по счастью, уже давно известен простой и надежный способ повышения стабильности частоты. Он состоит в применении кварцевого резонатора.
Пластина кварца, определенным образом вырезанная из кристалла, обладает пьезоэффектом: при ее деформации на поверхности появляются заряды. Есть и обратный эффект: приложение напряжения к поверхностям пластины вызывает ее деформацию. Пластина имеет собственный механический резонанс, и добротность ее может достигать десятков и сотен тысяч — значений, недостижимых в обычных контурах. Кроме того, частота механического резонанса очень стабильна — она зависит только от размеров пластины и почти не подвержена внешним влияниям.

Читайте также:  Микроволновка bbk уровень мощности

Screenshot_475

Кварцевый резонатор по конструкции напоминает конденсатор — пластина кварца помещена между двумя обкладками, от которых сделаны выводы. Обкладки теперь чаще всего напыляют на поверхность пластины. В электрическом отношении кварцевый резонатор подобен колебательному контуру, схема которого показана на рис. 53. На частоте последовательного резонанса fs реактивное сопротивление обращается в нуль, а на частоте параллельного резонанса fp — становится бесконечным (если пренебречь небольшими потерями, связанными с сопротивлением r).
Эквивалентная индуктивность кварца велика (единицы генри), а последовательная емкость С, мала (сотые доли пикофарады), в то время как параллельная емкость Сp может достигать десятков пикофарад (она рассчитывается по обычной формуле для емкости плоского конденсатора, в котором диэлектриком служит кварц). В результате разность частот параллельного и последовательного резонансов составляет около 0,1 % от резонансной частоты.
В прецизионных кварцевых генераторах используют частоту последовательного резонанса, как наименее подверженную дестабилизирующим факторам, в то время как в более простых генераторах удобнее возбуждать генератор на частотах вблизи параллельного резонанса, где сопротивление кварца носит индуктивный характер, благодаря чему он с успехом заменяет катушку индуктивности. Схема такого генератора приведена на рис. 54, она практически совпадает со схемой уже разобранного LC-генератора, показанного на рис. 50.

Screenshot_476

Крупным недостатком кварцевых генераторов является невозможность перестройки частоты. Допустима лишь небольшая ее подстройка в пределах долей процента, для чего и служит подстроечный конденсатор С1. Самопроизвольный «уход» частоты такого генератора может составлять столь небольшую величину, как 1 Гц на 1 МГц (относительная нестабильность 10⁻⁶).

Источник

Последовательный колебательный контур

Содержание

  1. Последовательный колебательный контур обозначение на схеме
  2. Идеальный последовательный колебательный контур
  3. Реальный последовательный колебательный контур
  4. Принцип работы последовательного колебательного контура
  5. Генератор частоты и последовательный колебательный контур
  6. Влияние частоты генератора на сопротивление колебательного контура
  7. Резонанс последовательного колебательного контура
  8. Формула Томсона (резонанса) для последовательного колебательного контура
  9. Резонанс напряжений
  10. Объяснение резонанса напряжения
  11. Добротность последовательного колебательного контура
  12. Резюме

Последовательный колебательный контур обозначение на схеме

Последовательный колебательный контур – это цепь, состоящая их катушки индуктивности и конденсатора, которые соединяются последовательно.

Идеальный последовательный колебательный контур

На схемах идеальный последовательный колебательный контур обозначается вот так:

L – индуктивность, Гн

Реальный последовательный колебательный контур

Реальный колебательный контур имеет сопротивление потерь катушки и конденсатора. Это суммарное суммарное сопротивление потерь обозначается буквой R. В результате, реальный последовательный колебательный контур будет иметь такой вид:

L – собственно сама индуктивность катушки

С – собственно сама емкость конденсатора

Принцип работы последовательного колебательного контура

Генератор частоты и последовательный колебательный контур

Давайте проведем классический эксперимент, который есть в каждом учебнике по электронике. Для этого соберем вот такую схему:

Генератор (Ген)у нас будет выдавать синус.

Для того, чтобы снять осциллограмму силы тока через последовательный колебательный контур, мы подключим в схему шунтовый резистор с малым сопротивлением в 0,5 Ом и с него уже будем снимать напряжение. То есть в данном случае мы шунт используем для наблюдения силы тока в цепи.

А вот и сама схема в реальности:

Слева-направо: шунтовый резистор, катушка индуктивности и конденсатор. Как вы уже поняли, сопротивление R – это суммарное сопротивление потерь катушки и конденсатора, так как нет идеальных радиоэлементов. Оно “прячется” внутри катушки и конденсатора, поэтому в реальной схеме отдельным радиоэлементом мы его не увидим.

Теперь нам осталось подцепить эту схему к генератору частоты и осциллографу, и прогнать по некоторым частотам, снимая осциллограмму с шунта U ш , а также снимая осциллограмму с самого генератора U ГЕН .

С шунта мы будем снимать напряжение, которое у нас отображает поведение силы тока в цепи, а с генератора собственно сам сигнал генератора. Давайте прогоним нашу схемку по некоторым частотам и глянем что есть что.

Влияние частоты генератора на сопротивление колебательного контура

В схеме я взял конденсатор на 1мкФ и катушку индуктивности на 1 мГн. На генераторе настраиваю синус размахом в 4 Вольта. Вспоминаем правило: если в цепи соединение радиоэлементов идет последовательно друг за другом, значит, через них течет одинаковая сила тока.

Красная осциллограмма – это напряжение с генератора частоты, а желтая осциллограмма – отображение силы тока через напряжение на шунтовом резисторе.

Частота 200 Герц с копейками:

Как мы видим, при такой частоте ток в этой цепи есть, но очень слабый

Добавляем частоту. 600 Герц с копейками

Здесь мы уже отчетливо видим, что сила тока возросла, а также видим, что осциллограмма силы тока опережает напряжение. Попахивает реактивным сопротивлением конденсатора.

Читайте также:  Что усиливает мощность магнита

Добавляем частоту. 2 Килогерца

Сила тока стала еще больше.

Сила тока увеличилась. Заметьте также, что сдвиг фаз стал уменьшаться.

Осциллограммы почти уже сливаются в одну. Сдвиг фаз между напряжением и силой тока становится почти незаметным.

И вот на какой-то частоте у нас сила тока стала максимальной, а сдвиг фаз стал равен нулю. Запомните этот момент. Для нас он будет очень важен.

Ну а давайте далее будем увеличивать частоту. Смотрим, что получается в итоге.

Еще совсем недавно ток опережал напряжение, а сейчас уже стал запаздывать после того, как выровнялся с ним по фазе. Так как ток уже отстает от напряжения, здесь уже попахивает реактивным сопротивлением катушки индуктивности.

Увеличиваем частоту еще больше

Сила тока начинает падать, а сдвиг фаз увеличивается.

Как вы видите, с увеличением частоты, сдвиг приближается к 90 градусов, а сила тока становится все меньше и меньше.

Резонанс последовательного колебательного контура

Давайте подробнее рассмотрим тот самый момент, когда сдвиг фаз был равен нулю и сила тока, проходящая через последовательный колебательный, контур была максимальна:

Это явление носит название резонанса.

Не будем углубляться в теорию высшей математики и комплексных чисел. Дело в том, что в этот самый момент реактивное сопротивление катушки и конденсатора становятся равными, но противоположными по знаку. Поэтому, эти реактивные сопротивления как-бы вычитаются друг из друга, что в сумме дает ноль, и в цепи остается только активная составляющая сопротивления, то есть то самое паразитное сопротивление катушки и конденсатора, или иначе, сопротивление потерь R.

Как вы помните, если у нас сопротивление становится малым, а в данном случае сопротивления потерь катушки и конденсатора очень маленькие, то в цепи начинает течь большая сила тока согласно закону Ома: I=U/R. Если генератор мощный, то напряжение на нем не меняется, а сопротивление становится пренебрежимо малым и вуаля! Ток растет как грибы после дождя, что мы и увидели, посмотрев на желтую осциллограмму при резонансе.

Формула Томсона (резонанса) для последовательного колебательного контура

Если при резонансе у нас реактивное сопротивление катушки равняется реактивному сопротивлению конденсатора X L=X C , то можно уравнять их реактивные сопротивления и уже отсюда вычислить частоту, на которой произошел резонанс. Итак, реактивное сопротивление катушки у нас выражается формулой:

Реактивное сопротивление конденсатора вычисляется по формуле:

Приравниваем обе части и вычисляем отсюда F:

В данном случае мы получили формулу резонансной частоты. Это формула по другому называется формулой Томсона, как вы поняли, в честь ученого, который ее вывел.

Давайте по формуле Томсона посчитаем резонансную частоту нашего последовательного колебательного контура. Для этого я буду использовать свой RLC-транзисторметр.

Замеряем индуктивность катушки:

И замеряем нашу емкость:

Высчитываем по формуле нашу резонансную частоту:

У меня получилось 5, 09 Килогерц.

С помощью регулировки частоты и осциллографа я поймал резонанс на частоте 4,78 Килогерц (написано в нижнем левом углу)

Спишем погрешность в 200 с копейками Герц на погрешность измерений приборов. Как вы видите, формула Томпсона работает.

Резонанс напряжений

Давайте возьмем другие параметры катушки и конденсатора и посмотрим, что у нас происходит на самих радиоэлементах. Нам ведь надо досконально все выяснить ;-). Беру катушку индуктивности с индуктивностью в 22 микрогенри:

и конденсатор в 1000 пФ

Из них собираю последовательный колебательный контур. Итак, чтобы поймать резонанс, я не буду в схему добавлять резистор. Поступлю более хитрее.

Так как мой генератор частоты китайский и маломощный, то при резонансе у нас в цепи остается только активное сопротивление потерь R. В сумме получается все равно маленькое значение сопротивления, поэтому ток при резонансе достигает максимальных значений. В результате этого, на внутреннем сопротивлении генератора частоты падает приличное напряжение и выдаваемая амплитуда частоты генератора падает. Я буду ловить минимальное значение этой амплитуды. Следовательно это и будет резонанс колебательного контура. Перегружать генератор – это не есть хорошо, но что не сделаешь ради науки!

Ну что же, приступим ;-). Давайте сначала посчитаем резонансную частоту по формуле Томсона. Для этого я открываю онлайн калькулятор на просторах интернета и быстренько высчитываю эту частоту. У меня получилось 1,073 Мегагерц.

Ловлю резонанс на генераторе частоты по его минимальным значениям амплитуды. Получилось как-то вот так:

Размах амплитуды 4 Вольта

Хотя на генераторе частоты размах более 17 Вольт! Вот так вот сильно просело напряжение. И как видите, резонансная частота получилась чуток другая, чем расчетная: 1,109 Мегагерц.

Теперь небольшой прикол 😉

Вот этот сигнал мы подаем на наш последовательный колебательный контур:

Как видите, мой генератор не в силах выдать большую силу тока в колебательный контур на резонансной частоте, поэтому сигнал получился даже чуть искаженным на пиках.

Ну а теперь самое интересное. Давайте замеряем падение напряжения на конденсаторе и катушке на резонансной частоте. То есть это будет выглядеть вот так:

Смотрим напряжение на конденсаторе:

Читайте также:  Норма минимального использования производственной мощности

Размах амплитуды 20 Вольт (5х4)! Откуда? Ведь подавали мы на колебательный контур синус с частотой в 2 Вольта!

Ладно, может с осциллографом что-то произошло?. Давайте замеряем напряжение на катушке:

Народ! Халява. Подали 2 Вольта с генератора, а получили 20 Вольт и на катушке и на конденсаторе! Выигрыш энергии в 10 раз! Успевай только снимать энергию с конденсатора или с катушки!

Ну ладно раз такое дело… беру лампочку от мопеда на 12 Вольт и цепляю ее к конденсатору или катушке. Лампочке ведь вроде как по-барабану на какой частоте работать и какой ток кушать. Выставляю амплитуду, чтобы на катушке или конденсаторе было где то Вольт 20 так как среднеквадратичное напряжение будет где-то Вольт 14, и цепляю поочередно к ним лампочку:

Как видите – полный ноль. Лампочка гореть не собирается, так что побрейтесь фанаты халявной энергии). Вы ведь не забыли, что мощность определяется произведением силы тока на напряжение? Напряжения вроде как-бы хватает, а вот силы тока – увы! Поэтому, последовательный колебательный контур носит также название у зкополосного (резонансного) усилителя напряжения, а не мощности!

Объяснение резонанса напряжения

При резонансе напряжение на катушке и на конденсаторе оказались намного больше, чем то, которое мы подавали на колебательный контур. В данном случае у нас получилось в 10 раз больше. Почему же напряжение на катушке при резонансе равняется напряжению на конденсаторе. Это легко объясняется. Так как в последовательном колебательном контуре катушка и кондер идут друг за другом, следовательно, в цепи протекает одна и та же сила тока.

При резонансе реактивное сопротивление катушки равняется реактивному сопротивлению конденсатора. Получаем по правилу шунта, что на катушке у нас падает напряжение U L = IX L , а на конденсаторе U C = IX C . А так как при резонансе у нас X L = X C , то получаем что U L = U C , ток ведь в цепи один и тот же ;-). Поэтому резонанс в последовательном колебательном контуре называют также резонансом напряжений, так как напряжение на катушке на резонансной частоте равняется напряжению на конденсаторе.

Добротность последовательного колебательного контура

Ну раз уж мы начали задвигать тему колебательных контуров, поэтому мы не можем обойти стороной такой параметр, как добротность колебательного контура. Так как мы уже провели некоторые опыты, то нам будет проще определить добротность, исходя из амплитуды напряжений. Добротность обозначается буквой Q и вычисляется по первой простой формуле:

Давайте посчитаем добротность в нашем случае.

Так как цена деления одного квадратика по вертикали 2 Вольта, следовательно, амплитуда сигнала генератора частоты 2 Вольта.

А это то, что мы имеем на зажимах конденсатора или катушки. Здесь цена деления одного квадратика по вертикали 5 Вольт. Считаем квадратики и умножаем. 5х4=20 Вольт.

Считаем по формуле добротности:

Q=20/2=10. В принципе немного и не мало. Пойдет. Вот так вот на практике можно найти добротность.

Есть также вторая формула для вычисления добротности.

R – сопротивление потерь в контуре, Ом

L – индуктивность, Генри

С – емкость, Фарад

Зная добротность, можно легко найти сопротивление потерь R последовательного колебательного контура.

Также хочу добавить пару слов о добротности. Добротность контура – это качественный показатель колебательного контура. В основном его стараются всегда увеличить различными всевозможными способами. Если взглянуть на формулу выше, то можно понять, для того, чтобы увеличить добротность, нам надо как-то уменьшить сопротивление потерь колебательного контура. Львиная доля потерь относится к катушке индуктивности, так как она уже конструктивно имеет большие потери. Она намотана из провода и в большинстве случаев имеет сердечник. На высоких частотах в проводе начинает проявляться скин-эффект, который еще больше вносит потери в контур.

Резюме

Последовательный колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора, соединенных последовательно.

Катушка и конденсатор имеют паразитные омические потери, так как не являются идеальными радиоэлементами. Сумма этих потерь называется сопротивлением потерь R последовательного колебательного контура.

На какой-то частоте реактивное сопротивление катушки становится равным реактивному сопротивлению конденсатора и в цепи последовательного колебательного контура наступает такое явление, как резонанс.

При резонансе реактивные сопротивления катушки и конденсатора хоть и равны по модулю, но противоположны по знаку, поэтому они вычитается и в сумме дают ноль. В цепи остается только активное сопротивление потерь R.

При резонансе сила тока в цепи становится максимальной, так как сопротивление потерь катушки и конденсатора R в сумме дают малое значение.

При резонансе напряжение на катушке равняется напряжению на конденсаторе и превышает напряжение на генераторе.

Коэффициент, показывающий во сколько раз напряжение на катушке либо на конденсаторе превышает напряжение на генераторе, называется добротностью Q последовательного колебательного контура и показывает качественную оценку колебательного контура. В основном стараются сделать Q как можно больше.

На низких частотах колебательный контур имеет емкостную составляющую тока до резонанса, а после резонанса – индуктивную составляющую тока.

Источник