Lygiagretusis rezonansas: supratimas, skaičiavimai ir taikymas elektrotechnikoje

Studijuojant elektroniką ir su ja susijusius procesus, negalima ignoruoti tokios svarbios sąvokos kaip srovės rezonansas. Be elektronikos, šis fizinis reiškinys buvo pritaikytas daugelyje sričių, įskaitant elektros inžineriją ir net mediciną.

Kadangi dabartinis rezonansas aktyviai naudojamas kasdieniame gyvenime, jo ypatybių ir atsiradimo principų supratimas ir pritaikymo sritys yra reikalingos ne tik specialistams, bet ir visiems, kurie domisi šia tema ir dirba su tuo susijusią veiklą srityse.

Apibrėžimas ir fizinė reikšmė

Srovės rezonansas yra fizinis reiškinys, kuriam būdinga tai, kad srovė elektros grandinėje pasiekia didžiausią vertę esant tam tikram kintamos srovės dažniui. Šis reiškinys įmanomas tik grandinėje su kintamąja srove, nes privalomi elementai, sukeliantys rezonansą, yra talpa ir induktyvumas, sureguliuoti tuo pačiu dažniu.

Fizinė reiškinio prasmė išaiškėja svarstant energetinę proceso pusę. Rezonansas atsiranda tada, kai ritės magnetiniame lauke sukaupta energija tampa lygi kondensatoriaus elektrinio lauko energijai. Šiuo atveju svyravimų fazė yra priešinga, dėl kurios keičiasi energija.

Lygiagrečios kilpos rezonanso pagrindai

Rezonansas, atsirandantis lygiagrečioje virpesių grandinėje arba rlc grandinėje, laikomas lygiagrečiu. Lygiagrečią grandinę sudaro 3 pagrindiniai elementai: r reiškia varžą, l reiškia induktyvumą ir c reiškia talpą. Kiekvienas elementas vaidina svarbų vaidmenį kuriant rezonansą.

Pagrindinė sąlyga, kuriai esant virpesių grandinė patenka į rezonansą, yra lygybės XL = XC sukūrimas. Tokiu atveju žymiai padidėja virpesių grandinės atsparumas kintamajai srovei, tai yra, atsiranda rezonansinė varža, išreikšta formule R res = L / CR.

Rezonanso reiškinio lygiagrečioje grandinėje analizė

Lygiagrečioje grandinėje rezonansas atsiranda, kai pasikeičia jai dažnai taikoma įtampa, ritės induktyvumas ar kondensatoriaus talpa. Šiuo atveju rezonansui sukurti reikalingo kampinio dažnio reikšmė nustatoma pagal formulę v (0) = 1/√LC.

Kai įvykdomos tam tikros sąlygos, reaktyvumas yra lygus nuliui ir įjungiama lygiavertė varža. Šiuo atveju įėjimo įtampa ir srovė yra fazėje. Tai yra rezonansas, o pateikti santykiai tampa pagrindine jo atsiradimo sąlyga.

Rezonansinių srovių formulės ir skaičiavimai

Yra keletas gerai žinomų analizės ir skaičiavimo formulių, kurių kiekviena yra skirta konkrečiai charakteristikai nustatyti.

Trys pagrindinės formulės:

• Rezonanso dažnį apibrėžianti formulė yra fres = 1 / (2π√LC);

Čia fres reiškia rezonanso dažnį, išreikštą hercais, π – matematinė konstanta, lygi reikšmei 3,14..., L – induktyvumas, o C – elektros grandinės talpa.

• Srovių amplitudės nustatymo formulė yra Ires = Ui / (ωL);

Čia Ires yra srovių amplitudė, išreikšta amperais, Uya yra fazės keitiklio šulinio įtampa, ω yra kampinis dažnis (2πf), o L yra induktyvumas.

• Aktyvaus pasipriešinimo rezonanso metu apskaičiavimo formulė yra Ract = Uya / Ires.

Čia Ract yra aktyvioji varža savomis, Uya yra fazių keitiklio šulinio įtampa, o Ires yra srovių amplitudė.

Šių formulių išmanymas leidžia inžinieriams ir elektros specialistams labai tiksliai suprojektuoti ir konfigūruoti elektros grandines.

Lygiagrečio ir serijinio rezonanso palyginimas

Yra du pagrindiniai srovės rezonanso tipai – serijinis ir lygiagretusis. Pirmuoju atveju daroma prielaida, kad minimali nulinės fazės varža, o lygiagrečiam rezonansui būdingas kūrimas induktyvumo ir talpos varžos lygybė, kurios yra priešingos krypties ir atitinkamai kompensuoja viena kitą draugas.

Lygiagretaus srovės rezonanso atsiradimo skirtumai ir sąlygos

Tipas tiesiogiai priklauso nuo prijungimo principų. Kad atsirastų lygiagretus srovių rezonansas, būtinas lygiagretus grandinės elementų jungimas, o nuosekliai – nuoseklusis.

Lygiagretus yra tada, kai yra dažnis, kuriame reaktyvumo vertės yra minimalios. Serijiniam ryšiui reikalingas dažnis, kuriuo nustatoma reaktyvių varžų lygybė.

Praktinis serijos ir lygiagretaus rezonanso taikymas

Kaip matyti iš to, kas buvo aprašyta, pagrindinis skirtumas tarp reiškinių yra reaktyviųjų elementų prijungimo būdas, kuris turi įtakos jų taikymo sričių apibrėžimui.

Lygiagretusis rezonansas aktyviai naudojamas srovės valdymo grandinėse įrenginiuose ir įrenginiuose su dažnio valdymu. Kalbant apie serijinį rezonansą, jis efektyviai naudojamas kuriant filtrus, taip pat įtampos reguliatorius.

Renkantis lygiagretųjį ir nuoseklųjį rezonansą, reikėtų atsižvelgti į sistemos reikalavimus ir efektyvaus jos veikimo sąlygas. Jei įtampa yra svarbiausia, serijinis rezonansas puikiai atliks darbą. Jei svarbus srovės ar dažnio stabilumas, tada tinka lygiagretusis rezonansas.

Praktiniai srovės rezonanso lygiagrečios virpesių grandinės aspektai

Norėdami geriau suprasti reiškinio esmę, galime jį apsvarstyti naudodami virpesių grandinės, esančios elektroninėje grandinėje, pavyzdį. Pagrindiniai jo elementai yra lygiagrečiai sujungta talpa, ritė ir induktorius.

Rezonansas siejamas su reguliarių tam tikro dažnio svyravimų atsiradimu, kai talpos elektrinio lauko energija transformuojasi į induktyvumo magnetinį lauką. Prasideda stiprus pasipriešinimas, pašalinant galimybę netrukdomai praeiti srovei.

Įjungus maitinimą, kondensatorius kaupia įkrovą, lygią srovės šaltinio vardinei įtampai. Išjungus šaltinį, kondensatorius užsidaro kilpos grandinėje, užtikrindamas tolesnį iškrovos perdavimą į ritę. Praeidama per jį srovė išprovokuoja magnetinio lauko susidarymą, dėl kurio susidaro savaiminė indukcinė jėga, nukreipta į srovę.

Grandinės nustatymo metodai

Sąrankos procesas atliekamas keliais etapais:

1. Atsižvelgiant į konkrečios programos ar sistemos specifiką, nustatomas reikiamas dažnis. Pavyzdžiui, tai gali būti radijo stoties dažnis, kai reikia derinti imtuvą.
2. Parenkami reikalingi grandinės elementai, kurių vertė nustatoma pagal rezonansinio dažnio ir reikiamos varžos formulę.
3. Pasirinkti elementai sujungiami ir sukonfigūruojami. Čia yra du pagrindiniai būdai - tikslingai keisti elementų induktyvumo/talpos reikšmes arba naudojant reguliuojamus (kintamus) komponentus.

Pateiktos parinktys yra pagrindiniai būdai, kaip suderinti grandinę į rezonansą. Atlikus sąrankos procesą, būtina patikrinti, ar rezonansinis dažnis atitinka reikiamus parametrus, taip pat ar grandinės stabilumas nustatytame dažnyje. Šis patikrinimas atliekamas naudojant specialią matavimo įrangą.

Rezonansinės talpos ir induktyvumo skaičiavimas

Talpa apskaičiuojama pagal formulę:

C = 1 / (4π² * L * F), kur L yra induktyvumas, o F yra rezonanso dažnis. Naudodami rezonansinės talpos formulę galite nustatyti reikiamą kondensatoriaus talpą, kad būtų pasiekta grandinės rezonansinė būsena.

Norint apskaičiuoti induktyvumą esant rezonansiniam dažniui, naudojama ši formulė:

L = (1 / (4π² * C * F²)), kur C yra talpa, o F yra dažnis.

Kaip matyti iš pateiktų formulių, tarp rezonansinės talpos ir induktyvumo yra atvirkštinis ryšys. Vieno iš šių dydžių vertės padidėjimas lemia antrojo vertės sumažėjimą.

Naudojimo sritys

Su šio reiškinio taikymu galima susidurti tiek labai specializuotose srityse, tiek kasdieniame gyvenime.

Pramonės ir technologijų taikymas

Lygiagretusis rezonansas buvo plačiai naudojamas pramonės ir technologijų srityse. Pavyzdžiui, automobilių pramonėje šis reiškinys naudojamas kuriant elektromagnetinius laukus, leidžiančius nustatyti variklio ir visų pagrindinių sistemų būklę.

Remiantis rezonansu, matuojami ir kontroliuojami tokie parametrai kaip temperatūra, slėgis ar vibracija. Taip pat atliekama bendroji sistemų diagnostika. Rezonansas, be kita ko, naudojamas įvairiuose filtruose, medicinos prietaisuose ir programose.

Telekomunikacijos ir radijo inžinerija

Radijo imtuvai ir siųstuvai veikia derindami norimus dažnius. Signalui sustiprinti ir informacijos perdavimui užtikrinti naudojama virpesių grandinė. Šis procesas įmanomas tik tuo atveju, jei signalo dažnis sutampa su grandinės rezonansiniu dažniu, kuris taip pat naudojamas nustatant televizorius ir kitą įrangą.

Reiškinio reikšmė šiuolaikinei elektronikai ir elektrotechnikai

Rezonanso panaudojimas užtikrina efektyviausią elektrinių/elektroninių prietaisų ir sistemų funkcionavimą. Rezonansas naudojamas signalams derinti, stiprinti ir filtruoti. Šio reiškinio savybės leidžia pasiekti maksimalią signalų galią ir selektyvumą radijo diapazone, taip pat slopinti nerezonansinius signalus.

Išvada

Srovės rezonansas yra fizikinis reiškinys, pagrįstas induktyvumo ir talpos sąveika grandinėje. Lygiagretus ar nuoseklus rezonansas pasirenkamas atsižvelgiant į sistemos reikalavimus ir norimus rezultatus. Rezonanso naudojimas leidžia sustiprinti, derinti ir reguliuoti įvairius dažnius, dėl kurių jis reiškinys buvo pritaikytas elektronikoje, elektrotechnikoje, estetinėje medicinoje, radijo inžinerijoje ir telekomunikacijos.

Paskelbta 2023-11-23 Atnaujinta 2023-11-23 naudotojo Elvira Kasimova