Краткая теория. Под резонансом в электрической цепи понимают такое состояние цепи, когда ток и напряжение совпадают по фазе
Под резонансом в электрической цепи понимают такое состояние цепи, когда ток и напряжение совпадают по фазе, а эквивалентная схема представляет собой активное сопротивление.
Резонанс в электрической цепи сопровождается периодическим переходом энергии электрического поля емкости в энергию магнитного поля индуктивности и наоборот.
При резонансе в электрической цепи малые напряжения, приложенные к цепи, могут вызвать значительные токи и напряжения на отдельных ее участках.
В цепи, где элементы соединены последовательно (последовательный колебательный контур) может возникнуть резонанс напряжений, а в цепи, где элементы соединены параллельно, – резонанс токов.
Основными характеристиками колебательного контура являются резонансная частота циклическая или линейная добротность контура и характеристическое сопротивление . В последовательном колебательном контуре добротность показывает, во сколько раз происходит увеличение амплитуды колебаний напряжения в индуктивности и емкости при резонансе по отношению к входному напряжению
Характеристическое сопротивление контура равно реактивному сопротивлению индуктивности и емкости при резонансе
Для цепи с последовательным соединением катушки индуктивности и конденсатора справедливо соотношение
, (1)
где и - комплексное и полное сопротивление контура, – угол сдвига фаз между напряжением и током.
(2)
При резонансе и поэтому из (1) следует, что это возможно, если
(3)
Это выражение называют условием резонанса напряжений.
В зависимости от соотношения величин и возможны три различных случая:
1 , следовательно . Этому режиму соответствует векторная диаграмма, изображенная на рисунке 1а.
2 , следовательно - резонанс напряжений (рисунок 1б).
3 , следовательно . Этот случай изображен на рисунке 1с.
а) б) с)
Рисунок 1
В области до резонанса при w<w0 цепь носит ёмкостный характер, в резонансе ( w=w0 ) - активный, а после резонанса при w>w0 – индуктивный характер.
Выразив и из (3), соответственно, через и получим
, откуда ,
где - резонансная частота.
При резонансе напряжений ток в цепи резко возрастает:
.
Соответственно увеличиваются и напряжения на индуктивном и емкостном элементах, которые могут во много раз превысить величину напряжения источника питания (при условии ). Коэффициент усиления напряжения на реактивных элементах (добротность контура - Q):
На рисунке 2 показаны графики характеристик последовательного резонансного контура .
Рисунок 2
В области до резонанса при w<w0 цепь носит ёмкостный характер, в резонансе ( w=w0 ) - активный, а после резонанса при w>w0 – индуктивный характер.
Интервал частот на границах которого ток называют полосой пропускания - . Относительная полоса пропускания называется затуханием цепи: .
Затухание цепи связано с добротностью контура соотношением