Колебательный контур — осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока (и напряжения).
Колебательный контур — простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания
Резонансная частота контура определяется так называемой формулой Томсона:
Содержание
Принцип действия
Пусть конденсатор ёмкостью C заряжен до напряжения . Энергия, запасённая в конденсаторе составляет
При соединении конденсатора с катушкой индуктивности, в цепи потечёт ток , что вызовет в катушке электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции, направленную на уменьшение тока в цепи. Ток, вызванный этой ЭДС (при отсутствии потерь в индуктивности) в начальный момент будет равен току разряда конденсатора, то есть результирующий ток будет равен нулю. Магнитная энергия катушки в этот (начальный) момент равна нулю.
Затем результирующий ток в цепи будет возрастать, а энергия из конденсатора будет переходить в катушку до полного разряда конденсатора. В этот момент электрическая энергия конденсатора . Магнитная же энергия, сосредоточенная в катушке, напротив, максимальна и равна
, где — индуктивность катушки, — максимальное значение тока.
После этого начнётся перезарядка конденсатора, то есть заряд конденсатора напряжением другой полярности. Перезарядка будет проходить до тех пор, пока магнитная энергия катушки не перейдёт в электрическую энергию конденсатора. Конденсатор, в этом случае, снова будет заряжен до напряжения .
В результате в цепи возникают колебания, длительность которых будет обратно пропорциональна потерям энергии в контуре.
В общем, описанные выше процессы в параллельном колебательном контуре называются резонанс токов, что означает, что через индуктивность и ёмкость протекают токи, больше тока проходящего через весь контур, причем эти токи больше в определённое число раз, которое называется добротностью. Эти большие токи не покидают пределов контура, так как они противофазны и сами себя компенсируют. Стоит также заметить, что сопротивление параллельного колебательного контура на резонансной частоте стремится к бесконечности (в отличие от последовательного колебательного контура, сопротивление которого на резонансной частоте стремится к нулю), а это делает его незаменимым фильтром.
Стоит заметить, что помимо простого колебательного контура, есть ещё колебательные контуры первого, второго и третьего рода, что учитывают потери и имеют другие особенности.
Математическое описание процессов
Напряжение, возникающее в катушке при изменении протекающего тока равно
Аналогично для тока, вызванного изменением напряжения на конденсаторе:
Поскольку всё возникающее в катушке напряжение падает на конденсаторе, то , а ток, вызванный конденсатором проходит через катушку, то . Дифференцируя одно из уравнений и подставляя результат в другое, получаем
Это уравнение гармонического осциллятора с циклической частотой (иначе она называется собственной частотой гармонического осциллятора)
Решением такого уравнения является
где — некая постоянная, называемая амплитудой колебаний, — также некоторая постоянная, называемая начальной фазой. И, например, при начальных условиях решение сведётся к
Решение может быть записано также в виде
где и — некоторые константы, которые связаны с амплитудой и фазой следующими отношениями
Комплексное сопротивление (импеданс) колебательного контура
Колебательный контур может быть рассмотрен как двухполюсник, представляющий собой параллельное включение конденсатора и катушки индуктивности. Комплексное сопротивление такого двухполюсника возможно записать как
Для такого двухполюсника имеет право быть быть определена т. н. характеристическая частота (или резонансная частота), когда импеданс колебательного контура стремится к бесконечности (знаменатель дроби стремится к нулю).
и совпадает по значению с собственной частотой колебательного контура.
Из этого уравнения следует, что на одной и той же частоте может работать множество контуров с разными величинами L и C, но с одинаковым произведением LC.
Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности, применяемой для генерации свободных электромагнитных колебаний в радиоприемниках и радиопередатчиках. Это устройство используется в качестве различных фильтров (полосовых и режекторных). Для подстройки сигналов в сторону увеличения или уменьшения амплитуды используется этот радиоэлемент. Основная функция контура — фильтрация частот.
Широкое распространение устройство получило в военной сфере. В радиолокационных станциях применяются фильтры шумоподавления. Противник использует различные постановщики помех, блокирующие обнаружение цели. В состав техники входит специальное устройство, состоящее из обыкновенных контуров, но с сердечником из специального сплава. Помехи «фильтруются», и оператор радиолокационной станции получает полную картину воздушной обстановки.
Устройство можно применять и для автоматизации. Например, в состав самолетов включен блок для регулировки частоты. Основными его элементами являются два контура, которые настроены только на две частоты — 760 и 840 Гц. На них приходит напряжение с частотой 790 Гц от специального генератора. Последний издает всего 395 Гц. Если частота отклоняется от номинального значения в меньшую сторону, то реактивное сопротивление одного из контуров уменьшается.
После этого активируется электроника блока, и выдается сигнал на увеличение оборотов генератора. Когда величина частоты превышает номинальное значение, реактивное сопротивление другого контура увеличивается. В результате этого срабатывает автоматика, и поступает другой тип сигнала на уменьшение оборотов генератора.
Виды и особенности
Схемы колебательных контуров бывают двух видов: последовательными и параллельными. Они отличаются типом соединения элементов емкости и индуктивности. В первом случае они соединены последовательно, а во втором — параллельно. Для работы необходима постоянная электрическая энергия, в противном случае происходит ее затухание, поскольку часть уходит на генерацию электромагнитного поля и нагрев провода обмотки катушки индуктивности. Контур также может быть открытым и закрытым. Открытый выпускается без специальной защитной крышки.
При решении задач по физике можно встретить интересное понятие — идеальный колебательный контур. Если в задании встречается такой термин, то это говорит о том, что энергия остается в системе, а не уходит на описанные выше процессы.
Устройство постоянно генерирует электромагнитные колебания, то есть является подобием вечного двигателя, однако такого не может быть вообще. На практике при расчете параметров учитываются затухания — постепенные уменьшения амплитуды электромагнитной волны.
Последовательное соединение
Последовательный контур — простейшая резонансно-колебательная система. Он состоит из двух элементов, подсоединенных последовательно. Через них при подключении переменного напряжения будет протекать ток переменной составляющей. Его величина определяется по закону Ома: i = U / Zlc. В этой формуле Zlc является суммой реактивных сопротивлений катушки индуктивности (Xl) и конденсатора (Xc).
Величины определяются по формулам Xl = wL и Xc = 1 / (wC). Параметр w — угловая частота, которую можно найти по такому соотношению через частоту переменного тока и число Pi: w = 2 * Pi * f. Из соотношений можно сделать вывод, что реактивное сопротивление на индуктивности растет с увеличением f, а для емкости — уменьшается. В первом случае тип зависимости называется прямо пропорциональным, а во втором — обратно пропорциональным.
При определенном значении частоты сопротивления двух элементов равны по модулю друг другу. Следовательно, это явление называется резонансом колебательной системы. Частоту w при таком условии называют собственной резонансной частотой контура. Рассчитать ее довольно просто, поскольку следует приравнять две формулы для получения уравнения: wL = 1 / (wC). Далее нужно выразить значение f: f = [(1 / (L * C))^(½)] / 2Pi. Последнее соотношение называется формулой Томсона.
Когда контур подключается к цепи генератора (источника) переменного напряжения с активным сопротивлением R, полный импеданс цепи (Z) определяется с помощью соотношения Z = [R 2 + Zlc 2 ]^(½). Если происходит резонанс, то Z = R, а реактивная составляющая исчезает.
У контура существуют еще две важные характеристики: добротность (Q) и характеристическое сопротивление (р). Последней называется величина сопротивления реактивного типа при резонансе. Вычисляется она по формуле р = (L * C)^(½) и показывает количество энергии катушки и конденсатора, которое было запасено. Для емкости значение определяется по соотношению Wс = (C * U 2 ) / 2, а для индуктивности — Wl = (L * I 2 ) / 2.
Отношение величины энергии, которая была запасена конденсатором и катушкой, к показателю потерь называется добротностью колебательного контура (Q). Параметр определяет амплитуду и ширину АЧХ резонанса и показывает превышение энергии запаса над потерями за одно колебание. При этом учитывается реактивная нагрузка R. Характеристика определяется по формуле Q = (1 / R) * [(L / C)^(½)].
В некоторых случаях описывать добротность можно другим тождеством: Q = p / R. Современные устройства выполняются на дискретных катушках, а их Q колеблется от нескольких единиц до сотен. Системы, построенные на принципе пьезоэлектронных устройств (кварцевые резонаторы), имеют высокий показатель Q. Его значение может достигать 1 тыс. и больше. Затухание контура (d) — характеристика, которая является обратной добротности. Она определяется по такому соотношению: d = 1 / Q.
Параллельный контур
Контур параллельного типа состоит также из конденсатора и катушки. Отличие заключается в том, что эти два элемента соединены параллельно между собой. Этот тип устройства применяется чаще, чем последовательный контур. Чтобы найти общее сопротивление индуктивного характера, нельзя просто сложить значения Xl и Xc. Складываются только проводимости двух элементов.
Из курса физики известно, что проводимость — величина, обратная сопротивлению, то есть Xc = 1 / Gc и Xl = 1 / Gl. Следовательно, формулы для параллельного соединения имеют такой вид:
Для примера необходимо рассмотреть электрическую цепь, состоящую из генератора переменного тока и параллельного контура. В какой-то момент времени их частоты будут совпадать. Кроме того, проводимости двух элементов равны по модулю между собой. В результате этого происходит явление резонанса токов.
В цепи будет только активное сопротивление Rэкв, которое называют в радиотехнике эквивалентным. Оно вычисляется по формуле Rэкв = Q * p. Если частота не соответствует резонансной, то в устройстве происходят другие процессы: на низких наблюдается уменьшение индуктивного сопротивления, а на высоких — емкостного.
Во время работы контура за период колебаний два раза происходит обмен энергией между катушкой и конденсатором. В радиоэлементе протекает ток, по силе превосходящий внешний в Q раз.
Принцип работы
Принцип работы контура состоит в поочередном обмене электрической энергией между элементами емкости и индуктивности. Происходит превращение емкостной в индуктивную и обратно. Процессы следует рассмотреть подробнее. Для этого нужно зарядить конденсатор до величины напряжения Uc. Энергия будет определяться по формуле Wс = (C * U 2 ) / 2. Если к конденсатору подсоединить катушку индуктивности, то это вызовет в ней ЭДС самоиндукции.
При этом энергия электромагнитного поля станет рассчитываться по такому соотношению: Wl = (L * I 2 ) / 2. Из-за нее будет постепенно уменьшаться ток в электрической цепи контура. Векторы токов конденсатора и катушки направлены в разные стороны. Следовательно, они компенсируют друг друга по I закону Кирхгофа и не выходят за пределы системы.
При постоянной работе генератора (источника питания) результирующий ток в системе начнет возрастать. Энергия Wc будет полностью переходить в катушку, пока не разрядится полностью конденсатор (Wc = 0). Далее в ней появляется электромагнитное поле за счет ЭДС самоиндукции, и обкладки конденсатора будут снова заряжаться до тех пор, пока Wl не будет равна 0. Такая особенность обмена энергиями порождает колебания. Их длительность зависит от коэффициента затухания контура.
Величина сопротивления для параллельного колебательного контура на частоте резонанса стремится к бесконечности, а последовательного — к 0. Последний и применяется в качестве фильтра благодаря такой особенности.
Расстройка устройства
Расстройка — это настройка контура на частоту, отличную от резонансной. Последняя наступает в том случае, когда характеристики частот радиодетали и генератора совпадают. В некоторых устройствах этого необходимо избегать. Чтобы получить резонанс, нужно воспользоваться одним из трех методов изменения характеристик:
Два последних метода можно делать одновременно для достижения лучшего эффекта. Расстройки классифицируются на три вида: абсолютную, обобщенную и относительную. Первой называется разность между частотами контура и резонанса. Обобщенная вычисляется при помощи отношения реактивного сопротивления к активному. Относительная выражается в виде отношения абсолютной расстройки к резонансной частоте.
Кроме того, расстройка бывает положительной и отрицательной. В первом случае необходимо, чтобы частота генератора была больше частоты контура. Для отрицательной должно соблюдаться другое условие: частота генератора меньше, чем у контура.
В некоторых случаях необходимо убрать резонансную частоту. Выполняется такая операция при помощи изменения необходимых характеристик электроцепи «контур — генератор». Очень часто в контуре применяются конденсаторы с переменной емкостью, позволяющие настраивать его. Настройка конденсатора происходит благодаря изменению расстояния между его обкладками. Этот принцип очень удобен, поскольку для изменения индуктивности катушки необходим сердечник, который будет выкручиваться.
Однако существуют радиоэлементы и такого типа. В них емкость является постоянной величиной, а индуктивность изменяется с помощью сердечника. Конструктивная особенность последнего представляет обыкновенный ферритовый болт, который вкручивается в пластиковый корпус. На последний наматывается провод.
Пример решения
Для устройства нужно произвести расчет контура с частотой резонанса 1 МГц. Можно воспользоваться описанными формулами, однако радиолюбители произвели некоторые вычисления и предложили более упрощенный вариант: L = (159,1 / f)^2 / C. Для контура можно взять приближенное значение емкости плоского конденсатора, равное 1000 пкФ. На корпусе указывается этот параметр.
Кроме того, маркировка может содержать напряжение, на которое он рассчитан. Подставив все значения в формулу, можно узнать индуктивность: L = (159,1 / 1)^2 / 1000 = 25 (мкГн). После этого следует вычислить количество витков N катушки с диаметром каркаса D по такому соотношению: N = 32 * [L / D]^(½). Если предположить, что D = 5 мм (можно взять со старых контуров), то N = 32 * [25 / 5]^(½) = 72 (витка). Однако за основу можно взять катушку с подстроечным ферритовым сердечником со следующими параметрами:
Можно воспользоваться таким соотношением: N = 8,5 * L^(½) = 8,5 * 25^(½) = 43 (витка). Провод следует брать 0,1 мм в диаметре. Это показатель измеряется при помощи штангенциркуля.
Таким образом, колебательный контур является простейшей системой для генерации электромагнитных колебаний, затухание которых зависит от частоты резонанса и добротности радиоэлемента.
Колебательный LC контур: принцип действия, расчет, определение
Сегодня нас интересует простейший колебательный контур, его принцип работы и применение.
За полезной информацией по другим темам переходите на наш телеграм-канал.
Колебания – процесс, повторяющийся во времени, характеризуется изменением параметров системы около точки равновесия.
По определению колебательный контур (или LC-контур) – это электрическая цепь, в которой происходят свободные электромагнитные колебания.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Принцип действия колебательного контура
Давайте рассмотрим пример, когда сначала мы заряжаем конденсатор и замыкаем цепь. После этого в цепи начинает течь синусоидальный электрический ток. Конденсатор разряжается через катушку. В катушке при протекании через нее тока возникает ЭДС самоиндукции, направленная в сторону, противоположную току конденсатора.
Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнет заряжаться вновь, но только в обратной полярности.
Колебания, которые происходят в контуре – свободные затухающие колебания. То есть без дополнительной подачи энергии колебания в любом реальном колебательном контуре рано или поздно прекратятся, как и любые колебания в природе.
Это обусловлено тем, что контур состоит из реальных материалов (конденсатор, катушка, провода), обладающих таким свойством, как электрическое сопротивление, и потери энергии в реальном колебательном контуре неизбежны. В противном случае это нехитрое устройство могло бы стать вечным двигателем, существование которого, как известно, невозможно.
Еще одна важная характеристика LC-контура – добротность Q. Добротность определяет амплитуду резонанса и показывает, во сколько раз запасы энергии в контуре превышают потери энергии за один период колебаний. Чем выше добротность системы, тем медленнее будут затухать колебания.
Резонанс LC-контура
Электромагнитные колебания в LC-контуре происходят с определенной частотой, которая называется резонансной Подробнее про резонанс – в нашей отдельной статье. Частоту колебаний можно менять, варьируя такие параметры контура, как емкость конденсатора C, индуктивность катушки L, сопротивление резистора R (для LCR-контура).
Как рассчитать резонансную частоту колебательного контура? Очень просто! Приведем окончательную формулу:
Применение колебательного контура
Колебательный контур широко применяется на практике. На его основе строятся частотные фильтры, без него не обходится ни один радиоприемник или генератор сигналов определенной частоты.
Если вы не знаете, как подступиться к расчету LC-контура или на это совершенно нет времени, обратитесь в профессиональный студенческий сервис. Качественная и быстрая помощь в решении любых задач не заставит себя ждать!
В прошлой статье мы с вами рассмотрели последовательный колебательный контур, так как все участвующие в нем радиоэлементы соединялись последовательно. В этой же статье мы рассмотрим параллельный колебательный контур, в котором катушка и конденсатор соединяются параллельно.
Параллельный колебательный контур
Идеальный колебательный контур
На схеме идеальный колебательный контур выглядит вот так:
Реальный колебательный контур
В реальности у нас катушка обладает приличным сопротивлением потерь, так как намотана из провода, да и конденсатор тоже имеет некоторое сопротивление потерь. Потери в емкости очень малы и ими обычно пренебрегают. Поэтому оставим только одно сопротивление потерь катушки R. Тогда схема реального колебательного контура примет вот такой вид:
R — это сопротивление потерь контура, Ом
L — индуктивность, Генри
Принцип работы параллельного колебательного контура
Давайте подцепим к генератору частоты реальный параллельный колебательный контур
Что будет, если мы подадим на контур ток с частотой в ноль Герц, то есть постоянный ток? Он спокойно побежит через катушку и будет ограничиваться лишь сопротивлением потерь R самой катушки. Через конденсатор ток не побежит, потому что конденсатор не пропускает постоянный ток. Об это я писал еще в статье конденсатор в цепи постоянного и переменного тока.
Давайте тогда будем добавлять частоту. Итак, с увеличением частоты у нас конденсатор и катушка начнут оказывать реактивное сопротивление электрическому току.
Реактивное сопротивление катушки выражается по формуле
а конденсатора по формуле
Более подробно про это можно прочитать в этой статье.
Если плавно увеличивать частоту, то можно понять из формул, что в самом начале при плавном увеличении частоты конденсатор будет оказывать бОльшее сопротивление, чем катушка индуктивности. На какой-то частоте реактивные сопротивления катушки XL и конденсатора XC уравняются. Если далее увеличивать частоту, то уже катушка уже будет оказывать большее сопротивление, чем конденсатор.
Резонанс параллельного колебательного контура
Очень интересное свойство параллельного колебательного контура заключается в том, что при ХL = ХС у нас колебательный контур войдет в резонанс. При резонансе колебательный контур начнет оказывать большее сопротивление переменному электрическому току. Еще часто это сопротивление называют резонансным сопротивлением контура и оно выражается формулой:
Rрез — это сопротивление контура на резонансной частоте
C — собственно сама емкость конденсатора
R — сопротивление потерь катушки
Формула резонанса
Для параллельного колебательного контура также работает формула Томсона для резонансной частоты как и для последовательного колебательного контура:
F — это резонансная частота контура, Герцы
L — индуктивность катушки, Генри
С — емкость конденсатора, Фарады
Как найти резонанс параллельного колебательного контура на практике
Ладно, ближе к делу. Берем паяльник в руки и спаиваем катушку и конденсатор параллельно. Катушка на 22 мкГн, а конденсатор на 1000пФ.
Итак, реальная схема этого контура будет вот такая:
Для того, чтобы все показать наглядно и понятно, давайте добавим к контуру последовательно резистор на 1 КОм и соберем вот такую схему:
На генераторе мы будет менять частоту, а с клемм X1 и X2 мы будем снимать напряжение и смотреть его на осциллографе.
Нетрудно догадаться, что у нас сопротивление параллельного колебательного контура будет зависеть от частоты генератора, так как в этом колебательном контуре мы видим два радиоэлемента, чьи реактивные сопротивления напрямую зависит от частоты, поэтому заменим колебательный контур эквивалентным сопротивлением контура Rкон.
Упрощенная схема будет выглядеть вот так:
Интересно, на что похожа эта схема? Не на делитель ли напряжения? Именно! Итак, вспоминаем правило делителя напряжения: на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение, на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение. Какой вывод можно сделать применительно к нашему колебательному контуру? Да все просто: на резонансной частоте сопротивление Rкон будет максимальным, вследствие чего у нас на этом сопротивлении «упадет» бОльшее напряжение.
Начинаем наш опыт. Поднимаем частоту на генераторе, начиная с самых маленьких частот.
Как вы видите, на колебательном контуре «падает» малое напряжение, значит, по правилу делителя напряжения, можно сказать, что сейчас у контура малое сопротивление Rкон
Добавляем частоту. 11,4 Килогерца
Как вы видите, напряжение на контуре поднялось. Это значит, что сопротивление колебательного контура увеличилось.
Добавляем еще частоту. 50 Килогерц
Заметьте, напряжение на контуре повысилось еще больше. Значит его сопротивление еще больше увеличилось.
Обратите внимание на цену деления одного квадратика по вертикали, по сравнению с прошлым опытом. Там было 20мВ на один квадратик, а сейчас уже 500 мВ на один квадратик. Напряжение выросло, так как сопротивление колебательного контура стало еще больше.
И вот я поймал такую частоту, на которой получилось максимальное напряжение на колебательном контуре. Обратите внимание на цену деления по вертикали. Она равняется двум Вольтам.
Дальнейшее увеличение частоты приводит к тому, что напряжение начинает падать:
Снова добавляем частоту и видим, что напряжение стало еще меньше:
Что происходит на резонансной частоте в параллельном колебательном контуре
Давайте более подробно рассмотрим эту осциллограмму, когда у нас было максимальное напряжение с контура.
Что здесь у нас произошло?
Так как на этой частоте был всплеск напряжения, следовательно, на этой частоте параллельный колебательный контур имел самое высокое сопротивление Rкон. На этой частоте ХL = ХС. Потом с ростом частоты сопротивление контура снова упало. Это и есть то самое резонансное сопротивление контура, которое выражается формулой:
Резонанс токов
Итак, давайте допустим, мы вогнали наш колебательный контур в резонанс:
Чему будет равняться резонансный ток Iрез? Считаем по закону Ома:
Но самый прикол в том, что у нас при резонансе в контуре появляется свой собственный контурный ток Iкон, который не выходит за пределы контура и остается только в самом контуре! Так как с математикой у меня туго, поэтому я не буду приводить различные математические выкладки с производными и комплексными числами и объяснять откуда берется контурный ток при резонансе. Именно поэтому резонанс параллельного колебательного контура называется резонансом токов.
Добротность параллельного колебательного контура
Кстати, этот контурный ток будет намного больше, чем ток, который проходит через контур. И знаете во сколько раз? Правильно, в Q раз. Q — это и есть добротность! В параллельном колебательном контуре она показывает во сколько раз сила тока в контуре Iкон больше сила тока в общей цепи Iрез
Если сюда еще прилепить сопротивление потерь, то формула примет вот такой вид:
R — сопротивление потерь на катушке, Ом
Применение параллельного колебательного контура
Параллельный колебательный контур применяется в радиоприемном оборудовании, где надо выделить частоту какой-либо станции. Также с помощью колебательного контура можно построить различные резонансные фильтры.
. Энергия, запасённая в конденсаторе составляет
, что вызовет в катушке электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции, направленную на уменьшение тока в цепи. Ток, вызванный этой ЭДС (при отсутствии потерь в индуктивности) в начальный момент будет равен току разряда конденсатора, то есть результирующий ток будет равен нулю. Магнитная энергия катушки в этот (начальный) момент равна нулю.
. Магнитная же энергия, сосредоточенная в катушке, напротив, максимальна и равна
, где 
— индуктивность катушки, 
— максимальное значение тока.
.
, а ток, вызванный конденсатором проходит через катушку, то 
. Дифференцируя одно из уравнений и подставляя результат в другое, получаем
(иначе она называется собственной частотой гармонического осциллятора)
— некая постоянная, называемая амплитудой колебаний, 
— также некоторая постоянная, называемая начальной фазой. И, например, при начальных условиях 
решение сведётся к
и 
— некоторые константы, которые связаны с амплитудой 
