Elektronika 
 
Obwód rezonansowy
sp6xu
W układach elektronicznych, do filtrowania wielkich częstotliwości używa się obwodów rezonansowych – układów złożonych z kondensatora i cewki – czyli pojemności i indukcyjności. Jeśli chcemy zajmować się wysokimi częstotliwościami – warto poznać jego właściwości.

Obwód rezonansowy składa się z kondensatora - elementu posiadającego określoną pojemność elektryczną oraz z cewki, czyli elementu o zadanej indukcyjności. Kondensator magazynuje energię elektryczna w energii potencjalnej pola elektrycznego. Cewka – w postaci pola magnetycznego.

Schemat obwodu rezonansowego oraz zależność napięcia na kondensatorze i natężenia prądu w obwodzie – od czasu

Kondensator rozładowując się poprzez cewkę będzie stopniowo zwiększał pole magnetyczne w jej wnętrzu. Gdy całkiem się rozładuje, prąd powinien przestać płynąć, ale, wstrzymanie przepływu prądu, spowodowałoby zaniknięcie pola magnetycznego, a to zaindukowało by przepływ prądu. Dlatego prąd płynie nadal, choć słabnie, kosztem energii pola magnetycznego, ładując ponownie kondensator. W idealnym przypadku mamy do czynienia z obwodem drgającym który nigdy się nie zatrzyma.

W praktyce w każdym obwodzie rezonansowym występuje tłumienie i jeśli wzbudzimy w nim drgania – to będą one zanikać, pod warunkiem, że pobudzenia nie będą się powtarzać. Tracona energia zamieni się w ciepło – dzięki oporności łączących przewodów oraz drutu z którego przygotowano cewkę, lub jest wypromieniowywana w postaci fali elektromagnetycznej.

Drgania obwodu rezonansowego ze stratami. Amplituda zmniejsza się wraz z upływem czasu.

Dla określonej pojemności i indukcyjności, układ taki ma określona częstotliwość rezonansową określoną wartości pojemności i indukcyjności:

 

Jeśli obwód rezonansowy będziemy pobudzać z taką częstotliwością, to jego energia będzie rosła. Zjawisko to jest dokładnie odwrotne w stosunku do wypromieniowywania fali elektromagnetycznej. Obwód rezonansowy w taki wypadku jest pompowany energia, która możne być bardzo słaba, ale z czasem wzbudzi w obwodzie drgania o znacznej amplitudzie. To właśnie zjawisko wykorzystywane jest w odbiornikach radiowych do wzmacniania słabych sygnałów radiowych pochodzących z anteny. Nie bez znaczenia jest tu fakt, że wzmacniane są tylko te sygnały które mają częstotliwość taką samą1 ja częstotliwość własna obwodu rezonansowego.

O ile kondensatory różnych pojemności można kupić jako gotowe element, o tyle z cewkami indukcyjnymi jest kłopot. Po pierwsze – ich maszynowa produkcja jest znacznie trudniejsza niż w przypadku innych elementów elektronicznych – są więc drogie. Po drugie, indukcyjność – to nie jedyna charakterystyka cewki. Bardzo istotny jest także materiał z którego wykonano rdzeń oraz jego kształt Zadaniem rdzenia jest skupienie pola magnetycznego. Tu walczą ze sobą dwie przeciwstawne wartości. Im gęstszy magnetycznie będzie rdzeń – tym większe będzie miał straty dla wielkich częstotliwości. Z drugiej strony – im słabiej się będzie magnetyzował – tym więcej energii będzie się rozpraszać w postaci fali elektromagnetycznej. Dlatego indukcyjności są produkowane pod konkretne zastosowania. Inne do zasilaczy impulsowych a inne do radiowych obwodów wielkiej częstotliwości – dla których, szczególnie na częstotliwościach fal krótkich i ultrakrótkich – stosuje się cewki powietrzne, lub nawinięte na kawałku sztucznego tworzywa.

Indukcyjność zależy od liczby zwojów, ilości warstw czy szerokości cewki a także materiału na którym drut jest nawinięty. W przypadku indukcyjności do obwodów rezonansowych dla fal krótkich, wystarczą nam jednowarstwowe cewki powietrzne których indukcyjność możemy policzyć wzorem:

 

Do nawijania cewek używamy zawsze jak najgrubszego, dostępnego nam drutu, który pozwoli na nawinięcie cewki na zadanej długości.

Jeśli nasz obwód rezonansowy ma pracować na różnych częstotliwościach, musimy zmienić indukcyjność albo pojemność w tym obwodzie. Pojemność łatwo zmienimy kondensatorem strojeniowym albo trymerem. Kondensatory takie mają określony zakres pojemności jakie mogą przybierać. Trudniejsza jest zmiana indukcyjności cewki. Dla cewek z rdzeniem – przestrojenie można uzyskać zmieniając położenie rdzenia. Można też zmienić jego właściwości – na przykład magnesując go do poziomu nasycenia. Zazwyczaj jednak zakładamy, że indukcyjności w obwodach rezonansowych mają wartości stałe. Dlatego przygotowując sobie arkusz kalkulacyjny do obliczeń obwodów rezonansowych – warto liczyć częstotliwość od razu dla dwóch granicznych częstotliwości:

Arkusz przydatny do obliczeń obwodów rezonansowych. Oprócz częstotliwości podaje także długość fali a także długość anteny ćwierćfalowej dla obliczonej częstotliwości. I4=E4*F4/10*H4; J4=G4*F4*F4/(I4/G4+0,45)/100; L4=1/2/PI()/PIERWIASTEK(J4*K4)*1000; M4=300/L4; N4=M4/4*1000

W miarę wzrostu częstotliwości, wystarczy indukcyjność prostego odcinka przewodu, a pojemności są tak niewielkie że można je traktować w zasadzie jak transformatory. Ale w takich warunkach – w pobliżu mikrofal o powoli wchodzimy w mechanikę falową, a to temat na oddzielną opowieść.

Natomiast w zakresie fal ultrakrótkich obwody rezonansowe są często zastępowane filtrami kwarcowymi – elementami wykorzystującymi połączenie efektu piezoelektrycznego2 z rezonansem mechanicznym. Taki rezonator ma bardzo stabilną częstotliwość, ale niestety jest nie przestrajalny.

 
Obwód rezonansowy nastrojony na częstotliwość około 27 MHz, obciążony diodą świecąca jako wskaźnikiem rezonansu, odbiera sygnał nadajnika CB.

1
 w praktyce – wystarczająco bliską
2
 zmiana wymiarów pod wpływem pola elektrycznego / powstawanie pola elektrycznego pod wpływem nacisku
 
Opinie
 
Facebook
 
  
42320 wyświetleń

numer 3-4/2017
2017-04-01


nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net