Paralelná rezonancia: pochopenie, výpočty a aplikácie v elektrotechnike

Pri štúdiu elektroniky a procesov s ňou spojených nemožno ignorovať taký dôležitý pojem, akým je súčasná rezonancia. Okrem elektroniky našiel tento fyzikálny jav uplatnenie v mnohých oblastiach vrátane elektrotechniky a dokonca aj medicíny.

Keďže súčasná rezonancia sa aktívne používa v každodennom živote, pochopenie jej vlastností a princípov výskytu a oblastí použitia je potrebný nielen pre odborníkov, ale aj pre každého, kto sa o túto tému zaujíma a pracuje v príbuznom oblasti.

Definícia a fyzikálny význam

Prúdová rezonancia je fyzikálny jav, ktorý sa vyznačuje tým, že prúd v elektrickom obvode dosiahne svoju maximálnu hodnotu za prítomnosti určitej frekvencie striedavého prúdu. Tento jav je možný iba v obvode so striedavým prúdom, pretože povinnými prvkami, ktoré spôsobujú rezonanciu, sú kapacita a indukčnosť, naladené na rovnakú frekvenciu.

Fyzikálny význam javu sa stáva jasným pri zvažovaní energetickej stránky procesu. K rezonancii dochádza, keď sa energia uložená v magnetickom poli cievky rovná energii elektrického poľa kondenzátora. V tomto prípade sú oscilácie vo fáze opačné, vďaka čomu dochádza k výmene energie.

Základy rezonancie paralelnej slučky

Rezonancia, ktorá sa vyskytuje v paralelnom oscilačnom obvode alebo obvode rlc, sa považuje za paralelnú. Paralelný obvod obsahuje 3 hlavné prvky: r znamená odpor, l znamená indukčnosť a c znamená kapacitu. Každý prvok hrá dôležitú úlohu pri vytváraní rezonancie.

Hlavnou podmienkou, za ktorej oscilačný obvod vstupuje do rezonancie, je vytvorenie rovnosti XL = XC. V tomto prípade sa výrazne zvyšuje odpor oscilačného obvodu voči striedavému prúdu, to znamená, že sa objavuje rezonančný odpor vyjadrený vzorcom R res = L / CR.

Analýza javu rezonancie v paralelnom obvode

Výskyt rezonancie v paralelnom obvode nastáva, keď sa naň často aplikuje napätie, indukčnosť cievky alebo kapacita kondenzátora. V tomto prípade je hodnota uhlovej frekvencie potrebná na vytvorenie rezonancie určená vzorcom v (0) = 1/√LC.

Keď sú splnené určité podmienky, reaktancia je nulová a aktivuje sa ekvivalentný odpor. V tomto prípade sú vstupné napätie a prúd vo fáze. Toto je rezonancia a prezentovaný vzťah sa stáva hlavnou podmienkou jej výskytu.

Vzorce a výpočty pre rezonančné prúdy

Existuje niekoľko známych vzorcov na analýzu a výpočet, z ktorých každý je zameraný na určenie špecifickej charakteristiky.

Tri základné vzorce:

• Vzorec, ktorý určuje rezonančnú frekvenciu, je fres = 1 / (2π√LC);

Fres tu znamená rezonančnú frekvenciu vyjadrenú v hertzoch, π je matematická konštanta rovnajúca sa hodnote 3,14..., L je indukčnosť a C je kapacita elektrického obvodu.

• Vzorec na určenie amplitúdy prúdov je Ires = Ui / (ωL);

Tu Ires je amplitúda prúdov vyjadrená v ampéroch, Uya je napätie v jamke na posúvači fázy, ω je uhlová frekvencia (2πf) a L je indukčnosť.

• Vzorec na výpočet aktívneho odporu pri rezonancii je Ract = Uya / Ires.

Tu je Ract aktívny odpor v ohmoch, Uya je napätie studne na fázovom posúvači a Ires je amplitúda prúdov.

Znalosť týchto vzorcov umožňuje inžinierom a elektrickým špecialistom navrhovať a konfigurovať elektrické obvody s vysokou presnosťou.

Porovnanie paralelnej a sériovej rezonancie

Existujú dva hlavné typy rezonancie prúdu - sériová a paralelná. V prvom prípade sa predpokladá minimálny odpor nulovej fázy, zatiaľ čo paralelná rezonancia je charakterizovaná vytvorením rovnosť medzi odporom indukčnosti a kapacity, ktoré sú opačného smeru, a preto sa navzájom kompenzujú priateľ.

Rozdiely a podmienky pre vznik rezonancie paralelného prúdu

Typ priamo závisí od princípov pripojenia. Aby došlo k paralelnej rezonancii prúdov, je potrebné paralelné zapojenie prvkov obvodu a na sériové zapojenie sériové.

Paralela nastáva, keď existuje frekvencia, pri ktorej majú reaktancie minimálne hodnoty. Pre sériový prenos je potrebná frekvencia, pri ktorej je stanovená rovnosť medzi reaktanciami.

Praktická aplikácia sériovej a paralelnej rezonancie

Ako je zrejmé z toho, čo bolo opísané, kľúčový rozdiel medzi javmi spočíva v spôsobe, akým sú reaktívne prvky spojené, čo ovplyvňuje definíciu ich oblastí použitia.

Paralelná rezonancia našla aktívne využitie v obvodoch riadenia prúdu v zariadeniach a zariadeniach s riadením frekvencie. Pokiaľ ide o sériovú rezonanciu, efektívne sa používa na vytváranie filtrov, ako aj regulátorov napätia.

Pri výbere medzi paralelnou a sériovou rezonanciou by ste mali brať do úvahy požiadavky systému a podmienky jeho efektívnej prevádzky. Ak je napätie kľúčové, potom sériová rezonancia túto prácu urobí dobre. Ak je dôležitá prúdová alebo frekvenčná stabilita, potom je vhodná paralelná rezonancia.

Praktické aspekty rezonancie prúdu v paralelnom oscilačnom obvode

Aby sme lepšie pochopili podstatu javu, môžeme ho zvážiť pomocou príkladu oscilačného obvodu umiestneného v elektronickom obvode. Jeho hlavnými prvkami sú kapacita, cievka a tlmivka zapojené paralelne.

Rezonancia je spojená s výskytom pravidelných oscilácií určitej frekvencie, keď sa energia elektrického poľa kapacity transformuje na magnetické pole indukčnosti. Začína silný odpor, čím sa eliminuje možnosť nerušeného prechodu prúdu.

Keď sa použije napájanie, kondenzátor akumuluje náboj rovný menovitému napätiu zdroja prúdu. Po vypnutí zdroja sa kondenzátor uzavrie v obvode slučky, čím sa zabezpečí ďalší prenos výboja do cievky. Prechádzajúc ním prúd vyvoláva tvorbu magnetického poľa, v dôsledku čoho sa vytvára samoindukčná sila smerujúca k prúdu.

Spôsoby nastavenia okruhu

Proces nastavenia sa vykonáva v niekoľkých fázach:

1. V závislosti od špecifík konkrétnej aplikácie alebo systému sa určí požadovaná frekvencia. Môže to byť napríklad frekvencia rozhlasovej stanice, pokiaľ ide o ladenie prijímača.
2. Vyberú sa potrebné prvky obvodu, ktorých hodnota je stanovená na základe vzorca pre rezonančnú frekvenciu a požadovaný odpor.
3. Vybrané prvky sú pripojené a nakonfigurované. Existujú dva hlavné spôsoby - cielená zmena hodnôt indukčnosti / kapacity prvkov alebo použitie nastaviteľných (variabilných) komponentov.

Prezentované možnosti sú hlavnými metódami ladenia obvodu do rezonancie. Po dokončení procesu nastavenia je potrebné skontrolovať, či rezonančná frekvencia spĺňa požadované parametre, ako aj stabilitu obvodu na nastavenej frekvencii. Táto kontrola sa vykonáva pomocou špeciálneho meracieho zariadenia.

Výpočet rezonančnej kapacity a indukčnosti

Kapacita sa vypočíta podľa vzorca:

C = 1 / (4π² * L * F), kde L je indukčnosť a F je rezonančná frekvencia. Pomocou vzorca rezonančnej kapacity môžete určiť požadovanú kapacitu kondenzátora na dosiahnutie rezonančného stavu obvodu.

Na výpočet indukčnosti pri rezonančnej frekvencii sa používa nasledujúci vzorec:

L = (1 / (4π² * C * F²)), kde C je kapacita a F je frekvencia.

Ako je možné vidieť z prezentovaných vzorcov, existuje inverzný vzťah medzi rezonančnou kapacitou a indukčnosťou. Zvýšenie hodnoty jednej z týchto veličín vedie k zníženiu hodnoty druhej.

Oblasti použitia

S aplikáciou tohto fenoménu sa možno stretnúť tak vo vysoko špecializovaných oblastiach, ako aj v bežnom živote.

Priemysel a technologické aplikácie

Paralelná rezonancia sa široko používa v priemyselných a technologických aplikáciách. Napríklad v automobilovom priemysle sa tento jav využíva na vytváranie elektromagnetických polí, ktoré umožňujú určiť stav motora a všetkých hlavných systémov.

Na základe rezonancie sa merajú a kontrolujú parametre ako teplota, tlak alebo vibrácie. Vykonáva sa aj všeobecná diagnostika systémov. Rezonancia sa okrem iného používa v širokej škále filtrov, zdravotníckych pomôcok a aplikácií.

Telekomunikácie a rádiotechnika

Rádiové prijímače a vysielače fungujú naladením na požadované frekvencie. Na zosilnenie signálu a zabezpečenie prenosu informácií sa používa oscilačný obvod. Tento proces je možný len vtedy, ak sa frekvencia signálu zhoduje s rezonančnou frekvenciou obvodu, ktorý sa používa aj pri nastavovaní televízorov a iných zariadení.

Význam fenoménu pre modernú elektroniku a elektrotechniku

Použitie rezonancie zabezpečuje najefektívnejšie fungovanie elektrických/elektronických zariadení a systémov. Rezonancia sa používa na ladenie, zosilňovanie a filtrovanie signálov. Vlastnosti tohto javu umožňujú dosiahnuť maximálny výkon a selektivitu signálov v rádiovom dosahu, ako aj potlačenie nerezonančných signálov.

Záver

Prúdová rezonancia je fyzikálny jav založený na interakcii indukčnosti a kapacity v obvode. Voľba medzi paralelnou alebo sériovou rezonanciou sa robí na základe systémových požiadaviek a požadovaných výsledkov. Použitie rezonancie umožňuje zosilňovať, ladiť a regulovať rôzne frekvencie, vďaka čomu fenomén našiel uplatnenie v elektronike, elektrotechnike, estetickej medicíne, rádiotechnike a telekomunikácií.

Zverejnené 23.11.2023 Aktualizované 23.11.2023 používateľom Elvíra Kasimová