Rezonance je jedním z nejběžnějších fyzikálních jevů v přírodě. Jev rezonance lze pozorovat v mechanických, elektrických a dokonce i tepelných systémech. Bez rezonance bychom neměli rádio, televizi, hudbu a dokonce ani houpačky na hřišti, nemluvě o nejúčinnějších diagnostických systémech používaných v moderní medicíně. Jedním z nejzajímavějších a nejužitečnějších typů rezonance v elektrickém obvodu je napěťová rezonance.
Prvky rezonančního obvodu
Jev rezonance se může vyskytovat v tzv. RLC obvodu obsahujícím následující komponenty:
- R - rezistory. Tato zařízení, související s tzv. aktivními prvky elektrického obvodu, přeměňují elektrickou energii na tepelnou energii. Jinými slovy, odebírají energii z okruhu a přeměňují ji na teplo.
- L - indukčnost. Indukčnost velektrické obvody - analogie hmotnosti nebo setrvačnosti v mechanických systémech. Tato součást není v elektrickém obvodu příliš patrná, dokud se na ní nepokusíte provést nějaké změny. Například v mechanice je takovou změnou změna rychlosti. V elektrickém obvodu změna proudu. Pokud k tomu z nějakého důvodu dojde, indukčnost působí proti této změně v režimu obvodu.
- C je označení pro kondenzátory, což jsou zařízení, která ukládají elektrickou energii stejným způsobem, jakým pružiny ukládají mechanickou energii. Induktor koncentruje a ukládá magnetickou energii, zatímco kondenzátor koncentruje náboj a tím ukládá elektrickou energii.
Koncept rezonančního obvodu
Klíčovými prvky rezonančního obvodu jsou indukčnost (L) a kapacita (C). Rezistor má tendenci tlumit oscilace, takže odebírá energii z obvodu. Když uvažujeme o procesech probíhajících v oscilačním obvodu, dočasně to ignorujeme, ale je třeba mít na paměti, že stejně jako třecí sílu v mechanických systémech nelze eliminovat elektrický odpor v obvodech.
Napěťová rezonance a proudová rezonance
V závislosti na tom, jak jsou klíčové prvky zapojeny, může být rezonanční obvod sériový a paralelní. Když je sériový oscilační obvod připojen ke zdroji napětí s frekvencí signálu shodující se s vlastní frekvencí, za určitých podmínek v něm dochází k napěťové rezonanci. Rezonance v elektrickém obvodu s paralelním zapojenímreaktivní prvky se nazývá proudová rezonance.
Přirozená frekvence rezonančního obvodu
Dokážeme systém nechat oscilovat na své vlastní frekvenci. Chcete-li to provést, musíte nejprve nabít kondenzátor, jak je znázorněno na horním obrázku vlevo. Když to uděláte, klíč se přesune do polohy zobrazené na stejném obrázku vpravo.
V čase „0“je veškerá elektrická energie uložena v kondenzátoru a proud v obvodu je nulový (obrázek níže). Všimněte si, že horní deska kondenzátoru je nabitá kladně, zatímco spodní deska je záporně nabitá. Nemůžeme vidět oscilace elektronů v obvodu, ale můžeme měřit proud ampérmetrem a použít osciloskop ke sledování povahy proudu v závislosti na čase. Všimněte si, že T na našem grafu je doba potřebná k dokončení jedné oscilace, která se v elektrotechnice nazývá "období oscilace".
Proud teče ve směru hodinových ručiček (obrázek níže). Energie se přenáší z kondenzátoru na induktor. Na první pohled se může zdát zvláštní, že indukčnost obsahuje energii, ale ta je podobná kinetické energii obsažené v pohybující se hmotě.
Tok energie se vrací zpět do kondenzátoru, ale mějte na paměti, že polarita kondenzátoru je nyní obrácená. Jinými slovy, spodní deska má nyní kladný náboj a horní deska záporný náboj (obrdole).
Nyní je systém zcela obrácený a energie začne proudit z kondenzátoru zpět do induktoru (obrázek níže). Výsledkem je, že se energie zcela vrátí do svého výchozího bodu a je připravena znovu spustit cyklus.
Kmitočet oscilací lze přiblížit následovně:
F=1/2π(LC)0, 5,
kde: F - frekvence, L - indukčnost, C - kapacita.
Proces uvažovaný v tomto příkladu odráží fyzickou podstatu rezonance stresu.
Studie stresové rezonance
Ve skutečných LC obvodech je vždy malý odpor, který snižuje nárůst amplitudy proudu s každým cyklem. Po několika cyklech se proud sníží na nulu. Tento efekt se nazývá „tlumení sinusového signálu“. Rychlost, s jakou proud klesá na nulu, závisí na velikosti odporu v obvodu. Odpor však nemění kmitočet kmitů rezonančního obvodu. Pokud je odpor dostatečně vysoký, nebude v obvodu vůbec žádné sinusové kmitání.
Je zřejmé, že tam, kde je vlastní frekvence kmitání, existuje možnost buzení rezonančního procesu. Toho dosáhneme zapojením zdroje střídavého proudu (AC) do série, jak je znázorněno na obrázku vlevo. Pojem "proměnný" znamená, že výstupní napětí zdroje kolísá s určitoufrekvence. Pokud se frekvence napájecího zdroje shoduje s vlastní frekvencí obvodu, dojde k napěťové rezonanci.
Podmínky výskytu
Nyní zvážíme podmínky pro výskyt stresové rezonance. Jak ukazuje poslední obrázek, vrátili jsme rezistor do smyčky. V nepřítomnosti rezistoru v obvodu se proud v rezonančním obvodu zvýší na určitou maximální hodnotu určenou parametry prvků obvodu a výkonem zdroje energie. Zvýšení odporu rezistoru v rezonančním obvodu zvyšuje tendenci proudu v obvodu klesat, ale neovlivňuje frekvenci rezonančních kmitů. Režim napěťové rezonance zpravidla nenastane, pokud odpor rezonančního obvodu splňuje podmínku R=2(L/C)0, 5.
Použití napěťové rezonance k přenosu rádiových signálů
Fenomén stresové rezonance není jen zvláštní fyzikální jev. Hraje výjimečnou roli v technologii bezdrátové komunikace - rádio, televize, mobilní telefonie. Vysílače používané k bezdrátovému přenosu informací nutně obsahují obvody navržené tak, aby rezonovaly na specifické frekvenci pro každé zařízení, nazývané nosná frekvence. S vysílací anténou připojenou k vysílači vysílá elektromagnetické vlny na nosné frekvenci.
Anténa na druhém konci trasy transceiveru přijímá tento signál a přivádí jej do přijímacího obvodu, který je navržen tak, aby rezonoval na nosné frekvenci. Je zřejmé, že anténa přijímá mnoho různých signálůfrekvencích, nemluvě o hluku na pozadí. Vzhledem k přítomnosti rezonančního obvodu na vstupu přijímacího zařízení, naladěného na nosnou frekvenci rezonančního obvodu, přijímač vybere jedinou správnou frekvenci a eliminuje všechny nepotřebné.
Po detekci amplitudově modulovaného (AM) rádiového signálu je z něj extrahovaný nízkofrekvenční signál (LF) zesílen a přiveden do zařízení pro reprodukci zvuku. Toto je nejjednodušší forma rádiového přenosu a je velmi citlivá na šum a rušení.
Pro zlepšení kvality přijímaných informací byly vyvinuty a úspěšně používány další, pokročilejší metody přenosu rádiového signálu, které jsou rovněž založeny na použití laděných rezonančních systémů.
Kmitočtová modulace neboli FM rádio řeší mnoho problémů AM rádiového přenosu, ale za cenu značného zkomplikování přenosového systému. V rádiu FM se systémové zvuky v elektronické cestě převádějí na malé změny nosné frekvence. Zařízení, které provádí tuto konverzi, se nazývá „modulátor“a používá se s vysílačem.
V souladu s tím musí být k přijímači přidán demodulátor, který převede signál zpět do podoby, kterou lze přehrávat přes reproduktor.
Další příklady použití napěťové rezonance
Napěťová rezonance jako základní princip je také zabudována do obvodů mnoha filtrů široce používaných v elektrotechnice k eliminaci škodlivých a zbytečných signálů,vyhlazování vlnění a generování sinusových signálů.
