תהודה מקבילה: הבנה, חישובים ויישומים בהנדסת חשמל

כאשר לומדים אלקטרוניקה ותהליכים הקשורים אליו, אי אפשר להתעלם ממושג חשוב כל כך כמו תהודה נוכחית. בנוסף לאלקטרוניקה, תופעה פיזיקלית זו מצאה את יישומו בתחומים רבים, כולל הנדסת חשמל ואפילו רפואה.

מאז תהודה נוכחית משמש באופן פעיל בחיי היומיום, הבנה של תכונותיה ועקרונות ההתרחשות שלה ותחומי יישום נחוצים לא רק עבור מומחים, אלא גם עבור כל מי שמתעניין בנושא זה ועובד בנושא אזורים.

הגדרה ומשמעות פיזית

תהודה זרם היא תופעה פיזיקלית המתאפיינת בכך שהזרם במעגל חשמלי מגיע לערכו המרבי בנוכחות תדר מסוים של זרם חילופין. תופעה זו אפשרית רק במעגל עם זרם חילופין, שכן האלמנטים החובה הגורמים לתהודה הם קיבול והשראות, המכוונים לאותו תדר.

המשמעות הפיזית של התופעה מתבררת כאשר בוחנים את הצד האנרגטי של התהליך. תהודה מתרחשת כאשר האנרגיה האצורה בשדה המגנטי של הסליל הופכת שווה לאנרגיה של השדה החשמלי של הקבל. במקרה זה, התנודות הן הפוכות בשלב, שבגללן מחליפים אנרגיה.

יסודות של תהודה לולאה מקבילה

תהודה המתרחשת במעגל תנודה מקביל או במעגל rlc נחשב מקביל. מעגל מקביל מכיל 3 אלמנטים עיקריים: r מייצג התנגדות, l מייצג השראות, ו-c מייצג קיבול. כל אלמנט ממלא תפקיד חשוב ביצירת תהודה.

התנאי העיקרי שבו המעגל המתנודד נכנס לתהודה הוא יצירת השוויון XL = XC. במקרה זה, ההתנגדות של המעגל המתנודד לזרם חילופין עולה באופן משמעותי, כלומר, מופיעה התנגדות תהודה, המתבטאת בנוסחה R res = L / CR.

ניתוח תופעת התהודה במעגל מקבילי

התרחשות תהודה במעגל מקבילי מתרחשת כאשר המתח המופעל עליו לעתים קרובות, השראות של הסליל או הקיבול של הקבל משתנה. במקרה זה, הערך של התדר הזוויתי הדרוש ליצירת תהודה נקבע על ידי הנוסחה v (0) = 1/√LC.

כאשר מתקיימים תנאים מסוימים, התגובה היא אפס וההתנגדות המקבילה מופעלת. במקרה זה, מתח הכניסה והזרם נמצאים בשלב. זוהי תהודה, והקשר המוצג הופך לתנאי העיקרי להתרחשותו.

נוסחאות וחישובים לזרמי תהודה

ישנן מספר נוסחאות ידועות לניתוח וחישוב, שכל אחת מהן מכוונת לקביעת מאפיין ספציפי.

שלוש נוסחאות בסיסיות:

• הנוסחה הקובעת את תדר התהודה היא fres = 1 / (2π√LC);

כאן fres פירושו תדר התהודה המתבטא בהרץ, π הוא קבוע מתמטי השווה לערך 3.14..., L הוא השראות, ו-C הוא הקיבול של המעגל החשמלי.

• הנוסחה לקביעת משרעת הזרמים היא Ires = Ui / (ωL);

כאן Ires היא משרעת הזרמים, מבוטאת באמפר, Uya הוא מתח הבאר על מחליף הפאזה, ω הוא התדר הזוויתי (2πf), ו-L הוא השראות.

• הנוסחה לחישוב התנגדות פעילה בתהודה היא Ract = Uya / Ires.

כאן Ract היא ההתנגדות הפעילה באוהם, Uya היא מתח הבאר על מחליף הפאזה, ואירס היא משרעת הזרמים.

הידע בנוסחאות אלו מאפשר למהנדסים ומומחי חשמל לתכנן ולהגדיר מעגלים חשמליים בדיוק רב.

השוואה של תהודה מקבילה וסדרתית

ישנם שני סוגים עיקריים של תהודה זרם - סדרה ומקבילית. במקרה הראשון, מניחים התנגדות מינימלית של שלב האפס, בעוד תהודה מקבילה מאופיינת ביצירה שוויון בין התנגדות השראות לקיבול, הפוכים בכיוון ובהתאם, מפצים זה את זה חבר.

הבדלים ותנאים להתרחשות של תהודה זרם מקביל

הסוג תלוי ישירות בעקרונות החיבור. כדי להתרחש תהודה מקבילה של זרמים, יש צורך בחיבור מקביל של רכיבי מעגל, ולצורך סדרה אחד נדרש חיבור טורי.

מקביל מתרחש כאשר יש תדר שבו לתגובות יש ערכי מינימום. עבור סדרתי, נדרשת תדירות שבה נוצר שוויון בין התגובות.

יישום מעשי של תהודה סדרה ומקבילית

כפי שניתן לראות ממה שתואר, ההבדל העיקרי בין התופעות טמון באופן שבו האלמנטים התגובתיים מחוברים, מה שמשפיע על הגדרת תחומי היישום שלהם.

תהודה מקבילה מצאה שימוש פעיל במעגלי בקרת זרם במכשירים וציוד עם בקרת תדרים. באשר לתהודה סדרתית, הוא משמש למעשה ליצירת מסננים, כמו גם ווסת מתח.

בבחירה בין תהודה מקבילה לסדרה, יש לקחת בחשבון את דרישות המערכת ואת התנאים לפעולתה היעילה. אם מתח הוא המפתח, אז תהודה סדרתית תעשה את העבודה בסדר גמור. אם יציבות זרם או תדר חשובה, אז תהודה מקבילה מתאימה.

היבטים מעשיים של תהודה זרם במעגל נדנוד מקביל

כדי להבין טוב יותר את מהות התופעה, נוכל לשקול אותה באמצעות דוגמה של מעגל נדנוד הממוקם במעגל אלקטרוני. המרכיבים העיקריים שלו הם קיבול, סליל ומשרן המחוברים במקביל.

תהודה קשורה להתרחשות של תנודות קבועות בתדר מסוים כאשר האנרגיה של השדה החשמלי של הקיבול הופכת לשדה המגנטי של השראות. מתחילה התנגדות חזקה, ומבטלת את האפשרות של מעבר זרם ללא הפרעה.

כאשר מופעל כוח, הקבל צובר מטען השווה למתח הנקוב של מקור הזרם. לאחר כיבוי המקור, הקבל נסגר במעגל הלולאה, מה שמבטיח העברה נוספת של הפריקה לסליל. במעבר דרכו, הזרם מעורר יצירת שדה מגנטי, וכתוצאה מכך נוצר כוח השראות עצמי המכוון לעבר הזרם.

שיטות הגדרת מעגלים

תהליך ההתקנה מתבצע במספר שלבים:

1. בהתאם לפרטים הספציפיים של אפליקציה או מערכת מסוימת, התדירות הנדרשת נקבעת. לדוגמה, זה יכול להיות התדר של תחנת רדיו בכל הנוגע לכיוון המקלט.
2. נבחרים רכיבי המעגל הדרושים, שערכם נקבע על סמך הנוסחה לתדר התהודה וההתנגדות הנדרשת.
3. אלמנטים נבחרים מחוברים ומוגדרים. יש כאן שתי דרכים עיקריות - שינוי מכוון של ערכי השראות/קיבול של האלמנטים או שימוש ברכיבים מתכווננים (משתנים).

האפשרויות המוצגות הן השיטות העיקריות לכוונון מעגל לתהודה. לאחר השלמת תהליך ההגדרה, יש צורך לבדוק האם תדר התהודה עומד בפרמטרים הנדרשים, וכן את יציבות המעגל בתדר שנקבע. בדיקה זו מתבצעת באמצעות ציוד מדידה מיוחד.

חישוב קיבול תהודה והשראות

הקיבולת מחושבת באמצעות הנוסחה:

C = 1 / (4π² * L * F), כאשר L היא השראות ו-F היא תדר התהודה. באמצעות נוסחת קיבול התהודה, אתה יכול לקבוע את הקיבול הנדרש של הקבל כדי להשיג את מצב התהודה של המעגל.

כדי לחשב את השראות בתדר התהודה, נעשה שימוש בנוסחה הבאה:

L = (1 / (4π² * C * F²)), כאשר C הוא הקיבול ו-F הוא התדר.

כפי שניתן לראות מהנוסחאות המוצגות, קיים קשר הפוך בין קיבול תהודה לבין השראות. עלייה בערך של אחת מהכמויות הללו מביאה לירידה בערך השנייה.

תחומי שימוש

ניתן להיתקל ביישום של תופעה זו הן בתחומים מיוחדים והן בחיי היומיום.

יישומי תעשייה וטכנולוגיה

תהודה מקבילה הייתה בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים וטכנולוגיים. לדוגמה, בתעשיית הרכב משתמשים בתופעה זו ליצירת שדות אלקטרומגנטיים המאפשרים לקבוע את מצב המנוע וכל המערכות העיקריות.

בהתבסס על תהודה, פרמטרים כמו טמפרטורה, לחץ או רטט נמדדים ונשלטים. כמו כן, מתבצעת אבחון כללי של מערכות. רזוננס משמש בין היתר במגוון רחב של מסננים, מכשירים רפואיים ויישומים.

הנדסת טלקומוניקציה ורדיו

מקלטי רדיו ומשדרים פועלים על ידי כוונון לתדרים הרצויים. מעגל נדנוד משמש להגברת האות ולספק העברת מידע. תהליך זה אפשרי רק אם תדר האות תואם את תדר התהודה של המעגל, המשמש גם בעת הגדרת טלוויזיות וציוד אחר.

משמעות התופעה לאלקטרוניקה וחשמל מודרנית

השימוש בתהודה מבטיח את התפקוד היעיל ביותר של מכשירים ומערכות חשמליים/אלקטרוניים. תהודה משמשת לכוונון, הגברה וסינון אותות. המאפיינים של תופעה זו מאפשרים להשיג עוצמה וסלקטיביות מקסימלית של אותות בטווח הרדיו, כמו גם דיכוי של אותות שאינם מהדהדים.

סיכום

תהודה זרם היא תופעה פיזיקלית המבוססת על אינטראקציה של השראות וקיבול במעגל. הבחירה בין תהודה מקבילה או סדרתית נעשית על סמך דרישות המערכת והתוצאות הרצויות. השימוש בתהודה מאפשר לך להגביר, לכוון ולווסת תדרים שונים, שבגללם הוא התופעה מצאה יישום באלקטרוניקה, הנדסת חשמל, רפואה אסתטית, הנדסת רדיו ו תקשורת.

פורסם ב-23/11/2023 עודכן ב-23/11/2023 על ידי משתמש אלווירה קסמובה