Все о колебательных контурах

теги:



Важнейшими частями радиопередатчиков и радиоприемников являются колебательные контуры, в которых возбуждаются электрические колебания, т. е. переменные токи высокой частоты.

Для более ясного представления о работе колебательных контуров рассмотрим сначала механические колебания маятника (рис.1).

Механические колебания маятника. Процесс без участия внешних сил.

Рис.1 — Колебания маятника

Если ему сообщить некоторый запас энергии, например толкнуть его или отвести в сторону и отпустить, то он будет совершать колебания. Такие колебания происходят без участия внешних сил только благодаря начальному запасу энергии, и поэтому называются свободными колебаниями.

Движение маятника из положения 1 в положение 2 и обратно является одним колебанием. После первого колебания следует второе, затем третье, четвертое и т. д.

Наибольшее отклонение маятника от положения 0 называется амплитудой колебания. Время одного полного колебания называется периодом и обозначается буквой Т. Число колебаний в одну секунду есть частота f. Период измеряется в секундах, а частота в герцах (гц). Свободные колебания маятника имеют следующие свойства:

1). Они всегда являются затухающими, т.е. амплитуда их постепенно уменьшается (затухает) вследствие потерь энергии на преодоление сопротивления воздуха и на трение в точке подвеса;

2). Свободные колебания можно считать гармоническими, т.е. синусоидальными, если не принимать во внимание их затухание;

3). Частота свободных колебаний маятника зависит от его длины и не зависит от амплитуды.При затухании колебаний амплитуда уменьшается, но период и частота остаются неизменными;

4). Амплитуда свободных колебаний зависит от начального запаса энергии. Чем сильнее толкнуть маятник или чем дальше отвести его от положения равновесия, тем больше амплитуда.

В процессе колебаний маятника потенциальная механическая энергия переходит в кинетическую и обратно. В положении 1 или 2 маятник останавливается и имеет наибольшую потенциальную энергию, а его кинетическая энергия равна нулю. По мере движения маятника к положению 0 скорость движения увеличивается и возрастает кинетическая энергия — энергия движения. При переходе маятника через положение 0 его скорость и кинетическая энергия имеют максимальное значение, а потенциальная энергия равна нулю. Далее скорость уменьшается и кинетическая энергия переходит в потенциальную. Если бы не было потерь энергии, то такой переход энергии из одного состояния в другое продолжался бы бесконечно и колебания были бы незатухающими. Однако практически всегда имеются потери энергии. Поэтому для создания незатухающих колебаний нужно подталкивать маятник, т.е. добавлять ему периодически энергию, возмещающую потери, как это делается, например, в часовом механизме.

Перейдем теперь к изучению электрических колебаний. Колебательный контур представляет собой замкнутую цепь, состоящую из катушки L и конденсатора С. На схеме (рис.2), такой контур образуется при положении 2 переключателя П. Каждый контур обладает еще и активным сопротивлением, влияние которого пока не будем рассматривать.

Электрическая схема стенд, для демонстрации электрических колебаний в контуре.

Рис.2 — Схема для возбуждения свободных колебаний в контуре

Назначение колебательного контура — создание электрических колебаний.

Если присоединить к катушке заряженный конденсатор, то его разряд будет иметь колебательный характер. Для заряда конденсатора надо в схеме (рис.2) поставить переключатель П в положение 1. Если затем его перевести на контакт 2, то конденсатор начнет разряжаться на катушку.

Процесс колебаний удобно проследить с помощью графика, показывающего изменения напряжения и и тока i (рис.3).

Как происходит процесс электрических колебаний в контуре.
Рис.3 — Процесс свободных электрических колебаний в контуре

В начале конденсатор заряжен до наибольшей разности потенциалов Um, а ток I равен нулю. Как только конденсатор начинает разряжаться, возникает ток, который постепенно увеличивается На (рис.3) показано стрелками направление движения эчектронов этого тока. Быстрому изменению тока препятствует эдс самоиндукции катушки. По мере возрастания тока напряжение на конденсаторе уменьшается, в некоторый момент (момент 1 на рис.3) конденсатор полностью разрядится. Ток пристановится первоначальное состояние контура (момент 4 на рис.3).

Электроны в колебательном контуре совершили одно полное колебание, период которого показан на (рис.3) буквой Т. За этим колебанием следует второе, третье и т. д.

В контуре происходят свободные электрические колебания. Они совершаются самостоятельно без воздействия каких-либо внешних эдс, только благодаря начальному заряду конденсатора.

Эти колебания являются гармоническими, т. е. представляют собой синусоидальный переменный ток.
В процессе колебаний электроны не переходят с одной обкладки конденсатора на другую. Хотя скорость распространения тока очень велика (близка к 300 000 км/сек), электроны перемещаются в проводниках с весьма малой скоростью — доли сантиметра в секунду. За время одного полупериода электроны могут пройти только небольшой участок провода. Они уходят с обкладки, имеющей отрицательный заряд, в ближайший участок соединительного провода, а на другую обкладку приходят в таком же количестве электроны из участка провода, ближайшего к этой обкладке. Таким образом, в проводах контура совершается лишь смещение электронов на небольшое расстояние.

Заряженный конденсатор обладает запасом потенциальной электрической энергии, сосредоточенной в электрическом поле между обкладками. Движение электронов сопровождается возникновением магнитного поля. Поэтому кинетическая энергия движущихся электронов есть энергия магнитного поля.

Электрическое колебание в контуре представляет собой периодический переход потенциальной энергии электрического поля в кинетическую энергию магнитного поля и обратно.

В начальный момент вся энергия сосредоточена в электрическом поле заряженного конденсатора. Когда конденсатор разряжается, его энергия уменьшается и растет энергия магнитного поля катушки. При максимальном токе вся энергия контура сосредоточена в магнитном поле.

Дальше процесс идет обратным порядком: магнитная энергия уменьшается и возникает энергия электрического поля. Через полпериода после начала колебаний вся энергия опять сосредоточится в конденсаторе, а затем снова начнется переход энергии электрического поля в энергию магнитного поля и т. д.

Максимум тока (или магнитной энергии) соответствует нулю напряжения (или нулю электрической энергии) и наоборот, т. е. сдвиг фаз между напряжением и током равен четверти периода, или 90°. В первую и третью четверти периода конденсатор играет роль генератора, а катушка является приемником энергии. Во вторую и четвертую четверти, наоборот, катушка работает в качестве генератора, отдавая энергию обратно в конденсатор.

Особенностью контура является равенство индуктивного сопротивления катушки и емкостного сопротивления конденсатора для тока свободных колебаний. Это вытекает из следующего.

Конденсатор и катушка соединены своими зажимами друг с другом и поэтому напряжения на них равны. Ток I в катушке и конденсаторе один и тот же, так как контур представляет собой последовательную цепь. Поэтому можно написать

Равенство индуктивного сопротивления катушки и емкостного сопротивления конденсатора для тока свободных колебаний

где Индуктивное сопротивление катушки в колебательном контуре — индуктивное сопротивление катушки, а Емкостное сопротивление катушки в колебательном контуре— емкостное сопротивление конденсатора.
Разделив обе части этого равенства на I, получим

Равенство сопротивлений на частоте собственных колебаний контура

Значение индуктивного или емкостного сопротивления элементов контура на частоте собственных колебаний называют характеристическим (иногда волновым, что неудачно) сопротивлением контура и обозначают греческой буквой р (ро)

Характеристическое сопротивление контура

Величина ρ обычно бывает порядка нескольких сотен ом.



теги:


Амплитуды напряжения и тока свободных электрических колебаний в данном контуре зависят от начального запаса энергии. Чем больше напряжение первоначального заряда конденсатора контура, тем больше амплитуда колебаний.

Каждый контур имеет определенную частоту происходящих в нем свободных колебаний. Она называется собственной частотой контура или, просто, частотой контура Fo и зависит от емкости и индуктивности контура. Чем больше индуктивность и емкость, тем больше период свободных колебаний и тем меньше их частота.

Если емкость увеличить, то время заряда и разряда конденсатора станет больше, так как при прежнем напряжении количество электричества в конденсаторе будет больше. Увеличение индуктивности, в свою очередь, вызовет более медленное нарастание и спадание тока при разряде и заряде конденсатора, так как большая индуктивность сильнее препятствует изменениям тока. Значит, колебания будут происходить медленнее, т.е. частота уменьшится. При уменьшении L и С колебания, наоборот, совершаются быстрее и, следовательно, частота увеличивается.

Чтобы уменьшить частоту контура в 2 раза, нужно увеличить в 4 раза емкость или индуктивность контура. Можно, однако, увеличить емкость в 2 раза,, но одновременно увеличить и. индуктивность также в 2 раза. Чтобы изменить частоту в 3 раза, нужно изменить L или С, или их произведение в 9 раз и т.д.
Одну и ту же частоту можно получить при разных значениях емкости и индуктивности; важно только, чтобы их произведение L*C было неизменно.

Длина радиоволн обратно пропорциональна частоте. Поэтому с уменьшением емкости и индуктивности длина волны контура (ламбда) уменьшается, а при увеличении С и L она увеличивается.

На (рис.1) показаны графики зависимости частоты контура Fo и соответствующей длины волны λ от емкости или индуктивности, называемые кривыми, или графиками настройки контура.

Зависимость частоты контура Fo и соответствующей длины волны от емкости или индуктивности, называемые кривыми, или графиками настройки контура
Рис.1 — График настройки контура

Зависимость частоты контура от его емкости и индуктивности выражается формулой Томсона

Формула Томсона. Формула для расчета собственной частоты контура.

Здесь Fо выражена в герцах, a L и С — в генри и фарадах. Английский ученый Томсон впервые дал эту формулу для периода свободных колебаний в контуре

Формула Томпсона для периода свободных колебаний в контуре

Но в радиотехнике пользуются величиной частоты, так как период составляет малую долю секунды, что неудобно.

Формула Томсона легко выводится из равенства индуктивного и емкостного сопротивлений при свободных колебаниях

Вывод формулы Томпсона для колебательного контура.

Из этого вытекает, что

Вывод формулы Томпсона для колебательного контура.

В любой колебательной системе частота свободных колебаний зависит от двух параметров. У колебательного контура эти параметры — индуктивность и емкость — можно легко изменять. Для обычного маятника один параметр — длину его — также можно изменять. Нетрудно показать, что для изменения частоты в 2 раза длину надо изменить в 4 раза, для изменения частоты в 3 раза длина маятника должна быть изменена в 9 раз и т. д. Вторым параметром у маятника является ускорение, создаваемое земным тяготением. Эта величина равна         g = 9,81 м/сек2 и ее нельзя изменить по нашему желанию.

Лучшей механической аналогией колебательного контура является пружинный маятник (рис.2).

Пружинный маятник как пример работы колебательного контура

Рис.2 — Пружинный маятник

Частота его свободных колебаний зависит от веса (или массы) грузика и гибкости пружины. Гибкость является величиной, обратной упругости, и характеризует податливость пружины к растяжению или сжатию под влиянием приложенной силы. Величина гибкости зависит от толщины и материала проволоки пружины, диаметра ее витков и их числа. Если увеличить число витков в 4 раза, то во столько же раз увеличится гибкость, а частота колебаний уменьшится в 2 раза. Такое же изменение частоты получится, если увеличить в 4 раза вес грузика. Поэтому с данным маятником легко показать зависимость частоты свободных колебаний от двух параметров.




Мы рассматривали идеальный контур, который состоит только из емкости и индуктивности, являющихся реактивными сопротивлениями и не вызывающих потерь энергии. При отсутствии активного сопротивления амплитуда колебаний остается неизменной. Такие колебания называются незатухающими (рис.1 а).

Незатухающие и затухающие колебания. Эквивалентная схема замещения реального колебательного контура
Рис.1 — Незатухающие (а) и затухающие (б) колебания. Эквивалентная схема замещения реального контура (в)

В действительности колебательный контур имеет некоторое активное сопротивление; оно распределено главным образом в катушке, а также в соединительных проводах и отчасти в конденсаторе. На (рис.1 в) показана так называемая эквивалентная схема реального контура, в которой активное сопротивление r условно показано включенным последовательно, а катушка и конденсатор считаются не имеющими активного сопротивления. Активное сопротивление иначе называют сопротивлением потерь.
Существуют следующие виды потерь энергии тока вч.:

1). На нагрев провода, который вследствие поверхностного эффекта имеет активное сопротивление большее, чем сопротивление постоянному току. Поверхностный эффект (или скин-эффект) состоит в том, что ток высокой частоты проходит не по всему объему провода, а только по тонкому слою на поверхности. В результате этого рабочее сечение провода уменьшается и сопротивление увеличивается. Чем выше частота, тем тоньше слой, по которому идет ток, и тем больше сопротивление.

2). На нагрев твердых диэлектриков, в которых переменное электрическое поле вызывает колебание молекул, сопровождающееся их взаимным трением (диэлектрический гистерезис).

3). На токи утечки, возникающие вследствие того, что твердые диэлектрики не являются идеальными изоляторами.

4). На нагрев ферромагнитных сердечников, применяемых для увеличения индуктивности катушек, за счет магнитного гистерезиса и вихревых токов (токов Фуко), возникающих в сердечниках.

5). На вихревые токи во всех металлических предметах, которые находятся вблизи контура и подвергаются влиянию его переменного магнитного поля.

6). На излучение контуром электромагнитных волн.

7. На переход энергии в другие цепи, связанные с данным контуром.

Все потери в контуре растут с увеличением частоты.

Все эти потери считают эквивалентными потерям в некотором активном сопротивлении. Таким образом, активное сопротивление контура характеризует суммарные потери энергии в нем.

Активное сопротивление вызывает затухание кблебаний: их амплитуда постепенно уменьшается и довольно скоро становится настолько малой, что колебания можно считать прекратившимися.

Свободные колебания в контуре всегда затухающие.

Затухание колебаний тем сильнее, чем больше активное сопротивление. На (рис.1 6) даны графики колебаний контура при различных активных сопротивлениях. Частота колебаний остается неизменной, несмотря на уменьшение амплитуды. Если активное сопротивление контура очень велико, то затухание настолько возрастает, что колебания вообще не возникают.

Активное сопротивление оказывает некоторое влияние и на частоту колебаний. Чем больше r, тем меньше частота. Но влияние это незначительно и его практически не учитывают.
Математически величину затухания колебаний принято оценивать отношением активного сопротивления r к характеристическому сопротивлению ρ. Это отношение называют затуханием контура и обозначают греческой буквой δ (дельта)

Формула расчета затухания колебательного контура

В хороших контурах δ меньше 0,01. Контуры среднего качества имеют δ от 0,05 до 0,01. Если δ больше 0,06, то контур считают плохим.

Контуры также характеризуют величиной, обратной затуханию и называемой добротностью или качеством контура. Величина эта обозначается буквой Q и равна

Формула добротности колебательного контура

Чем меньше затухание контура, тем выше его качество. У контуров среднего диаметра качества Q от 20 до 100. Если Q больше 100, то контур считают хорошим. У плохих контуров Q меньше 20.

Для радиосвязи необходимо иметь незатухающие колебания. Их можно получить, если периодически добавлять энергию в контур, чтобы компенсировать в нем потери.

Это можно осуществить, подключая к контуру периодически источник эдс, который будет подзаряжать конденсатор. Такое подключение надо делать с частотой, равной частоте контура, и в те четверти периода, когда конденсатор заряжается. Конечно, при этом полярность источника должна соответствовать знакам зарядов на конденсаторе. Ясно, что при большой частоте делать такое подключение вручную нельзя. Невозможно его делать и автоматически с помощью электромагнитного реле, которое имеет значительную инерцию. При частотах в сотни тысяч и миллионы герц в качестве автоматического реле можно применить только электронную лампу или полупроводниковый прибор.



Стр. 1 из 41234


radionet