9 Резонансные (колебательные) контуры
Колебательный
контур – это
линейная
электрическая
цепь, составленная из конденсатора
и катушки индуктивности
С
их помощью решается одна из важнейших
задач радиотехники – осуществление
частотной селекции (избирательности).
Из множества несущих частот различных
радиостанций, поступающих в антенну
радиоприемника, необходимо выбрать
узкую полосу частот интересующей нас
радиостанции.
Резонанас напряжений в последовательном контуре
На
рис. 3.13 представлен последовательный
колебательный контур, к которому
подключен генератор гармонических
сигналов
,
внутреннее сопротивление которого
равно нулю.
Рис3.13. Последовательный контур с внешним генератором
На основании второго закона Кирхгофа запишем:
.
(3.73)
Ток в контуре будет равен:
(3.74)
Входное сопротивление
.
(3.75)
Реактивная составляющая входного сопротивления
.
(3.76)
В зависимости от расстройки контура относительно резонансной частоты возможны три случая:
-
при
этом реактивная составляющая входного
сопротивления
носит индуктивный характер;
при
этом реактивная составляющая входного
сопротивления
носит емкостный характер;
при
этом реактивная составляющая входного
сопротивления равна нулю. Реактивные
сопротивления будут равны на резонансной
частоте.
На
резонансной частоте входное сопротивление
контура равно активному сопротивлению
и ток в контуре равен значению
.
Эквивалентная схема контура при резонансе приведена на рисунке.
Рис. 3.14. Эквивалентная схема последовательного контура на
резонансной частоте.
Амплитуды
напряжений на реактивных элементах на
резонансной частоте равны по величине
и противоположны по фазе.
.
(3.77)
Из этого выражения найдем резонансную частоту:
.
(3.78)
Оценим величину отношения напряжений на реактивных элементах на резонансной частоте к напряжению внешнего генератора:
,
(3.79)
.
(3.80)
Таким образом, на резонансной частоте в последовательном контуре напряжения на реактивных элементах равны по абсолютной величине и в Q раз превышают напряжение внешнего генератора. Такой резонанс называется резонансом напряжений.
АЧХ последовательного контура.
Зависимость тока в контуре или напряжения на реактивных элементах от частоты питающего генератора при постоянном по величине напряжении генератора называется резонансной кривой или АЧХ контура.
Для сравнения различных контуров резонансные кривые строят в относительном масштабе. Амплитудно-частотная характеристика в относительном масштабе контура запишется как отношение тока в контуре на любой частоте к току в контуре на резонансной частоте:
=
.
(3.81)
Реактивная составляющая входного сопротивления контура равна:
(3.82)
Здесь
(3.83)
- относительная расстройка контура.
Для
небольших абсолютных расстроек контура
(в пределах полосы пропускания)
(3.84)
С учетом этого амплитудно-частотная характеристика контура
,
(3.85)
где:
-
обобщенная расстройка контура.
Окончательно уравнение амплитудно-частотной характеристики контура запишется в виде:
.
(3.86)
Фазовая характеристика контура
(3.87)
Рис.2.15 АЧХ последовательного контура
Найдем
выражение для полосы пропускания
колебательного контура. Полоса пропускания
оценивается по уменьшению тока в контуре
или напряжений на реактивных элементах
в
раз по сравнению с их значениями на
резонансной частоте. Из формулы для АЧХ
контура найдем полосу пропускания:
.
(3.88)
Отсюда
полоса пропускания контура на уровне
будет
равна:
(3.89)
Рис.3.16. Фазовая характеристика последовательного контура
Резонанс токов в параллельном колебательном контуре
Параллельный
колебательный контур состоит из
параллельно включенных катушки
индуктивности и конденсатора, как
показано на рис. 3.17. Активное сопротивление
катушки индуктивности равно
,
а потери электромагнитной энергии в
конденсаторе эквивалентны некоторому
активному сопротивлению
.
Контур питается идеальным генератором
тока.
Рис. 3.17. Параллельный колебательный контур.
Входное сопротивление контура равно:
.
(3.92)
Для
высокодобротных контуров в области
резонансной частоты
и
.
Учитывая это, можно записать:
(3.93)
где:
;
.
Таким образом, входное сопротивление зависит от частоты. Токи в ветвях контура также зависят от частоты. На резонансной частоте сопротивление катушки индуктивности по модулю становится равным модулю сопротивления конденсатора и токи в ветвях контура будут равны по абсолютной величине и противоположны по фазе. При этом ток в общей ветви в случае идеального контура был бы равен 0. На резонансной частоте в контуре протекает ток
.
(3.94)
Входное сопротивление контура при резонансе становится активным и равно:
(3.95)
Следовательно, ток в контуре на резонансной частоте равен:
(3.96)
Таким
образом, токи в ветвях контура при
резонансе в
раз превышают ток внешнего генератора.
Поэтому
говорят, что в параллельном контуре
имеет место
резонанс
токов.
Зависимость
отношения амплитуды напряжения на
контуре
на текущей частоте к амплитуде напряжения
на контуре на резонансной частоте
от частоты называют АЧХ
параллельного контура.
Запишем выражение для амплитудно-частотной характеристики параллельного контура:
(3.97)
.
(3.101)
Таким образом, АЧХ параллельного и последовательного контуров описываются одним и тем же выражением.
Фазовая характеристика параллельного контура (рис. 2.18) построена на основании выражения
(3.102)
Рис. 3.18. Фазовая характеристика параллельного контура
