RLC-контур. Свободные колебания

В электрических цепях, так же как и в механических системах, таких как груз на пружине или маятник, могут возникать свободные колебания. Простейшей электрической системой, способной совершать свободные колебания, является последовательный RLC-контур (рис. 15.3).

Рис 15.3. Последовательный RLC-контур.

Когда ключ K находится в положении 1, конденсатор заряжается до напряжения . После переключения ключа в положение 2 начинается процесс разрядки конденсатора через резистор R и катушку индуктивности L. При определенных условиях этот процесс может иметь колебательный характер.

Закон Ома для замкнутой RLC-цепи, не содержащей внешнего источника тока, записывается в виде

где – напряжение на конденсаторе, q – заряд конденсатора, – ток в цепи. В правой части этого соотношения стоит ЭДС самоиндукции катушки. Уравнение, описывающее свободные колебания в RLC-контуре, может быть приведено к следующему виду, если в качестве переменной величины выбрать заряд конденсатора q(t):

Рассмотрим сначала случай, когда в контуре нет потерь электромагнитной энергии (R = 0). Тогда

(*)

Здесь принято обозначение: Уравнение (*) описывает свободные колебания в LC-контуре в отсутствие затухания. Оно в точности совпадает по виду с уравнением свободных колебаний груза на пружине в отсутствие сил трения .Рис.15.4. иллюстрирует аналогию процессов свободных электрических и механических колебаний. На рисунке приведены графики изменения заряда q(t) конденсатора и смещения x(t) груза от положения равновесия, а также графики тока J(t) и скорости груза υ(t) за один период колебаний.

Рисунок 15.4. Аналогия процессов свободных электрических и механических колебаний.

Сравнение свободных колебаний груза на пружине и процессов в электрическом колебательном контуре позволяет сделать заключение об аналогии между электрическими и механическими величинами. Эти аналогии представлены в таблице 1.

Электрические величины Механические величины Заряд конденсатора q(t) Координата x(t) Ток в цепи J Скорость v Индуктивность L Масса m   Величина, обратная электроемкости Жесткость k Напряжение на конденсаторе Упругая сила kx Сопротивление R Коэффициент трения h         Цей приклад є ілюстрацією того, як різні за своєю фізичною природою явища можуть бути промодельовані однаковими математичними рівняннями.

Комбінаційна схема.

Рис. 15.5.

Комбінаційна схема Рис.15.5 є класичною імітаційною моделлю: знаючи функції окремих елементів та зв’язки між ними, ми можемо подавати на вхід різні комбінації змінних і одержувати результати на виході.

Послідовна схема.

На Рис15.6 наведено схему двійкового лічильника з модулем перерахунку М=10. Лічильник побудовано на JK-тригерах. Зворотній зв'язок зроблено на елементах «І», індикація – на променевих діодах та семисегментному індикаторі. Вхідні сигнали генеруються від перимикача (тумблера). Імітацію роботи схеми можно провести в програмному покеті Electronics Workbench.

Рис. 15.6 Двійковий лічильник з модулем перерахунку М=10.