Oscilační obvod je ... Princip činnosti

Oscilační obvod je zařízení určené k generování (vytváření) elektromagnetických kmitů. Od svého vzniku až po současnost se používá v mnoha oblastech vědy a techniky: od každodenního života až po obrovské továrny vyrábějící různé výrobky.

Co se skládá z?

Oscilační obvod se skládá z cívky a kondenzátoru. Kromě toho může také obsahovat odpor (prvek s proměnným odporem). Induktor (nebo elektromagnet, jak je někdy nazýván) je tyč, na kterém jsou vinutí navinuto několik vrstev, což je obecně měděný drát. Tento prvek vytváří kmity v oscilačním obvodu. Tyč uprostřed je často nazývána škrtící klapka nebo jádro a cívka se někdy nazývá solenoid.

Cívka oscilačního obvodu vytváří oscilace pouze v případě, že je uložen náboj. Při průchodu proudu přes to, akumuluje náboj, který pak dává do obvodu, jestliže napětí klesá.

Cívkové dráty mají obvykle velmi malý odpor, který vždy zůstává konstantní. V obvodu oscilačního obvodu se intenzita napětí a proudu velmi často mění. Tato změna podléhá určitým matematickým zákonům:

• U = U₀* cos (w * (t-t₀), kde
  U je napětí v daném čase t,
  U₀ - napětí v čase t₀,
  w je frekvence elektromagnetických kmitů.

Další integrální součástí obvodu je elektrický kondenzátor. Jedná se o prvek sestávající ze dvou desek, které jsou od sebe odděleny dielektrikem. Tloušťka vrstvy mezi deskami je menší než jejich rozměry. Tato konstrukce umožňuje hromadit se na dielektrickém elektrickém náboji, který lze pak dát do řetězce.

Rozdíl mezi kondenzátorem a akumulátorem spočívá v tom, že nedochází k transformaci látek pod vlivem elektrického proudu, ale dojde k přímému nahromadění náboje v elektrickém poli. Pomocí kondenzátoru je tedy možné akumulovat dostatečně velký náboj, který může být odeslán najednou. Současně silně narůstá současná síla v okruhu.

Rovněž oscilační obvod se skládá z jednoho prvku: rezistoru. Tento prvek má odpor a je určen pro řízení proudu a napětí v obvodu. Při stálém zvýšení napětí odpor odporu, pak bude proud v Ohmově zákonu klesat:

• I = U / R, kde
  Já je intenzita,
  U je napětí,
  R je odpor.

Indukční cívka

Podívejme se blíže na všechny jemnosti induktoru a lépe pochopíme jeho funkci v oscilačním obvodu. Jak již bylo řečeno, odpor tohoto prvku má tendenci k nule. Když je tedy k obvodu připojen stejnosměrný článek, zkrat. Nicméně pokud připojujete cívku k obvodu střídavého proudu, funguje to správně. To nám umožňuje dospět k závěru, že prvek poskytuje odpor vůči střídavému proudu.

Ale proč se to děje a jak vzniká odpor střídavým proudem? Chcete-li odpovědět na tuto otázku, musíme se na takový jev obrátit jako na sebevládání. Když proud prochází cívkou, elektromotorická síla (EMF), což vytváří překážku pro změnu proudu. Velikost této síly závisí na dvou faktorech: indukčnosti cívky a derivátu proudu s ohledem na čas. Matematicky je tato závislost vyjádřena v rovnici:

• E = -L * I `(t), kde
  E je hodnota EMF,
  L je hodnota indukčnosti cívky (pro každou cívku se liší a závisí na počtu vinutí cívky a jejich tloušťce),
  I `(t) je derivát aktuální síly s ohledem na čas (rychlost změny síly proudu).

Síla stejnosměrného proudu se časem nemění, proto nepůsobí odpor, když působí.

Ale při střídavém proudu se všechny jeho parametry neustále mění v sinusovém nebo kosinistickém zákoně, což má za následek EMF, který zabraňuje těmto změnám. Tato rezistence se nazývá indukce a vypočte se podle vzorce:

• X_L = w * L, kde
  w je oscilační kmitočet obvodu,
  Indukčnost L - cívky.

Proud v solenoidu se zvyšuje lineárně a snižuje podle různých zákonů. To znamená, že pokud přestanete dodávat proud do cívky, bude to i nadále nabíjet v okruhu. A pokud současně náhle přeruší dodávku proudu, dojde k úderu kvůli tomu, že náboj se pokusí vytlačit a vystupovat ze spirály. To je vážný problém v průmyslové výrobě. Takový účinek (i když není zcela souvislý s oscilačním obvodem) lze pozorovat například při vytažení zástrčky ze zásuvky. Zároveň jiskření skoků, které v takovém rozsahu nemůže poškodit člověka. Je to způsobeno skutečností, že magnetické pole nezmizí okamžitě, ale postupně se rozptýlí a indukuje proudy v jiných vodičích. V průmyslovém měřítku je proud mnohonásobně vyšší než obvyklé 220 voltů, takže při přerušení okruhu se ve výrobě mohou objevit jiskry takové intenzity, což bude pro rostliny i člověka značně poškozeno.

Cívka je základem toho, z čeho se skládá oscilační okruh. Indukčnosti sériově připojených solenoidů jsou přidány. Dále se podrobněji podíváme na všechny detaily struktury tohoto prvku.

Co je to indukčnost?

Indukčnost cívky oscilačního obvodu je individuální index číselně rovný elektromotorové síle (ve voltech), která vzniká v obvodu, když se proudová síla mění o 1 A za sekundu. Pokud je solenoid připojen k obvodu stejnosměrného proudu, potom jeho indukčnost popisuje energii magnetického pole, který je vytvořen tímto proudem podle vzorce:

• W = (L * I²) / 2, kde
  W je energie magnetického pole.

Koeficient indukčnosti závisí na mnoha faktorech: na geometrii solenoidu, na magnetických charakteristikách jádra a na počtu cívky drátu. Další vlastností tohoto ukazatele je, že je vždy pozitivní, protože proměnné, na kterých závisí, nemohou být záporné.

Indukčnost může být také definována jako vlastnost vodiče s proudem pro ukládání energie v magnetickém poli. To je měřeno v Henry (pojmenované po americkém vědci Joseph Henry).

Kromě solenoidu je oscilační obvod tvořen kondenzátorem, který bude popsán později.

Elektrický kondenzátor

Kapacita oscilačního obvodu je určena hodnotou kapacita elektrické energie kondenzátoru. O jeho vzhledu byl napsán výše. Nyní se podíváme na analýzu fyziky procesů, které se v ní odehrávají.

Vzhledem k tomu, že desky kondenzátoru jsou vyrobeny z vodiče, pak to může protékat elektrický proud. Nicméně, mezi oběma deskami je překážka. Izolátor (mohou být vzduch, dřeva nebo jiného materiálu s vysokou odolností Vzhledem k tomu, že náboj se nemůže pohybovat z jednoho konce drátu na druhý, dochází ke kumulaci, aby deskami kondenzátoru tím zvyšuje magnetickou a elektrickou energii. pole kolem ní. Tak při ukončení vsázky probíhá veškeré elektrické energie nahromaděné na desky, začíná být předány do obvodu.

Každý kondenzátor má jmenovité napětí, optimální pro jeho provoz. Pokud je tento prvek provozován delší dobu při napětí vyšší než jmenovité napětí, jeho provozní životnost je výrazně snížena. Kondenzátor oscilačního obvodu je neustále ovlivňován proudy, a proto je při jeho výběru nesmírně opatrný.

Kromě konvenčních kondenzátorů, o kterých se diskutovalo, existují také ionizátory. Jedná se o složitější prvek: může být popsán jako kříž mezi baterií a kondenzátorem. Zpravidla jsou organickými látkami dielektrikum v ionizoru, mezi nimiž je elektrolyt. Spolu vytvářejí dvojitou elektrickou vrstvu, která vám v tomto designu umožňuje hromadit více energie než v tradičním kondenzátoru.

Jaká je kapacita kondenzátoru?

Kapacita kondenzátoru je poměr kondenzátorového náboje k napětí, pod nímž je umístěn. Pro výpočet této hodnoty může být velmi jednoduché pomocí matematického vzorce:

• C = (např₀* S) / d, kde
  e₀ - dielektrická konstanta dielektrického materiálu (tabulková hodnota),
  S je oblast kondenzátorových desek,
  d je vzdálenost mezi deskami.

Závislost kapacitance kondenzátoru na vzdálenost mezi elektrodami se vysvětluje jev elektrostatického indukce je menší než vzdálenost mezi deskami, tím více se vzájemně ovlivňují (coulomb), tím větší je nabíjecí elektrody a méně stresu. A když hodnota napětí pro zvyšování kapacity, protože může být také popsán následujícím vzorcem:

• C = q / U, kde
  q - nabíjení v kazetách.

Stojí za to mluvit o jednotkách této velikosti. Kapacita je měřena ve faradách. 1 farad je dostatečně velká hodnota, proto existující kondenzátory (ale ne ionizátory) mají kapacitu měřenou v picofarádách (jedna miliarda Faradayů).

Rezistor

Proud v oscilačním obvodu závisí také na odporu obvodu. A kromě popsaných dvou prvků, z nichž oscilující obvod (cívka, kondenzátor) sestává, je také třetí - odpor. Je zodpovědný za vytváření odporu. Odpor se liší od ostatních prvků tím, že má hodně odporu, který lze v některých modelech změnit. V oscilačním obvodu působí jako regulátor síly magnetického pole. Je možné připojit několik rezistorů sériově nebo paralelně, čímž zvyšuje odpor obvodu.

Odpor tohoto prvku také závisí na teplotě, takže musíte být opatrní při jeho provozu v okruhu, protože když prochází proud, ohřívá se.

Odpor odporu se měří v Ohmech a jeho hodnota se vypočte podle vzorce:

• R = (p * 1) / S, kde
  p je odpor odporového materiálu (měřeno v (Ohm * mm)²) / m) -
  l - délka odporu (v metrech) -
  S je plocha průřezu (v milimetrech čtverečních).

Jak přiřadit parametry obrysu?

Teď jsme se blížili k fyzice oscilačního obvodu. Časem se náboj na deskách kondenzátoru mění podle diferenciální rovnice druhého řádu.

Pokud řešíme tuto rovnici, přinese několik zajímavých vzorců popisujících procesy probíhající v obvodu. Například cyklická frekvence může být vyjádřena z hlediska kapacity a indukčnosti.

Nicméně nejjednodušší vzorec, který nám umožňuje vypočítat mnoho neznámých veličin, je Thomsonův vzorec (pojmenovaný podle anglického fyziků William Thomson, který jej odvodil v roce 1853):

• T = 2 * n * (L * C)^1/2.
  T je perioda elektromagnetických oscilací,
  L a C jsou indukčnost cívky oscilačního obvodu a kapacita obrysových prvků,
  n je číslo pi.

Kvalita

Existuje ještě jedno důležité množství, které charakterizuje práci obvodu: Q-faktor. Abychom pochopili, co to je, měli bychom se obrátit na takový proces jako rezonance. Tento jev, ve kterých je amplituda bude maximální výkon na konstantní hodnotě, která je oporou houpačka. Rezonance může vysvětlit na jednoduchém příkladu: pokud začnete tlačit houpačka do rytmu jejich četnosti, budou urychleny a jejich „amplituda“ zvýší. A pokud nebudete tlačit takt, pak zpomalí. V rezonanci je spousta energie velmi často rozptýlena. Aby bylo možné vypočítat hodnotu ztráty, jsme vymysleli parametr, jako je faktor kvality. Jedná se o koeficient roven poměru energie, nacházející se v systému, ztrát, které nastanou během jednoho cyklu v obvodu.

Kvalita obrysu je vypočtena podle vzorce:

• Q = (w₀* W) / P, kde
  w₀ - rezonanční cyklická frekvence kmitání -
  W je energie uložená v oscilačním systému -
  P je výkon rozptýlený.

Tento parametr představuje bezrozměrné množství, protože skutečně ukazuje poměr energií uložených k vyčerpané energii.

Co je ideální oscilační obvod

Pro lepší pochopení procesů v tomto systému, fyzici přišli s takzvaným ideální oscilační obvod. Jedná se o matematický model, který představuje obvod jako systém s nulovým odporem. V něm vznikají nenarušené harmonické kmity. Takový model nám umožňuje získat vzorce pro přibližné výpočty parametrů obrysu. Jedním z těchto parametrů je celková energie:

• W = (L * I²) / 2.

Taková zjednodušení výrazně zrychlují výpočty a umožňují vyhodnotit vlastnosti řetězce s danými parametry.

Jak to funguje?

Celý cyklus oscilačního obvodu lze rozdělit na dvě části. Nyní budeme podrobně popisovat procesy probíhající v každé části.

• První fáze: Deska kondenzátoru, nabitá pozitivně, se začne vypouštět, čímž se do obvodu dostane proud. V tomto okamžiku proud proudí z kladného náboje do záporného proudu, který prochází cívkou. Z tohoto důvodu se v okruhu objevují elektromagnetické oscilace. Proud, který prochází cívkou, přechází na druhou desku a nabíjí ji pozitivně (zatímco první deska, se kterou proud proudí, je nabitý negativně).
• Druhá fáze: nastane reverzní proces. Proud přechází z kladné destičky (která byla na počátku záporná) k negativnímu, který opět prochází cívkou. A všechny obvinění padly na místo.

Cyklus se opakuje, dokud není kondenzátor nabit. V ideálním rezonančního obvodu je tento proces je nekonečný, a skutečná ztráta výkonu je nevyhnutelná v důsledku různých faktorů: zahřívání, ke kterému dochází v důsledku existence odporu v obvodu (Joule tepla), a podobně.

Možnosti návrhu obrysu

Kromě jednoduchých obvodů „cívky-kondenzátoru“ a „coil-rezistor-kondenzátor“, existují i ​​jiné možnosti, přičemž jako základ oscilační obvod. To je například paralelní obvod, který se vyznačuje tím, že je prvek obvod (protože, jak existuje sám, bylo by to sériový obvod, a která byla popsána v článku).

Existují také další typy konstrukcí včetně různých elektrických součástí. Můžete například připojit tranzistor k síti, která otevírá a zavírá obvod frekvencí rovnou frekvenci kmitů v obvodu. Proto jsou v systému vytvořeny nezvlněné oscilace.

Kde je použit oscilační obvod?

Nejznámější aplikací součástí obrysu jsou elektromagnety. Na druhé straně se používají v dvířkách, elektromotorech, snímačích a v mnoha dalších méně společných oblastech. Další aplikací je oscilátor. Ve skutečnosti je toto použití obvodu velmi známé: v této podobě se používá v mikrovlnné troubě k vytváření vln av mobilní a rádiové komunikaci k přenosu informací na dálku. To vše je způsobeno skutečností, že kmity elektromagnetických vln mohou být zakódovány takovým způsobem, že bude možné přenášet informace na dlouhé vzdálenosti.

Induktor může být sám použit jako součást transformátoru: dvě cívky s různým počtem vinutí mohou přenášet svůj náboj pomocí elektromagnetického pole. Ale jelikož charakteristiky solenoidů jsou odlišné, aktuální hodnoty ve dvou obvodech, ke kterým jsou tyto dva induktory připojeny, se budou lišit. Je tedy možné přeměnit proud s napětím, například 220 voltů, na proud 12 voltů.

Závěr

Podrobně jsme rozložili princip fungování oscilačního obvodu a jeho jednotlivé části zvlášť. Zjistili jsme, že oscilační obvod je zařízení určené k vytváření elektromagnetických vln. To jsou však jen základy složité mechaniky těchto zdánlivě jednoduchých prvků. Více se dozvíte o jemnosti obvodu a jeho součástech z odborné literatury.