رزونانس یکی از رایج ترین پدیده های فیزیکی در طبیعت است. پدیده رزونانس را می توان در سیستم های مکانیکی، الکتریکی و حتی حرارتی مشاهده کرد. بدون رزونانس، ما رادیو، تلویزیون، موسیقی و حتی نوسانات زمین بازی را نخواهیم داشت، به غیر از موثرترین سیستم های تشخیصی مورد استفاده در پزشکی مدرن. یکی از جالب ترین و مفیدترین انواع تشدید در مدارهای الکتریکی، تشدید ولتاژ است.
عناصر مدار تشدید
پدیده رزونانس می تواند در مدار به اصطلاح RLC که شامل اجزای زیر است رخ دهد:
- R - مقاومت ها. این دستگاه ها مربوط به عناصر به اصطلاح فعال مدار الکتریکی، انرژی الکتریکی را به انرژی حرارتی تبدیل می کنند. به عبارت دیگر انرژی را از مدار خارج کرده و به گرما تبدیل می کنند.
- L - اندوکتانس. اندوکتانس درمدارهای الکتریکی - آنالوگ جرم یا اینرسی در سیستم های مکانیکی. این جزء در مدار الکتریکی چندان به چشم نمی آید تا زمانی که سعی نکنید تغییراتی در آن ایجاد کنید. مثلاً در مکانیک چنین تغییری تغییر در سرعت است. در یک مدار الکتریکی، تغییر در جریان. اگر به هر دلیلی اتفاق بیفتد، اندوکتانس با این تغییر در حالت مدار مقابله می‌کند.
- C نامی است برای خازن ها، که دستگاه هایی هستند که انرژی الکتریکی را به همان روشی که فنرها انرژی مکانیکی ذخیره می کنند ذخیره می کنند. یک سلف انرژی مغناطیسی را متمرکز و ذخیره می کند، در حالی که یک خازن بار را متمرکز می کند و در نتیجه انرژی الکتریکی را ذخیره می کند.
مفهوم مدار تشدید
عناصر کلیدی یک مدار رزونانس اندوکتانس (L) و ظرفیت (C) هستند. مقاومت تمایل به کاهش نوسانات دارد، بنابراین انرژی را از مدار خارج می کند. هنگام در نظر گرفتن فرآیندهایی که در یک مدار نوسانی رخ می دهند، به طور موقت آن را نادیده می گیریم، اما باید به خاطر داشت که مانند نیروی اصطکاک در سیستم های مکانیکی، مقاومت الکتریکی در مدارها را نمی توان حذف کرد.
رزونانس ولتاژ و تشدید جریان
بسته به نحوه اتصال عناصر کلیدی، مدار تشدید می تواند سری و موازی باشد. هنگامی که یک مدار نوسانی سری به یک منبع ولتاژ با فرکانس سیگنال منطبق با فرکانس طبیعی متصل می شود، تحت شرایط خاصی، رزونانس ولتاژ در آن رخ می دهد. رزونانس در یک مدار الکتریکی با اتصال موازیعناصر واکنشی تشدید جریان نامیده می شود.
فرکانس طبیعی مدار تشدید
می توانیم سیستم را در فرکانس طبیعی خود نوسان کنیم. برای انجام این کار، ابتدا باید خازن را شارژ کنید، همانطور که در شکل بالای سمت چپ نشان داده شده است. وقتی این کار انجام شد، کلید به موقعیت نشان داده شده در همان شکل سمت راست منتقل می شود.
در زمان "0"، تمام انرژی الکتریکی در خازن ذخیره می شود و جریان در مدار صفر است (شکل زیر). توجه داشته باشید که صفحه بالایی خازن بار مثبت دارد در حالی که صفحه پایینی بار منفی دارد. ما نمی‌توانیم نوسانات الکترون‌های مدار را ببینیم، اما می‌توانیم جریان را با آمپرمتر اندازه‌گیری کنیم و از یک اسیلوسکوپ برای ردیابی ماهیت جریان در مقابل زمان استفاده کنیم. توجه داشته باشید که T در نمودار ما زمان لازم برای تکمیل یک نوسان است که در مهندسی برق به آن "دوره نوسان" می گویند.
جریان در جهت عقربه های ساعت جریان دارد (تصویر زیر). انرژی از خازن به سلف منتقل می شود. در نگاه اول، ممکن است عجیب به نظر برسد که یک اندوکتانس حاوی انرژی است، اما این شبیه به انرژی جنبشی موجود در یک جرم متحرک است.
جریان انرژی به خازن برمی گردد، اما توجه داشته باشید که قطبیت خازن اکنون معکوس شده است. به عبارت دیگر، صفحه زیرین اکنون دارای بار مثبت و صفحه بالایی دارای بار منفی است (شکل 1).پایین).
اکنون سیستم کاملاً معکوس شده است و انرژی شروع به جریان یافتن از خازن به داخل سلف می کند (شکل زیر). در نتیجه، انرژی به طور کامل به نقطه شروع خود باز می گردد و برای شروع دوباره چرخه آماده می شود.
فرکانس نوسان را می توان به صورت زیر تقریب زد:
F=1/2π(LC)0، 5،
where: F - فرکانس، L - اندوکتانس، C - ظرفیت.
فرآیند در نظر گرفته شده در این مثال ماهیت فیزیکی تشدید استرس را منعکس می کند.
مطالعه تشدید استرس
در مدارهای LC واقعی، همیشه مقدار کمی مقاومت وجود دارد که افزایش دامنه جریان را با هر سیکل کاهش می دهد. پس از چندین چرخه، جریان به صفر کاهش می یابد. این اثر "میرایی سیگنال سینوسی" نامیده می شود. سرعتی که در آن جریان به صفر می رسد به مقدار مقاومت در مدار بستگی دارد. با این حال، مقاومت فرکانس نوسان مدار تشدید را تغییر نمی دهد. اگر مقاومت به اندازه کافی بالا باشد، هیچ نوسان سینوسی در مدار وجود نخواهد داشت.
بدیهی است که در جایی که فرکانس نوسان طبیعی وجود دارد، امکان تحریک فرآیند تشدید وجود دارد. همانطور که در شکل سمت چپ نشان داده شده است، این کار را با قرار دادن منبع تغذیه جریان متناوب (AC) به صورت سری انجام می دهیم. اصطلاح متغیر به این معنی است که ولتاژ خروجی منبع با مقدار معینی در نوسان استفرکانس. اگر فرکانس منبع تغذیه با فرکانس طبیعی مدار مطابقت داشته باشد، رزونانس ولتاژ رخ می دهد.
شرایط وقوع
اکنون شرایط وقوع رزونانس استرس را در نظر خواهیم گرفت. همانطور که در تصویر آخر نشان داده شده است، ما مقاومت را به حلقه برگردانده ایم. در صورت عدم وجود مقاومت در مدار، جریان در مدار تشدید به حداکثر مقدار مشخصی که توسط پارامترهای عناصر مدار و قدرت منبع تغذیه تعیین می شود افزایش می یابد. افزایش مقاومت مقاومت در مدار تشدید، تمایل جریان مدار را به واپاشی افزایش می دهد، اما بر فرکانس نوسانات تشدید تأثیر نمی گذارد. به عنوان یک قاعده، اگر مقاومت مدار تشدید شرایط را برآورده کند، حالت تشدید ولتاژ رخ نمی دهد. R=2(L/C)0, 5.
استفاده از تشدید ولتاژ برای انتقال سیگنال های رادیویی
پدیده رزونانس استرس تنها یک پدیده فیزیکی عجیب نیست. این نقش استثنایی در فناوری ارتباطات بی سیم - رادیو، تلویزیون، تلفن همراه ایفا می کند. فرستنده‌هایی که برای انتقال اطلاعات به‌صورت بی‌سیم استفاده می‌شوند، لزوماً حاوی مدارهایی هستند که برای طنین‌اندازی در فرکانس خاصی برای هر دستگاه طراحی شده‌اند که فرکانس حامل نامیده می‌شود. با یک آنتن فرستنده متصل به فرستنده، امواج الکترومغناطیسی را با فرکانس حامل ساطع می کند.
آنتن در انتهای دیگر مسیر فرستنده گیرنده این سیگنال را دریافت می کند و آن را به مدار گیرنده تغذیه می کند که برای تشدید در فرکانس حامل طراحی شده است. بدیهی است که آنتن سیگنال های زیادی را در نقاط مختلف دریافت می کندفرکانس ها، به نویز پس زمینه اشاره نکنیم. به دلیل وجود یک مدار تشدید در ورودی دستگاه گیرنده، تنظیم شده بر روی فرکانس حامل مدار رزونانس، گیرنده تنها فرکانس صحیح را انتخاب می کند و تمام موارد غیر ضروری را حذف می کند.
پس از تشخیص سیگنال رادیویی مدوله شده با دامنه (AM)، سیگنال فرکانس پایین (LF) استخراج شده از آن تقویت شده و به دستگاه بازتولید صدا وارد می شود. این ساده ترین شکل انتقال رادیویی است و به نویز و تداخل بسیار حساس است.
برای بهبود کیفیت اطلاعات دریافتی، روش‌های پیشرفته‌تر دیگری برای انتقال سیگنال رادیویی توسعه یافته و با موفقیت مورد استفاده قرار می‌گیرد که این روش‌ها نیز مبتنی بر استفاده از سیستم‌های رزونانس تنظیم‌شده است.
مدولاسیون فرکانس یا رادیو FM بسیاری از مشکلات انتقال رادیو AM را حل می کند، اما این به قیمت پیچیده شدن سیستم انتقال است. در رادیو FM، صداهای سیستم در مسیر الکترونیکی به تغییرات جزئی در فرکانس حامل تبدیل می شود. قطعه ای از تجهیزاتی که این تبدیل را انجام می دهد "مدولاتور" نامیده می شود و با فرستنده استفاده می شود.
بر این اساس، یک دمدولاتور باید به گیرنده اضافه شود تا سیگنال را دوباره به شکلی تبدیل کند که از طریق بلندگو قابل پخش باشد.
نمونه های بیشتر استفاده از رزونانس ولتاژ
رزونانس ولتاژ به عنوان یک اصل اساسی همچنین در مدار فیلترهای متعددی که به طور گسترده در مهندسی برق استفاده می شود برای حذف سیگنال های مضر و غیر ضروری تعبیه شده است.صاف کردن امواج و تولید سیگنال های سینوسی.
