Elektroniikkaa ja siihen liittyviä prosesseja tutkittaessa ei voida sivuuttaa niin tärkeää käsitettä kuin virtaresonanssi. Elektroniikan lisäksi tämä fyysinen ilmiö on löytänyt sovelluksensa monilla aloilla, mukaan lukien sähkötekniikka ja jopa lääketiede.
Koska nykyistä resonanssia käytetään aktiivisesti jokapäiväisessä elämässä, sen ominaisuuksien ja esiintymisperiaatteiden ymmärtäminen ja sovellusalueita tarvitaan paitsi asiantuntijoille, myös kaikille, jotka ovat kiinnostuneita tästä aiheesta ja jotka työskentelevät siihen liittyvissä asioissa alueilla.
Sisältö:
- Määritelmä ja fyysinen merkitys
- Rinnakkaissilmukkaresonanssin perusteet
- Rinnakkaispiirin resonanssiilmiön analyysi
- Resonanssivirtojen kaavat ja laskelmat
- Rinnakkais- ja sarjaresonanssin vertailu
- Rinnakkaisvirran resonanssin esiintymisen erot ja olosuhteet
- Sarjan ja rinnakkaisresonanssin käytännön sovellus
- Rinnakkaisvärähtelypiirin virtaresonanssin käytännön näkökohdat
- Piirin asetusmenetelmät
- Resonanssikapasitanssin ja induktanssin laskenta
- Käyttöalueet
- Teollisuuden ja teknologian sovellukset
- Tietoliikenne ja radiotekniikka
- Ilmiön merkitys nykyaikaiselle elektroniikalle ja sähkötekniikalle
- Johtopäätös
Määritelmä ja fyysinen merkitys
Virran resonanssi on fysikaalinen ilmiö, jolle on tunnusomaista, että virtapiirissä oleva virta saavuttaa maksimiarvonsa tietyn vaihtovirran taajuuden läsnä ollessa. Tämä ilmiö on mahdollista vain vaihtovirtapiirissä, koska pakolliset resonanssin aiheuttavat elementit ovat kapasitanssi ja induktanssi, viritetty samalle taajuudelle.
Ilmiön fyysinen merkitys tulee selväksi, kun tarkastellaan prosessin energiapuolta. Resonanssi tapahtuu, kun käämin magneettikenttään varastoitunut energia tulee yhtä suureksi kuin kondensaattorin sähkökentän energia. Tässä tapauksessa värähtelyt ovat vastakkaisvaiheisia, minkä ansiosta energiaa vaihtuu.
Rinnakkaissilmukkaresonanssin perusteet
Rinnakkaisvärähtelypiirissä tai rlc-piirissä esiintyvää resonanssia pidetään rinnakkaisena. Rinnakkaispiiri sisältää 3 pääelementtiä: r tarkoittaa vastusta, l tarkoittaa induktanssia ja c tarkoittaa kapasitanssia. Jokaisella elementillä on tärkeä rooli resonanssin luomisessa.
Pääehto, jossa värähtelevä piiri tulee resonanssiin, on yhtälön XL = XC luominen. Tässä tapauksessa värähtelevän piirin vastus vaihtovirtaan kasvaa merkittävästi, eli syntyy resonanssivastus, joka ilmaistaan kaavalla R res = L / CR.
Rinnakkaispiirin resonanssiilmiön analyysi
Resonanssin esiintyminen rinnakkaispiirissä tapahtuu, kun siihen usein syötetty jännite, käämin induktanssi tai kondensaattorin kapasitanssi muuttuu. Tässä tapauksessa resonanssin synnyttämiseen tarvittavan kulmataajuuden arvo määritetään kaavalla v (0) = 1/√LC.
Kun tietyt ehdot täyttyvät, reaktanssi on nolla ja vastaava vastus aktivoituu. Tässä tapauksessa tulojännite ja virta ovat samassa vaiheessa. Tämä on resonanssia, ja esitetystä suhteesta tulee sen esiintymisen pääehto.
Resonanssivirtojen kaavat ja laskelmat
On olemassa useita tunnettuja analyysi- ja laskentakaavoja, joista jokainen on tarkoitettu tietyn ominaisuuden määrittämiseen.
Kolme peruskaavaa:
- Resonanssitaajuuden määrittävä kaava on fres = 1 / (2π√LC);
Tässä fres tarkoittaa hertseinä ilmaistua resonanssitaajuutta, π on matemaattinen vakio, joka vastaa arvoa 3,14..., L on induktanssi ja C on sähköpiirin kapasitanssi.
- Kaava virtojen amplitudin määrittämiseksi on Ires = Ui / (ωL);
Tässä Ires on virtojen amplitudi ilmaistuna ampeereina, Uya on vaiheensiirtimen syvennysjännite, ω on kulmataajuus (2πf) ja L on induktanssi.
- Resonanssin aktiivisen resistanssin laskentakaava on Ract = Uya / Ires.
Tässä Ract on aktiivinen vastus ohmeina, Uya on vaiheensiirtimen syvennysjännite ja Ires on virtojen amplitudi.
Näiden kaavojen tunteminen antaa insinööreille ja sähköasiantuntijoille mahdollisuuden suunnitella ja konfiguroida sähköpiirejä erittäin tarkasti.
Rinnakkais- ja sarjaresonanssin vertailu
Virtaresonanssia on kaksi päätyyppiä - sarja ja rinnakkaisvirta. Ensimmäisessä tapauksessa oletetaan nollavaiheen minimiresistanssi, kun taas rinnakkaisresonanssille on ominaista luominen yhtäläisyys induktanssin ja kapasitanssin resistanssin välillä, jotka ovat vastakkaisia ja vastaavasti kompensoivat toisiaan ystävä.
Rinnakkaisvirran resonanssin esiintymisen erot ja olosuhteet
Tyyppi riippuu suoraan liitäntäperiaatteista. Virtojen rinnakkaisresonanssin esiintyminen edellyttää piirielementtien rinnakkaiskytkentää ja sarjakytkentää varten sarjaliitäntää.
Rinnakkaisuus tapahtuu, kun on taajuus, jolla reaktanssit ovat minimiarvoja. Sarjaportille vaaditaan taajuus, jolla reaktanssien välinen tasa-arvo muodostuu.
Sarjan ja rinnakkaisresonanssin käytännön sovellus
Kuten kuvatusta voidaan nähdä, ilmiöiden keskeinen ero on reaktiivisten elementtien kytkennässä, mikä vaikuttaa niiden käyttöalueiden määrittelyyn.
Rinnakkaisresonanssia on käytetty aktiivisesti virransäätöpiireissä taajuusohjatuissa laitteissa ja laitteissa. Mitä tulee sarjaresonanssiin, sitä käytetään tehokkaasti suodattimien sekä jännitesäätimien luomiseen.
Kun valitset rinnakkais- ja sarjaresonanssin välillä, sinun tulee ottaa huomioon järjestelmän vaatimukset ja sen tehokkaan toiminnan edellytykset. Jos jännite on avainasemassa, sarjaresonanssi tekee työn hienosti. Jos virran tai taajuuden vakaus on tärkeää, niin rinnakkaisresonanssi on sopiva.
Rinnakkaisvärähtelypiirin virtaresonanssin käytännön näkökohdat
Ymmärtääksemme paremmin ilmiön olemusta, voimme harkita sitä käyttämällä esimerkkiä elektroniikkapiirissä sijaitsevasta värähtelevästä piiristä. Sen pääelementit ovat kapasitanssi, käämi ja induktori, joka on kytketty rinnan.
Resonanssi liittyy tietyn taajuuden säännöllisten värähtelyjen esiintymiseen, kun kapasitanssin sähkökentän energia muuttuu induktanssin magneettikenttään. Vahva vastus alkaa, mikä eliminoi virran esteettömän kulkumahdollisuuden.
Kun virta kytketään, kondensaattori kerää varauksen, joka on yhtä suuri kuin virtalähteen nimellisjännite. Kun lähde on sammutettu, kondensaattori sulkeutuu silmukkapiirissä varmistaen purkautumisen edelleen siirtymisen kelaan. Sen läpi kulkeva virta saa aikaan magneettikentän muodostumisen, jonka seurauksena syntyy itseinduktiivinen voima, joka on suunnattu virtaan.
Piirin asetusmenetelmät
Asennusprosessi suoritetaan useissa vaiheissa:
- Tarvittava taajuus määritetään tietyn sovelluksen tai järjestelmän erityispiirteiden mukaan. Tämä voi olla esimerkiksi radioaseman taajuus vastaanottimen virittämisen yhteydessä.
- Valitaan tarvittavat piirielementit, joiden arvo määritetään resonanssitaajuuden ja vaaditun resistanssin kaavan perusteella.
- Valitut elementit yhdistetään ja konfiguroidaan. Tässä on kaksi päätapaa - elementtien induktanssi/kapasitanssiarvojen tarkoituksellinen muuttaminen tai säädettävien (muuttuvien) komponenttien käyttö.
Esitetyt vaihtoehdot ovat päämenetelmiä piirin virittämiseksi resonanssiin. Asetusprosessin päätyttyä on tarpeen tarkistaa, vastaako resonanssitaajuus vaadittuja parametreja, sekä piirin vakaus asetetulla taajuudella. Tämä tarkistus suoritetaan erityisillä mittauslaitteilla.
Resonanssikapasitanssin ja induktanssin laskenta
Kapasiteetti lasketaan kaavalla:
C = 1 / (4π² * L * F), missä L on induktanssi ja F on resonanssitaajuus. Resonanssikapasitanssikaavan avulla voit määrittää kondensaattorin tarvittavan kapasitanssin piirin resonanssitilan saavuttamiseksi.
Induktanssin laskemiseksi resonanssitaajuudella käytetään seuraavaa kaavaa:
L = (1 / (4π² * C * F²)), missä C on kapasitanssi ja F on taajuus.
Kuten esitetyistä kaavoista voidaan nähdä, resonanssikapasitanssin ja induktanssin välillä on käänteinen suhde. Yhden näistä suureista arvon nousu johtaa toisen arvon laskuun.
Käyttöalueet
Tämän ilmiön soveltamista voi kohdata sekä pitkälle erikoistuneilla aloilla että arjessa.
Teollisuuden ja teknologian sovellukset
Rinnakkaisresonanssia on käytetty laajalti teollisissa ja teknologisissa sovelluksissa. Esimerkiksi autoteollisuudessa tätä ilmiötä käytetään luomaan sähkömagneettisia kenttiä, joiden avulla voidaan määrittää moottorin ja kaikkien tärkeimpien järjestelmien kunto.
Resonanssin perusteella mitataan ja ohjataan parametreja, kuten lämpötilaa, painetta tai tärinää. Myös järjestelmien yleinen diagnostiikka suoritetaan. Resonanssia käytetään muun muassa monenlaisissa suodattimissa, lääketieteellisissä laitteissa ja sovelluksissa.
Tietoliikenne ja radiotekniikka
Radiovastaanottimet ja -lähettimet toimivat virittämällä halutuille taajuuksille. Värähtelevää piiriä käytetään signaalin vahvistamiseen ja tiedonsiirtoon. Tämä prosessi on mahdollista vain, jos signaalin taajuus vastaa piirin resonanssitaajuutta, jota käytetään myös televisioita ja muita laitteita asennettaessa.
Ilmiön merkitys nykyaikaiselle elektroniikalle ja sähkötekniikalle
Resonanssin käyttö varmistaa sähkö-/elektroniikkalaitteiden ja järjestelmien tehokkaimman toiminnan. Resonanssia käytetään signaalien virittämiseen, vahvistamiseen ja suodattamiseen. Tämän ilmiön ominaisuudet mahdollistavat signaalien maksimitehon ja selektiivisyyden saavuttamisen radioalueella sekä ei-resonoivien signaalien vaimennuksen.
Johtopäätös
Virtaresonanssi on fysikaalinen ilmiö, joka perustuu induktanssin ja kapasitanssin vuorovaikutukseen piirissä. Valinta rinnakkais- tai sarjaresonanssin välillä tehdään järjestelmävaatimusten ja haluttujen tulosten perusteella. Resonanssin käytön avulla voit vahvistaa, virittää ja säätää erilaisia taajuuksia, minkä ansiosta se ilmiö on löytänyt sovelluksen elektroniikassa, sähkötekniikassa, esteettisessä lääketieteessä, radiotekniikassa ja tietoliikenne.
Julkaistu 23.11.2023 Päivitetty 23.11.2023 käyttäjän toimesta Elvira Kasimova
