Ο συντονισμός είναι ένα από τα πιο κοινά φυσικά φαινόμενα στη φύση. Το φαινόμενο του συντονισμού μπορεί να παρατηρηθεί σε μηχανικά, ηλεκτρικά και ακόμη και θερμικά συστήματα. Χωρίς συντονισμό, δεν θα είχαμε ραδιόφωνο, τηλεόραση, μουσική, ακόμη και κούνιες παιδικής χαράς, για να μην αναφέρουμε τα πιο αποτελεσματικά διαγνωστικά συστήματα που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη ιατρική. Ένας από τους πιο ενδιαφέροντες και χρήσιμους τύπους συντονισμού σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα είναι ο συντονισμός τάσης.
Στοιχεία ενός κυκλώματος συντονισμού
Το φαινόμενο του συντονισμού μπορεί να συμβεί στο λεγόμενο κύκλωμα RLC που περιέχει τα ακόλουθα στοιχεία:
- R - αντιστάσεις. Αυτές οι συσκευές, που σχετίζονται με τα λεγόμενα ενεργά στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος, μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμική ενέργεια. Με άλλα λόγια, αφαιρούν ενέργεια από το κύκλωμα και τη μετατρέπουν σε θερμότητα.
- L - επαγωγή. Επαγωγή σεηλεκτρικά κυκλώματα - ανάλογο μάζας ή αδράνειας σε μηχανικά συστήματα. Αυτό το εξάρτημα δεν είναι ιδιαίτερα αισθητό στο ηλεκτρικό κύκλωμα μέχρι να προσπαθήσετε να κάνετε κάποιες αλλαγές σε αυτό. Στη μηχανική, για παράδειγμα, μια τέτοια αλλαγή είναι μια αλλαγή στην ταχύτητα. Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, μια αλλαγή στο ρεύμα. Εάν συμβεί για οποιονδήποτε λόγο, η αυτεπαγωγή αντισταθμίζει αυτήν την αλλαγή στη λειτουργία κυκλώματος.
- C είναι μια ονομασία για πυκνωτές, οι οποίοι είναι συσκευές που αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια με τον ίδιο τρόπο που τα ελατήρια αποθηκεύουν μηχανική ενέργεια. Ένας επαγωγέας συγκεντρώνει και αποθηκεύει μαγνητική ενέργεια, ενώ ένας πυκνωτής συγκεντρώνει φορτίο και έτσι αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια.
Το
Η έννοια του συντονιστικού κυκλώματος
Τα βασικά στοιχεία ενός κυκλώματος συντονισμού είναι η αυτεπαγωγή (L) και η χωρητικότητα (C). Η αντίσταση τείνει να μειώνει τις ταλαντώσεις, επομένως αφαιρεί ενέργεια από το κύκλωμα. Όταν εξετάζουμε τις διεργασίες που συμβαίνουν σε ένα κύκλωμα ταλάντωσης, το αγνοούμε προσωρινά, αλλά πρέπει να θυμόμαστε ότι, όπως η δύναμη τριβής στα μηχανικά συστήματα, η ηλεκτρική αντίσταση στα κυκλώματα δεν μπορεί να εξαλειφθεί.
Συντονισμός τάσης και συντονισμός ρεύματος
Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των βασικών στοιχείων, το κύκλωμα συντονισμού μπορεί να είναι σειριακό και παράλληλο. Όταν ένα σειριακό κύκλωμα ταλάντωσης συνδέεται σε μια πηγή τάσης με συχνότητα σήματος που συμπίπτει με τη φυσική συχνότητα, υπό ορισμένες συνθήκες, εμφανίζεται συντονισμός τάσης σε αυτό. Συντονισμός σε ηλεκτρικό κύκλωμα με παράλληλη σύνδεσηΤα αντιδραστικά στοιχεία ονομάζονται συντονισμός ρεύματος.
Φυσική συχνότητα του κυκλώματος συντονισμού
Μπορούμε να κάνουμε το σύστημα να ταλαντώνεται στη φυσική του συχνότητα. Για να το κάνετε αυτό, πρέπει πρώτα να φορτίσετε τον πυκνωτή, όπως φαίνεται στο επάνω σχήμα στα αριστερά. Όταν γίνει αυτό, το κλειδί μετακινείται στη θέση που φαίνεται στο ίδιο σχήμα στα δεξιά.
Τη χρονική στιγμή "0", όλη η ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται στον πυκνωτή και το ρεύμα στο κύκλωμα είναι μηδέν (σχήμα παρακάτω). Σημειώστε ότι η επάνω πλάκα του πυκνωτή είναι θετικά φορτισμένη ενώ η κάτω πλάκα είναι αρνητικά φορτισμένη. Δεν μπορούμε να δούμε τις ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων στο κύκλωμα, αλλά μπορούμε να μετρήσουμε το ρεύμα με ένα αμπερόμετρο και να χρησιμοποιήσουμε έναν παλμογράφο για να παρακολουθήσουμε τη φύση του ρεύματος έναντι του χρόνου. Σημειώστε ότι το T στο γράφημά μας είναι ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση μιας ταλάντωσης, ο οποίος στην ηλεκτρική μηχανική ονομάζεται "περίοδος ταλάντωσης".
Το ρεύμα ρέει δεξιόστροφα (εικόνα παρακάτω). Η ενέργεια μεταφέρεται από τον πυκνωτή στον επαγωγέα. Με την πρώτη ματιά, μπορεί να φαίνεται περίεργο ότι μια αυτεπαγωγή περιέχει ενέργεια, αλλά αυτή είναι παρόμοια με την κινητική ενέργεια που περιέχεται σε μια κινούμενη μάζα.
Η ροή ενέργειας επιστρέφει πίσω στον πυκνωτή, αλλά σημειώστε ότι η πολικότητα του πυκνωτή έχει πλέον αντιστραφεί. Με άλλα λόγια, η κάτω πλάκα έχει τώρα θετικό φορτίο και η επάνω πλάκα αρνητικό (Εικόνακάτω).
Τώρα το σύστημα έχει αντιστραφεί εντελώς και η ενέργεια αρχίζει να ρέει από τον πυκνωτή πίσω στον επαγωγέα (εικόνα παρακάτω). Ως αποτέλεσμα, η ενέργεια επιστρέφει πλήρως στο σημείο εκκίνησης και είναι έτοιμη να ξεκινήσει ξανά τον κύκλο.
Η συχνότητα ταλάντωσης μπορεί να προσεγγιστεί ως εξής:
F=1/2π(LC)0, 5,
όπου: F - συχνότητα, L - επαγωγή, C - χωρητικότητα.
Η διαδικασία που εξετάζεται σε αυτό το παράδειγμα αντικατοπτρίζει τη φυσική ουσία του συντονισμού του στρες.
Μελέτη συντονισμού στρες
Στα πραγματικά κυκλώματα LC, υπάρχει πάντα μια μικρή αντίσταση, η οποία μειώνει την αύξηση του πλάτους του ρεύματος με κάθε κύκλο. Μετά από αρκετούς κύκλους, το ρεύμα μειώνεται στο μηδέν. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται «ημιτονοειδής απόσβεση σήματος». Ο ρυθμός με τον οποίο το ρεύμα διασπάται στο μηδέν εξαρτάται από την ποσότητα αντίστασης στο κύκλωμα. Ωστόσο, η αντίσταση δεν αλλάζει τη συχνότητα ταλάντωσης του κυκλώματος συντονισμού. Εάν η αντίσταση είναι αρκετά υψηλή, δεν θα υπάρχει καθόλου ημιτονοειδής ταλάντωση στο κύκλωμα.
Προφανώς, όπου υπάρχει φυσική συχνότητα ταλάντωσης, υπάρχει η δυνατότητα διέγερσης της διαδικασίας συντονισμού. Αυτό το κάνουμε συμπεριλαμβάνοντας ένα τροφοδοτικό εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) σε σειρά, όπως φαίνεται στο σχήμα στα αριστερά. Ο όρος "μεταβλητή" σημαίνει ότι η τάση εξόδου της πηγής κυμαίνεται με ένα ορισμένοσυχνότητα. Εάν η συχνότητα του τροφοδοτικού ταιριάζει με τη φυσική συχνότητα του κυκλώματος, εμφανίζεται συντονισμός τάσης.
Συνθήκες εμφάνισης
Τώρα θα εξετάσουμε τις συνθήκες για την εμφάνιση συντονισμού στρες. Όπως φαίνεται στην τελευταία εικόνα, έχουμε επιστρέψει την αντίσταση στον βρόχο. Εάν δεν υπάρχει αντίσταση στο κύκλωμα, το ρεύμα στο κύκλωμα συντονισμού θα αυξηθεί σε μια ορισμένη μέγιστη τιμή που καθορίζεται από τις παραμέτρους των στοιχείων του κυκλώματος και την ισχύ της πηγής ισχύος. Η αύξηση της αντίστασης της αντίστασης στο κύκλωμα συντονισμού αυξάνει την τάση για αποσύνθεση του ρεύματος στο κύκλωμα, αλλά δεν επηρεάζει τη συχνότητα των ταλαντώσεων συντονισμού. Κατά κανόνα, η λειτουργία συντονισμού τάσης δεν εμφανίζεται εάν η αντίσταση του κυκλώματος συντονισμού ικανοποιεί την συνθήκη R=2(L/C)0, 5.
Χρήση συντονισμού τάσης για μετάδοση ραδιοφωνικών σημάτων
Το φαινόμενο του συντονισμού του στρες δεν είναι μόνο ένα περίεργο φυσικό φαινόμενο. Διαδραματίζει εξαιρετικό ρόλο στην τεχνολογία των ασύρματων επικοινωνιών - ραδιόφωνο, τηλεόραση, κινητή τηλεφωνία. Οι πομποί που χρησιμοποιούνται για την ασύρματη μετάδοση πληροφοριών περιέχουν απαραίτητα κυκλώματα σχεδιασμένα να συντονίζονται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα για κάθε συσκευή, που ονομάζεται συχνότητα φορέα. Με μια κεραία εκπομπής συνδεδεμένη στον πομπό, εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε συχνότητα φορέα.
Η κεραία στο άλλο άκρο της διαδρομής του πομποδέκτη λαμβάνει αυτό το σήμα και το τροφοδοτεί στο κύκλωμα λήψης, σχεδιασμένο να αντηχεί στη φέρουσα συχνότητα. Προφανώς, η κεραία λαμβάνει πολλά σήματα σε διαφορετικάσυχνότητες, για να μην αναφέρουμε τον θόρυβο του περιβάλλοντος. Λόγω της παρουσίας ενός κυκλώματος συντονισμού στην είσοδο της συσκευής λήψης, συντονισμένου στη φέρουσα συχνότητα του κυκλώματος συντονισμού, ο δέκτης επιλέγει τη μόνη σωστή συχνότητα, εξαλείφοντας όλες τις περιττές.
Μετά την ανίχνευση ενός ραδιοφωνικού σήματος διαμορφωμένου πλάτους (AM), το σήμα χαμηλής συχνότητας (LF) που εξάγεται από αυτό ενισχύεται και τροφοδοτείται σε μια συσκευή αναπαραγωγής ήχου. Αυτή είναι η απλούστερη μορφή ραδιοφωνικής μετάδοσης και είναι πολύ ευαίσθητη στο θόρυβο και τις παρεμβολές.
Για τη βελτίωση της ποιότητας των πληροφοριών που λαμβάνονται, έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται με επιτυχία άλλες, πιο προηγμένες μέθοδοι μετάδοσης ραδιοφωνικού σήματος, οι οποίες βασίζονται επίσης στη χρήση συντονισμένων συστημάτων συντονισμού.
Η διαμόρφωση συχνότητας ή το ραδιόφωνο FM επιλύει πολλά από τα προβλήματα της ραδιοφωνικής μετάδοσης AM, αλλά αυτό έχει το κόστος να περιπλέξει σημαντικά το σύστημα μετάδοσης. Στο ραδιόφωνο FM, οι ήχοι συστήματος στην ηλεκτρονική διαδρομή μετατρέπονται σε μικρές αλλαγές στη συχνότητα του φορέα. Το κομμάτι του εξοπλισμού που κάνει αυτή τη μετατροπή ονομάζεται "διαμορφωτής" και χρησιμοποιείται με τον πομπό.
Συνεπώς, πρέπει να προστεθεί ένας αποδιαμορφωτής στον δέκτη για να μετατρέψει το σήμα ξανά σε μορφή που μπορεί να αναπαραχθεί από το μεγάφωνο.
Περισσότερα παραδείγματα χρήσης συντονισμού τάσης
Ο συντονισμός τάσης ως θεμελιώδης αρχή είναι επίσης ενσωματωμένος στα κυκλώματα πολλών φίλτρων που χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρική μηχανική για την εξάλειψη επιβλαβών και περιττών σημάτων,εξομάλυνση κυματισμών και δημιουργία ημιτονοειδών σημάτων.
