Paralelna rezonancija: razumijevanje, proračuni i primjene u elektrotehnici

Proučavajući elektroniku i procese povezane s njom, ne može se zanemariti tako važan koncept kao strujna rezonancija. Osim u elektronici, ovaj fizikalni fenomen našao je svoju primjenu u mnogim područjima, uključujući elektrotehniku, pa čak i medicinu.

Budući da se strujna rezonancija aktivno koristi u svakodnevnom životu, potrebno je razumijevanje njezinih značajki i načela nastanka i područja primjene neophodan je ne samo stručnjacima, već i svima koje ova tema zanima i koji se bave srodnim područja.

Definicija i fizičko značenje

Rezonancija struje je fizikalna pojava koju karakterizira struja u električnom krugu koja doseže svoju najveću vrijednost u prisutnosti određene frekvencije izmjenične struje. Ova pojava je moguća samo u krugu s izmjeničnom strujom, budući da su obvezni elementi koji uzrokuju rezonanciju kapacitet i induktivitet, podešeni na istu frekvenciju.

Fizičko značenje fenomena postaje jasno kada se uzme u obzir energetska strana procesa. Rezonancija nastaje kada energija pohranjena u magnetskom polju zavojnice postane jednaka energiji električnog polja kondenzatora. U ovom slučaju, oscilacije su suprotne u fazi, zbog čega dolazi do izmjene energije.

Osnove rezonancije paralelne petlje

Rezonancija koja se javlja u paralelnom oscilatornom krugu ili rlc krugu smatra se paralelnim. Paralelni krug sadrži 3 glavna elementa: r označava otpor, l označava induktivitet, a c označava kapacitet. Svaki element ima važnu ulogu u stvaranju rezonancije.

Glavni uvjet pod kojim oscilatorni krug ulazi u rezonanciju je stvaranje jednakosti XL = XC. U ovom slučaju, otpor oscilatornog kruga na izmjeničnu struju značajno se povećava, odnosno pojavljuje se rezonantni otpor, izražen formulom R res = L / CR.

Analiza fenomena rezonancije u paralelnom krugu

Do pojave rezonancije u paralelnom strujnom krugu dolazi kada se na njega često dovodi napon, induktivitet zavojnice ili kapacitet kondenzatora. U ovom slučaju, vrijednost kutne frekvencije potrebne za stvaranje rezonancije određena je formulom v (0) = 1/√LC.

Kada su ispunjeni određeni uvjeti, reaktancija je nula i aktivira se ekvivalentni otpor. U tom slučaju ulazni napon i struja su u fazi. To je rezonancija, a prikazani odnos postaje glavni uvjet za njezinu pojavu.

Formule i proračuni za rezonantne struje

Postoji nekoliko poznatih formula za analizu i izračun, od kojih je svaka usmjerena na određivanje određene karakteristike.

Tri osnovne formule:

• Formula koja određuje frekvenciju rezonancije je fres = 1 / (2π√LC);

Ovdje fres znači rezonantnu frekvenciju izraženu u hercima, π je matematička konstanta jednaka vrijednosti 3,14..., L je induktivitet, a C je kapacitet električnog kruga.

• Formula za određivanje amplitude struja je Ires = Ui / (ωL);

Ovdje je Ires amplituda struja, izražena u amperima, Uya je napon bušotine na faznom mjenjaču, ω je kutna frekvencija (2πf), a L je induktivitet.

• Formula za izračunavanje aktivnog otpora pri rezonanciji je Ract = Uya / Ires.

Ovdje je Ract aktivni otpor u ohmima, Uya je napon bušotine na faznom pomicaču, a Ires je amplituda struja.

Poznavanje ovih formula omogućuje inženjerima i elektrotehničarima da dizajniraju i konfiguriraju električne krugove s visokom preciznošću.

Usporedba paralelne i serijske rezonancije

Postoje dvije glavne vrste strujne rezonancije - serijska i paralelna. U prvom slučaju pretpostavlja se minimalni otpor nulte faze, dok paralelnu rezonanciju karakterizira stvaranje jednakost između otpora induktiviteta i kapacitivnosti, koji su suprotni u smjeru i, sukladno tome, kompenziraju jedni druge prijatelju.

Razlike i uvjeti za pojavu rezonancije paralelnih struja

Vrsta izravno ovisi o načelima povezivanja. Za paralelnu rezonanciju struja potreban je paralelni spoj elemenata strujnog kruga, a za serijski serijski.

Paralelno se događa kada postoji frekvencija na kojoj reaktancije imaju minimalne vrijednosti. Za serijski je potrebna frekvencija na kojoj se uspostavlja jednakost između reaktancija.

Praktična primjena serijske i paralelne rezonancije

Kao što je vidljivo iz opisanog, ključna razlika između fenomena leži u načinu povezivanja reaktivnih elemenata, što utječe na definiranje područja njihove primjene.

Paralelna rezonancija pronašla je aktivnu primjenu u krugovima upravljanja strujom u uređajima i opremi s kontrolom frekvencije. Što se tiče serijske rezonancije, ona se učinkovito koristi za stvaranje filtara, kao i regulatora napona.

Prilikom odabira između paralelne i serijske rezonancije, trebali biste uzeti u obzir zahtjeve sustava i uvjete za njegov učinkovit rad. Ako je napon ključan, tada će serijska rezonancija dobro obaviti posao. Ako je važna stabilnost struje ili frekvencije, tada je prikladna paralelna rezonancija.

Praktični aspekti strujne rezonancije u paralelnom titrajnom krugu

Da bismo bolje razumjeli bit fenomena, možemo ga razmotriti na primjeru oscilatornog kruga koji se nalazi u elektroničkom krugu. Njegovi glavni elementi su kapacitivnost, zavojnica i paralelno spojeni induktor.

Rezonancija je povezana s pojavom pravilnih oscilacija određene frekvencije kada energija električnog polja kapacitivnosti prelazi u magnetsko polje induktiviteta. Počinje jak otpor, eliminirajući mogućnost nesmetanog prolaska struje.

Kada se priključi napajanje, kondenzator akumulira naboj jednak nazivnom naponu izvora struje. Nakon što se izvor isključi, kondenzator se zatvara u krugu petlje, osiguravajući daljnji prijenos pražnjenja na zavojnicu. Prolazeći kroz njega, struja izaziva stvaranje magnetskog polja, uslijed čega se stvara samoinduktivna sila usmjerena prema struji.

Metode podešavanja kruga

Proces postavljanja provodi se u nekoliko faza:

1. Ovisno o specifičnostima pojedine aplikacije ili sustava, određuje se potrebna frekvencija. Na primjer, to bi mogla biti frekvencija radio postaje kada treba ugoditi prijemnik.
2. Odabiru se potrebni elementi kruga čija se vrijednost utvrđuje na temelju formule za rezonantnu frekvenciju i potrebni otpor.
3. Odabrani elementi su povezani i konfigurirani. Ovdje postoje dva glavna načina - namjerno mijenjanje vrijednosti induktiviteta/kapacitivnosti elemenata ili korištenje podesivih (varijabilnih) komponenti.

Predstavljene opcije su glavne metode za podešavanje kruga u rezonanciju. Nakon završetka procesa podešavanja potrebno je provjeriti zadovoljava li rezonantna frekvencija tražene parametre, kao i stabilnost kruga na zadanoj frekvenciji. Ova se provjera provodi pomoću posebne mjerne opreme.

Proračun rezonantnog kapaciteta i induktiviteta

Kapacitet se izračunava pomoću formule:

C = 1 / (4π² * L * F), gdje je L induktivitet, a F rezonantna frekvencija. Pomoću formule za rezonantni kapacitet možete odrediti potreban kapacitet kondenzatora za postizanje rezonantnog stanja kruga.

Za izračunavanje induktiviteta na rezonantnoj frekvenciji koristi se sljedeća formula:

L = (1 / (4π² * C * F²)), gdje je C kapacitivnost, a F frekvencija.

Kao što se može vidjeti iz prikazanih formula, postoji obrnuti odnos između rezonantnog kapaciteta i induktiviteta. Povećanje vrijednosti jedne od ovih veličina dovodi do smanjenja vrijednosti druge.

Područja upotrebe

Primjena ovog fenomena može se susresti kako u usko specijaliziranim područjima tako iu svakodnevnom životu.

Primjene u industriji i tehnologiji

Paralelna rezonancija naširoko se koristi u industrijskim i tehnološkim primjenama. Na primjer, u automobilskoj industriji ovaj se fenomen koristi za stvaranje elektromagnetskih polja koja omogućuju određivanje stanja motora i svih glavnih sustava.

Na temelju rezonancije mjere se i kontroliraju parametri poput temperature, tlaka ili vibracija. Također se provodi opća dijagnostika sustava. Rezonancija se, među ostalim, koristi u raznim filtrima, medicinskim uređajima i aplikacijama.

Telekomunikacije i radiotehnika

Radio prijamnici i odašiljači rade ugađanjem željenih frekvencija. Za pojačavanje signala i prijenos informacija koristi se oscilatorni krug. Ovaj proces je moguć samo ako frekvencija signala odgovara rezonantnoj frekvenciji kruga, što se također koristi pri postavljanju televizora i druge opreme.

Značenje fenomena za suvremenu elektroniku i elektrotehniku

Korištenje rezonancije osigurava najučinkovitije funkcioniranje električnih/elektroničkih uređaja i sustava. Rezonancija se koristi za ugađanje, pojačavanje i filtriranje signala. Svojstva ovog fenomena omogućuju postizanje maksimalne snage i selektivnosti signala u radijskom području, kao i potiskivanje nerezonantnih signala.

Zaključak

Rezonancija struje fizikalna je pojava koja se temelji na međudjelovanju induktiviteta i kapacitivnosti u krugu. Izbor između paralelne ili serijske rezonancije donosi se na temelju zahtjeva sustava i željenih rezultata. Korištenje rezonancije omogućuje vam pojačavanje, ugađanje i reguliranje različitih frekvencija, zbog čega fenomen je našao primjenu u elektronici, elektrotehnici, estetskoj medicini, radiotehnici i telekomunikacija.

Objavljeno 23.11.2023. Ažurirano 23.11.2023. od strane korisnika Elvira Kasimova