Rezonans równoległy: zrozumienie, obliczenia i zastosowania w elektrotechnice

Badając elektronikę i procesy z nią związane, nie można pominąć tak ważnego pojęcia, jak rezonans prądowy. Oprócz elektroniki to zjawisko fizyczne znalazło zastosowanie w wielu dziedzinach, m.in. w elektrotechnice, a nawet medycynie.

Ponieważ rezonans prądowy jest aktywnie wykorzystywany w życiu codziennym, zrozumienie jego cech i zasad występowania i obszary zastosowań są niezbędne nie tylko specjalistom, ale także każdemu, kto interesuje się tym tematem i pracuje w pokrewnych dziedzinach obszary.

Definicja i znaczenie fizyczne

Rezonans prądu to zjawisko fizyczne, które charakteryzuje się tym, że prąd w obwodzie elektrycznym osiąga maksymalną wartość w obecności określonej częstotliwości prądu przemiennego. Zjawisko to jest możliwe tylko w obwodzie prądu przemiennego, ponieważ obowiązkowymi elementami powodującymi rezonans są pojemność i indukcyjność, dostrojone do tej samej częstotliwości.

Fizyczne znaczenie tego zjawiska staje się jasne, gdy weźmiemy pod uwagę energetyczną stronę procesu. Rezonans występuje, gdy energia zmagazynowana w polu magnetycznym cewki staje się równa energii pola elektrycznego kondensatora. W tym przypadku oscylacje mają przeciwną fazę, dzięki czemu następuje wymiana energii.

Podstawy rezonansu pętli równoległej

Rezonans występujący w równoległym obwodzie oscylacyjnym lub obwodzie rlc uważa się za równoległy. Obwód równoległy składa się z 3 głównych elementów: r oznacza rezystancję, l oznacza indukcyjność, a c oznacza pojemność. Każdy element odgrywa ważną rolę w tworzeniu rezonansu.

Głównym warunkiem, w którym obwód oscylacyjny wchodzi w rezonans, jest utworzenie równości XL = XC. W tym przypadku rezystancja obwodu oscylacyjnego na prąd przemienny znacznie wzrasta, to znaczy pojawia się rezystancja rezonansowa wyrażona wzorem R res = L / CR.

Analiza zjawiska rezonansu w obwodzie równoległym

Występowanie rezonansu w obwodzie równoległym następuje wtedy, gdy zmienia się często przyłożone do niego napięcie, indukcyjność cewki lub pojemność kondensatora. W tym przypadku wartość częstotliwości kątowej niezbędnej do wytworzenia rezonansu określa się ze wzoru v(0) = 1/√LC.

Kiedy zostaną spełnione określone warunki, reaktancja wynosi zero i aktywowany jest równoważny opór. W tym przypadku napięcie wejściowe i prąd są w fazie. Jest to rezonans, a przedstawiona relacja staje się głównym warunkiem jego wystąpienia.

Wzory i obliczenia dla prądów rezonansowych

Istnieje kilka dobrze znanych wzorów do analizy i obliczeń, z których każdy ma na celu określenie konkretnej cechy.

Trzy podstawowe formuły:

• Wzór określający częstotliwość rezonansową to fres = 1 / (2π√LC);

Tutaj fres oznacza częstotliwość rezonansową wyrażoną w hercach, π jest stałą matematyczną równą wartości 3,14..., L jest indukcyjnością, a C jest pojemnością obwodu elektrycznego.

• Wzór na określenie amplitudy prądów to Ires = Ui / (ωL);

Tutaj Ires to amplituda prądów wyrażona w amperach, Uya to napięcie studni na przesuwniku fazowym, ω to częstotliwość kątowa (2πf), a L to indukcyjność.

• Wzór na obliczenie rezystancji czynnej w rezonansie to Ract = Uya / Ires.

Tutaj Ract to rezystancja czynna w omach, Uya to napięcie studni na przesuwniku fazowym, a Ires to amplituda prądów.

Znajomość tych wzorów pozwala inżynierom i specjalistom elektrykom projektować i konfigurować obwody elektryczne z dużą precyzją.

Porównanie rezonansu równoległego i szeregowego

Istnieją dwa główne typy rezonansu prądu - szeregowy i równoległy. W pierwszym przypadku zakłada się minimalną rezystancję fazy zerowej, natomiast rezonans równoległy charakteryzuje się powstaniem równość rezystancji indukcyjności i pojemności, które mają przeciwny kierunek i odpowiednio się kompensują przyjaciel.

Różnice i warunki występowania rezonansu prądu równoległego

Typ zależy bezpośrednio od zasad połączenia. Aby wystąpił rezonans równoległy prądów konieczne jest równoległe połączenie elementów obwodu, a w przypadku szeregowego wymagane jest połączenie szeregowe.

Równoległość występuje, gdy istnieje częstotliwość, przy której reaktancje mają wartości minimalne. W przypadku szeregu wymagana jest częstotliwość, przy której ustalana jest równość reaktancji.

Praktyczne zastosowanie rezonansu szeregowego i równoległego

Jak widać z powyższego, kluczowa różnica pomiędzy zjawiskami polega na sposobie połączenia elementów reaktywnych, co wpływa na określenie obszarów ich zastosowań.

Rezonans równoległy znalazł aktywne zastosowanie w obwodach sterowania prądem w urządzeniach i sprzęcie z regulacją częstotliwości. Jeśli chodzi o rezonans szeregowy, skutecznie wykorzystuje się go do tworzenia filtrów, a także regulatorów napięcia.

Dokonując wyboru pomiędzy rezonansem równoległym a szeregowym należy wziąć pod uwagę wymagania stawiane systemowi oraz warunki jego efektywnej pracy. Jeśli kluczem jest napięcie, rezonans szeregowy dobrze sobie poradzi. Jeśli ważna jest stabilność prądu lub częstotliwości, odpowiedni jest rezonans równoległy.

Praktyczne aspekty rezonansu prądu w równoległym obwodzie oscylacyjnym

Aby lepiej zrozumieć istotę zjawiska, możemy je rozważyć na przykładzie obwodu oscylacyjnego umieszczonego w obwodzie elektronicznym. Jego głównymi elementami są pojemność, cewka i cewka indukcyjna połączone równolegle.

Rezonans wiąże się z występowaniem regularnych oscylacji o określonej częstotliwości, gdy energia pola elektrycznego pojemności przekształca się w pole magnetyczne indukcyjności. Rozpoczyna się silny opór, eliminujący możliwość niezakłóconego przepływu prądu.

Po podłączeniu zasilania kondensator gromadzi ładunek równy napięciu znamionowemu źródła prądu. Po wyłączeniu źródła kondensator zamyka się w obwodzie pętli, zapewniając dalsze przeniesienie wyładowania do cewki. Przepływający przez niego prąd powoduje wytworzenie pola magnetycznego, w wyniku czego powstaje siła samoindukcyjna skierowana w stronę prądu.

Metody ustawiania obwodów

Proces konfiguracji przebiega w kilku etapach:

1. W zależności od specyfiki konkretnej aplikacji lub systemu określana jest wymagana częstotliwość. Może to być na przykład częstotliwość stacji radiowej podczas strojenia odbiornika.
2. Wybierane są niezbędne elementy obwodu, których wartość ustala się na podstawie wzoru na częstotliwość rezonansową i wymaganą rezystancję.
3. Wybrane elementy są łączone i konfigurowane. Istnieją dwa główne sposoby - celowa zmiana wartości indukcyjności/pojemności elementów lub użycie regulowanych (zmiennych) komponentów.

Przedstawione opcje są głównymi metodami dostrajania obwodu do rezonansu. Po zakończeniu procesu konfiguracji należy sprawdzić, czy częstotliwość rezonansowa spełnia wymagane parametry, a także stabilność obwodu przy zadanej częstotliwości. Kontrolę tę przeprowadza się za pomocą specjalnego sprzętu pomiarowego.

Obliczanie pojemności rezonansowej i indukcyjności

Pojemność oblicza się ze wzoru:

C = 1 / (4π² * L * F), gdzie L to indukcyjność, a F to częstotliwość rezonansowa. Korzystając ze wzoru na pojemność rezonansową, można określić wymaganą pojemność kondensatora, aby osiągnąć stan rezonansowy obwodu.

Aby obliczyć indukcyjność przy częstotliwości rezonansowej, stosuje się następujący wzór:

L = (1 / (4π² * C * F²)), gdzie C to pojemność, a F to częstotliwość.

Jak widać z przedstawionych wzorów, istnieje odwrotna zależność pomiędzy pojemnością rezonansową i indukcyjnością. Wzrost wartości jednej z tych wielkości prowadzi do zmniejszenia wartości drugiej.

Obszary zastosowań

Zastosowanie tego zjawiska można spotkać zarówno w wysoce wyspecjalizowanych dziedzinach, jak i w życiu codziennym.

Zastosowania przemysłowe i technologiczne

Rezonans równoległy jest szeroko stosowany w zastosowaniach przemysłowych i technologicznych. Na przykład w przemyśle motoryzacyjnym zjawisko to wykorzystuje się do wytworzenia pól elektromagnetycznych, które pozwalają określić stan silnika i wszystkich głównych układów.

Na podstawie rezonansu mierzone i kontrolowane są takie parametry jak temperatura, ciśnienie czy wibracje. Prowadzona jest również ogólna diagnostyka systemów. Rezonans jest stosowany między innymi w wielu różnych filtrach, urządzeniach medycznych i zastosowaniach.

Telekomunikacja i inżynieria radiowa

Odbiorniki i nadajniki radiowe działają poprzez dostrajanie się do żądanych częstotliwości. Obwód oscylacyjny służy do wzmacniania sygnału i zapewniania transferu informacji. Proces ten jest możliwy tylko wtedy, gdy częstotliwość sygnału odpowiada częstotliwości rezonansowej obwodu, co jest również wykorzystywane przy konfigurowaniu telewizorów i innego sprzętu.

Znaczenie zjawiska dla współczesnej elektroniki i elektrotechniki

Zastosowanie rezonansu zapewnia najbardziej efektywne funkcjonowanie urządzeń i systemów elektrycznych/elektronicznych. Rezonans służy do strojenia, wzmacniania i filtrowania sygnałów. Właściwości tego zjawiska pozwalają na osiągnięcie maksymalnej mocy i selektywności sygnałów w zakresie radiowym, a także tłumienie sygnałów nierezonansowych.

Wniosek

Rezonans prądowy to zjawisko fizyczne oparte na interakcji indukcyjności i pojemności w obwodzie. Wyboru pomiędzy rezonansem równoległym lub szeregowym dokonuje się w oparciu o wymagania systemowe i pożądane wyniki. Zastosowanie rezonansu pozwala wzmacniać, dostrajać i regulować różne częstotliwości, dzięki czemu zjawisko to znalazło zastosowanie w elektronice, elektrotechnice, medycynie estetycznej, radiotechnice i telekomunikacja.

Opublikowano 23.11.2023 Zaktualizowano 23.11.2023 przez Użytkownika Elwira Kasimowa