Paralelní rezonance: porozumění, výpočty a aplikace v elektrotechnice

Při studiu elektroniky a procesů s ní spojených nelze ignorovat tak důležitý pojem, jakým je proudová rezonance. Kromě elektroniky našel tento fyzikální jev své uplatnění v mnoha oborech včetně elektrotechniky a dokonce i lékařství.

Vzhledem k tomu, že současná rezonance je aktivně využívána v každodenním životě, pochopení jejích vlastností a principů výskytu a oblastí použití je nezbytný nejen pro odborníky, ale také pro každého, kdo se o toto téma zajímá a pracuje v souvisejícím oboru oblastí.

Definice a fyzikální význam

Proudová rezonance je fyzikální jev, který je charakterizován tím, že proud v elektrickém obvodu dosáhne své maximální hodnoty za přítomnosti určité frekvence střídavého proudu. Tento jev je možný pouze v obvodu se střídavým proudem, protože povinnými prvky, které způsobují rezonanci, jsou kapacita a indukčnost, naladěné na stejnou frekvenci.

Fyzikální význam jevu se vyjasní při zvažování energetické stránky procesu. K rezonanci dochází, když se energie uložená v magnetickém poli cívky rovná energii elektrického pole kondenzátoru. V tomto případě jsou oscilace ve fázi opačné, díky čemuž dochází k výměně energie.

Základy paralelní smyčkové rezonance

Rezonance, která se vyskytuje v paralelním oscilačním obvodu nebo rlc obvodu, je považována za paralelní. Paralelní obvod obsahuje 3 hlavní prvky: r znamená odpor, l znamená indukčnost a c znamená kapacitu. Každý prvek hraje důležitou roli při vytváření rezonance.

Hlavní podmínkou, za níž oscilační obvod vstupuje do rezonance, je vytvoření rovnosti XL = XC. V tomto případě se výrazně zvyšuje odpor oscilačního obvodu vůči střídavému proudu, to znamená, že se objevuje rezonanční odpor, vyjádřený vzorcem R res = L / CR.

Analýza jevu rezonance v paralelním obvodu

K výskytu rezonance v paralelním obvodu dochází, když se na něj často působí napětí, mění se indukčnost cívky nebo kapacita kondenzátoru. V tomto případě je hodnota úhlové frekvence nutná k vytvoření rezonance určena vzorcem v (0) = 1/√LC.

Při splnění určitých podmínek je reaktance nulová a aktivuje se ekvivalentní odpor. V tomto případě jsou vstupní napětí a proud ve fázi. To je rezonance a prezentovaný vztah se stává hlavní podmínkou jejího vzniku.

Vzorce a výpočty pro rezonanční proudy

Existuje několik dobře známých vzorců pro analýzu a výpočet, z nichž každý je zaměřen na určení specifické charakteristiky.

Tři základní vzorce:

• Vzorec, který určuje rezonanční frekvenci, je fres = 1 / (2π√LC);

Zde fres znamená rezonanční frekvenci vyjádřenou v hertzech, π je matematická konstanta rovna hodnotě 3,14..., L je indukčnost a C je kapacita elektrického obvodu.

• Vzorec pro určení amplitudy proudů je Ires = Ui / (ωL);

Zde Ires je amplituda proudů, vyjádřená v ampérech, Uya je napětí v jamce na posouvači fáze, ω je úhlová frekvence (2πf) a L je indukčnost.

• Vzorec pro výpočet aktivního odporu při rezonanci je Ract = Uya / Ires.

Zde Ract je aktivní odpor v ohmech, Uya je napětí v jamce na posouvači fáze a Ires je amplituda proudů.

Znalost těchto vzorců umožňuje inženýrům a elektrotechnickým specialistům navrhovat a konfigurovat elektrické obvody s vysokou přesností.

Porovnání paralelní a sériové rezonance

Existují dva hlavní typy proudové rezonance - sériová a paralelní. V prvním případě se předpokládá minimální odpor nulové fáze, zatímco paralelní rezonance je charakterizována vytvořením rovnost mezi odporem indukčnosti a kapacity, které jsou opačného směru, a proto se vzájemně kompenzují přítel.

Rozdíly a podmínky pro vznik rezonance paralelního proudu

Typ přímo závisí na principech připojení. Pro vznik paralelní rezonance proudů je nutné paralelní zapojení obvodových prvků a pro sériové zapojení sériové.

Paralelně dochází, když existuje frekvence, při které mají reaktance minimální hodnoty. Pro sériový je vyžadován kmitočet, při kterém je stanovena rovnost mezi reaktancemi.

Praktická aplikace sériové a paralelní rezonance

Jak je patrné z toho, co bylo popsáno, klíčový rozdíl mezi jevy spočívá ve způsobu spojení reaktivních prvků, což ovlivňuje vymezení oblastí jejich použití.

Paralelní rezonance našla aktivní využití v obvodech řízení proudu v zařízeních a zařízeních s řízením frekvence. Pokud jde o sériovou rezonanci, efektivně se používá k vytváření filtrů a regulátorů napětí.

Při volbě mezi paralelní a sériovou rezonancí byste měli vzít v úvahu požadavky systému a podmínky pro jeho efektivní provoz. Pokud je klíčové napětí, pak sériová rezonance odvede svou práci dobře. Pokud je důležitá stabilita proudu nebo frekvence, pak je vhodná paralelní rezonance.

Praktické aspekty proudové rezonance v paralelním oscilačním obvodu

Pro lepší pochopení podstaty jevu jej můžeme uvažovat na příkladu oscilačního obvodu umístěného v elektronickém obvodu. Jeho hlavními prvky jsou kapacita, cívka a induktor zapojené paralelně.

Rezonance je spojena s výskytem pravidelných kmitů určité frekvence, kdy se energie elektrického pole kapacity transformuje na magnetické pole indukčnosti. Začíná silný odpor, který eliminuje možnost nerušeného průchodu proudu.

Když je připojeno napájení, kondenzátor akumuluje náboj rovný jmenovitému napětí zdroje proudu. Po vypnutí zdroje se kondenzátor uzavře v obvodu smyčky a zajistí další přenos výboje do cívky. Procházejícím proudem vyvolává generování magnetického pole, v důsledku čehož se vytváří samoindukční síla směřující k proudu.

Způsoby nastavení obvodu

Proces nastavení se provádí v několika fázích:

1. V závislosti na specifikách konkrétní aplikace nebo systému se určí požadovaná frekvence. Může to být například frekvence rozhlasové stanice, pokud jde o ladění přijímače.
2. Jsou vybrány potřebné prvky obvodu, jejichž hodnota je stanovena na základě vzorce pro rezonanční frekvenci a požadovaný odpor.
3. Vybrané prvky jsou připojeny a nakonfigurovány. Jsou zde dva hlavní způsoby - cílená změna hodnot indukčnosti/kapacity prvků nebo použití nastavitelných (proměnných) součástek.

Uvedené možnosti jsou hlavními metodami pro ladění obvodu do rezonance. Po dokončení procesu nastavení je nutné zkontrolovat, zda rezonanční kmitočet splňuje požadované parametry a také stabilitu obvodu na nastaveném kmitočtu. Tato kontrola se provádí pomocí speciálního měřicího zařízení.

Výpočet rezonanční kapacity a indukčnosti

Kapacita se vypočítá podle vzorce:

C = 1 / (4π² * L * F), kde L je indukčnost a F je rezonanční frekvence. Pomocí vzorce rezonanční kapacity můžete určit požadovanou kapacitu kondenzátoru pro dosažení rezonančního stavu obvodu.

Pro výpočet indukčnosti na rezonanční frekvenci se používá následující vzorec:

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

Jak je vidět z prezentovaných vzorců, existuje inverzní vztah mezi rezonanční kapacitou a indukčností. Zvýšení hodnoty jedné z těchto veličin vede ke snížení hodnoty druhé.

Oblasti použití

S aplikací tohoto fenoménu se lze setkat jak ve vysoce specializovaných oblastech, tak v běžném životě.

Průmyslové a technologické aplikace

Paralelní rezonance je široce používána v průmyslových a technologických aplikacích. Například v automobilovém průmyslu se tento jev využívá k vytváření elektromagnetických polí, která umožňují určit stav motoru a všech hlavních systémů.

Na základě rezonance se měří a řídí parametry jako teplota, tlak nebo vibrace. Provádí se také obecná diagnostika systémů. Rezonance se mimo jiné používá v široké škále filtrů, lékařských zařízení a aplikací.

Telekomunikace a radiotechnika

Rádiové přijímače a vysílače fungují naladěním na požadované frekvence. K zesílení signálu a zajištění přenosu informace se používá oscilační obvod. Tento proces je možný pouze v případě, že frekvence signálu odpovídá rezonanční frekvenci obvodu, což se také používá při nastavování televizorů a dalších zařízení.

Význam fenoménu pro moderní elektroniku a elektrotechniku

Použití rezonance zajišťuje nejefektivnější fungování elektrických/elektronických zařízení a systémů. Rezonance se používá k ladění, zesílení a filtrování signálů. Vlastnosti tohoto jevu umožňují dosáhnout maximálního výkonu a selektivity signálů v rádiovém dosahu a také potlačení nerezonančních signálů.

Závěr

Proudová rezonance je fyzikální jev založený na interakci indukčnosti a kapacity v obvodu. Volba mezi paralelní nebo sériovou rezonancí se provádí na základě požadavků na systém a požadovaných výsledků. Použití rezonance umožňuje zesilovat, ladit a regulovat různé frekvence, díky čemuž fenomén našel uplatnění v elektronice, elektrotechnice, estetické medicíně, radiotechnice a telekomunikace.

Zveřejněno 23.11.2023 Aktualizováno 23.11.2023 uživatelem Elvíra Kasimová