ĆWICZENIE 3
REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH
Cel ćwiczenia: sprawdzenie podstawowych właściwości szeregowego i równoległego
obwodu rezonansowego przy wymuszeniu napięciem sinusoidalnym,
zbadanie wpływu parametrów obwodu na częstotliwość rezonansową
oraz charakterystyki częstotliwościowe i krzywe rezonansowe.
3.1. Podstawy teoretyczne ćwiczenia
3.1.1. Wstęp
Każdy układ fizyczny, który posiada właściwość przemiany energii potencjalnej na ki-
netyczną i odwrotnie, po dostarczeniu mu porcji energii zaczyna gospodarować nią w sposób
oscylacyjny z częstotliwością zwaną częstotliwością rezonansową (własną) układu. Gdy układ
zawiera wiele elementów związanych z energią kinetyczną i potencjalną, to może mieć więcej
niż jedną częstotliwość własną. Jeżeli układ zostanie pobudzony sygnałem energetycznym o
częstotliwości równej jego częstotliwości własnej, wówczas w układzie wystąpi zjawisko
rezonansu. Zjawisko to charakteryzuje się tym, że odpowiedzi układu na pobudzenie osiągają
wartości ekstremalne.
W obwodach elektrycznych energia potencjalna związana jest z polem elektrycznym
kondensatorów, natomiast kinetyczna z polem magnetycznym cewek indukcyjnych. Zatem
w obwodach zawierających co najmniej jeden kondensator i jedną cewkę oraz posiadających
częstotliwość rezonansową - zachodzi zjawisko rezonansu, jeśli częstotliwość wymuszenia
jest równa częstotliwości rezonansowej obwodu.
Obwody elektryczne, w których występuje zjawisko rezonansu nazywane są obwodami
rezonansowymi lub drgającymi.
Rozpatrując bezzródłowy obwód elektryczny w stanie ustalonym przy wymuszeniu
harmonicznym, przedstawiony schematycznie na rys.3.1. jako dwójnik przyjmuje się, że U
oraz I oznaczają symboliczne wartości skuteczne napięcia i prądu na zaciskach tego obwodu.
Stosunek U do I wyznacza impedancję Z = R + jX obwodu, przy czym R jest rezystancją
(R>0) a X reaktancją wypadkową obwodu. Odwrotność impedancji obwodu określa jego ad-
1
mitancję Y = 1/ Z = G + jB , przy czym G jest konduktancją (G>0) a B susceptancją wypad-
kową obwodu.
Rys. 3.1. Rozpatrywany dwójnik
Zjawisko rezonansu przedstawia taki stan pracy obwodu elektrycznego, przy którym re-
aktancja wypadkowa X obwodu lub susceptancja wypadkowa B jest równa zeru.
Warunkiem rezonansu jest
X = Im(Z) = 0 (3.1)
lub B = Im(Y) = 0 . (3.2)
Ponieważ kąt przesunięcia fazowego między napięciem U i prądem I jest równy ar-
gumentowi impedancji Z
X
= arg(Z) = arctg (3.3)
R
lub argumentowi admitancji Y wziętemu ze znakiem przeciwnym
B
= - arg(Y ) = - arctg ; (3.4)
G
stąd = 0 dla X = 0 lub B = 0. Oznacza to, że w stanie rezonansu napięcie i prąd na zaci-
skach rozpatrywanego obwodu są ze sobą w fazie a argument impedancji lub admitancji ob-
wodu jest równy zeru.
Częstotliwość (pulsacja), przy której reaktancja wypadkowa lub susceptancja wypad-
kowa obwodu jest równa zeru to częstotliwość (pulsacja) rezonansowa. Pulsację rezonansową
obwodu wyznacza się z równania (3.1) lub (3.2).
Obwód elektryczny osiąga stan rezonansu, jeśli częstotliwość doprowadzonego sygnału
sinusoidalnego jest równa częstotliwości rezonansowej obwodu.
Rezonans występujący w obwodzie, w którym elementy R, L, C połączone są szerego-
wo, nazywamy rezonansem napięć lub rezonansem szeregowym.
Rezonans występujący w obwodzie, w którym połączone są równolegle gałęzie R, L
oraz R, C lub gałęzie R, L, C nazywamy rezonansem prądów lub rezonansem równoległym.
2
3.1.2. Rezonans napięć
3.1.2.1. Podstawowe zależności
Rozważając obwód składający się z elementów R, L i C połączonych szeregowo
(rys.3.2) - zakłada się, że przyłożone napięcie jest sinusoidalnie zmienne o symbolicznej war-
tości skutecznej U i o pulsacji = 2Ąf.
R
L
C
Rys. 3.2. Obwód szeregowy RLC
Dla rozpatrywanego obwodu słuszne są zależności
U = R I
#
R
#
U = jX I (3.5)
Ź#
L L
#
U = - jXC I
C #
U = U +U +U = [R + j(X - XC )]I = (R + jX )I = Z I . (3.6)
R L C L
Impedancja obwodu wynosi
# 1 ś#
ś#
Z = R + jX = R + j(X - XC )= R + jś# L - ź# . (3.7)
L
ź#
C
# #
Warunkiem rezonansu (3.1) jest to, aby reaktancja wypadkowa X obwodu równała się
zeru, czyli XL=XC lub
1
r L = . (3.8)
r C
Pulsację rezonansową r obwodu szeregowego RLC znajduje się z powyższego równa-
nia, otrzymując
1
r = , (3.9)
LC
1
stąd częstotliwość rezonansowa fr wynosi fr = . (3.10)
2Ą LC
3
Jeżeli częstotliwość zródła napięcia zasilającego jest równa częstotliwości rezonansowej
obwodu (f = fr) to obwód jest w stanie rezonansu szeregowego i wówczas:
" impedancja obwodu jest równa rezystancji (impedancja osiąga wartość minimalną)
Z = R ; (3.11)
" napięcie na rezystancji obwodu jest równe napięciu przyłożonemu do obwodu
U = U ; (3.12)
R
" suma geometryczna napięć na indukcyjności i pojemności obwodu jest równa zeru
U +U = 0 ; (3.13)
L C
" napięcie na indukcyjności jest co do modułu równe napięciu na pojemności
UL = UC ; (3.14)
" wobec X=0, prąd w obwodzie osiąga wartość maksymalną
U
I = ; (3.15)
R
" kąt przesunięcia fazowego między przyłożonym napięciem a prądem jest równy zeru
= 0 . (3.16)
Wykres wskazowy prądu i napięć dla obwodu szeregowego RLC w stanie rezonansu
przedstawiono na rysunku 3.3. Ze względu na równość modułów napięć na elementach reak-
tancyjnych i fakt, że mogą być one wielokrotnie większe od modułu napięcia przyłożonego -
rezonans w rozpatrywanym obwodzie nazywa się rezonansem napięć.
Rys. 3.3. Wykres wskazowy szeregowego obwodu RLC w stanie rezonansu
Parametrem, który wskazuje ile razy napięcie na indukcyjności lub pojemności jest
większe od napięcia na zaciskach obwodu w stanie rezonansu jest dobroć Q.
4
W rozpatrywanym obwodzie szeregowym, w stanie rezonansu dobroć definiuje się jako
stosunek modułu napięcia na elemencie reaktancyjnym (kondensatorze lub cewce) do modułu
napięcia na rezystancji, czyli
U UC r L 1
L
Q = = = = . (3.17)
U U R r RC
R R
Uwzględniając wzór na pulsację rezonansową (3.11), dobroć przedstawia się jako
L
C
Q = = , (3.18)
R R
gdzie jest reaktancją charakterystyczną obwodu (reaktancją indukcyjną lub pojemnościową
obwodu przy częstotliwości rezonansowej)
1 L
= r L = = . (3.19)
r C C
Podsumowując powyższe rozważania, można moduły napięć na elementach reaktan-
cyjnych obwodu w stanie rezonansu opisać następującą zależnością
L
U 1 U
C
U = r L = UC = = U = U = Q U , (3.20)
L
R rC R R R
Z powyższego równania wynika, iż dobroć jest miarą przepięcia występującego w obwodzie
w stanie rezonansu (napięcie na indukcyjności lub pojemności jest Q razy większe od napię-
cia na zaciskach obwodu).
3.1.2.2. Strojenie szeregowego obwodu RLC do rezonansu
Na podstawie równania (3.8) można stwierdzić, że rezonans w szeregowym obwodzie
RLC uzyskuje się przez:
" regulację pulsacji (częstotliwości) zródła napięcia zasilającego (generatora)
" regulację indukcyjności L bądz pojemności C.
W pierwszym przypadku mówi się o strojeniu generatorem. Dotyczy on sytuacji, w któ-
rej zmienia się wartość częstotliwości f napięcia zasilającego, tak aby zrównała się ona z daną
częstotliwością rezonansową obwodu fr - określoną przez wartości parametrów obwodu (L
oraz C) zgodnie z zależnością (3.10).
W przypadku drugim, nazywanym strojeniem obwodu, zmienia się wartość częstotliwo-
ści rezonansowej obwodu fr tak aby zrównała się z daną częstotliwością f napięcia zasilające-
5
go. Zmianę częstotliwości rezonansowej obwodu dokonuje się poprzez zmianę wartości in-
dukcyjności L, a stan rezonansu uzyskuje wówczas dla
1
L = (3.21)
2 2
4Ą C f
lub pojemności C - stan rezonansu uzyska się gdy
1
C = . (3.22)
2 2
4Ą L f
3.1.2.3. Charakterystyki częstotliwościowe i krzywe rezonansowe szeregowego
obwodu RLC
Charakterystyki częstotliwościowe określają zależność parametrów wtórnych obwodów
(impedancji, reaktancji itd.) od częstotliwości (lub pulsacji). Wykresy zależności wartości
skutecznych napięć i prądów obwodów rezonansowych od częstotliwości (lub pulsacji) noszą
nazwę krzywych rezonansowych.
Dla szeregowego obwodu rezonansowego RLC można określić następujące charaktery-
styki częstotliwościowe:
" charakterystykę reaktancji indukcyjnej obwodu
X ()= L ; (3.23)
L
" charakterystykę reaktancji pojemnościowej obwodu
1
XC ()= ; (3.24)
C
" charakterystykę reaktancji wypadkowej obwodu
1
X ()= L - ; (3.25)
C
" charakterystykę impedancji (modułu impedancji) obwodu
2
# ś#
1
ś#
Z() = R2 + L - ź# ; (3.26)
ś# ź#
C
# #
" charakterystykę kąta przesunięcia fazowego (argumentu impedancji) obwodu
1
L -
C
()= arctg . (3.27)
R
Na rysunku 3.4 przedstawiono przykładowe przebiegi wymienionych wyżej charaktery-
styk. Wynika z niego, że w miarę zbliżania się do pulsacji rezonansowej, moduł impedancji
6
obwodu maleje do wartości minimalnej (do wartości rezystancji R obwodu), natomiast argu-
ment impedancji (kąt przesunięcia fazowego) obwodu zbliża się do zera. Dla pulsacji mniej-
szych od pulsacji rezonansowej, reaktancja wypadkowa i kąt przesunięcia fazowego obwodu
są mniejsza od zera obwód ma charakter pojemnościowy. Natomiast dla pulsacji większych
od pulsacji rezonansowej, reaktancja wypadkowa i kąt przesunięcia fazowego obwodu są
większe od zera obwód ma charakter indukcyjny.
a)
XC()
Z() X()
L
R
r
X()
b)
Ą/2
0
r
-Ą/2
Rys. 3.4. Charakterystyki częstotliwościowe szeregowego obwodu RLC:
a) reaktancji i impedancji, b) kąta przesunięcia fazowego
W przypadku obwodu szeregowego RLC rozważa się na ogół następujące krzywe rezo-
nansowe:
" krzywą rezonansową prądu
U
I()= ; (3.28)
2
# ś#
1
ś#
R2 + L - ź#
ś# ź#
C
# #
" krzywe rezonansowe napięć na elementach obwodu, jako:
7
U R
U () = , (3.29)
R
2
# ś#
1
ś#
R2 + L - ź#
ś# ź#
C
# #
UL
U ()= , (3.30)
L
2
# ś#
1
ś#
R2 + L - ź#
ś# ź#
C
# #
U
UC() = . (3.31)
2
# ś#
1
ś#
C R2 + L - ź#
ś# ź#
C
# #
Na rysunku 3.5 przedstawiono wybrane krzywe rezonansowe szeregowego obwodu
RLC. Wynika z niego, że wartość skuteczna napięcia na indukcyjności osiąga maksimum po
rezonansie, zaś napięcie na pojemności osiąga maksimum przed rezonansem.
ULmax=UCmax
QU
UC() U()
L
U
UR()
Cmax r Lmax
Rys. 3.5. Wybrane krzywe rezonansowe szeregowego obwodu RLC
Na podstawie zależności (3.30) i (3.31) można stwierdzić, że napięcie na indukcyjności
osiąga wartość maksymalną przy pulsacji Lmax równej
1
L max = r > r , (3.32)
1
1 -
2Q2
natomiast napięcie na pojemności dla pulsacji Cmax wynoszącej
1
C max = r 1- < r . (3.33)
2Q2
8
Obie wartości maksymalne napięć są sobie równe
Q
U = UC max = U > QU (3.34)
L max
1
1-
4Q2
i są większe od wartości QU w stanie rezonansu. Dla dużych dobroci (Q>10) można przyjąć,
że pulsacje Lmax i Cmax są równe pulsacji rezonansowej, a wartości maksymalne napięć wy-
noszą QU.
3.1.2.4. Pasmo przepustowe szeregowego obwodu rezonansowego
W przypadku obwodów rezonansowych za pasmo przepustowe (pasmo przenoszenia)
przyjmuje się na ogół tzw. trzydecybelowe (3-dB) pasmo przepustowe.
Pasmem przepustowym 3-dB szeregowego obwodu rezonansowego nazywa się prze-
dział pulsacji, dla których wartość skuteczna I prądu w obwodzie (przy założonej stałej warto-
ści skutecznej napięcia przyłożonego do obwodu) maleje nie więcej niż 2 -krotnie w sto-
sunku do wartości skutecznej Ir prądu w rezonansie, tzn. dla których spełniona jest nierów-
ność
I() 1
e" . (3.35)
Ir
2
Dla pulsacji granicznych (dolnej d i górnej g) spełniona jest równość
Ir Ir
= (3.36)
I(d ) I(g )= 2 .
Bardzo ważnym parametrem obwodu rezonansowego, charakteryzującym jego właści-
wości selektywne jest szerokość pasma przepustowego - zdefiniowana jako
S(3dB) = g -d . (3.37)
Parametr ten zależy od pulsacji rezonansowej i dobroci obwodu w następujący sposób
r
S(3dB) = . (3.38)
Q
Podobnie wygląda zależność pasma przepustowego wyrażonego w hercach
fr
S = . (3.39)
p(3dB)
Q
Oznacza to, że 3-dB pasmo przepustowe obwodu rezonansowego jest odwrotnie pro-
porcjonalne do jego dobroci. Zmniejszenie dobroci obwodu pogarsza jego właściwości selek-
tywne.
9
Wpływ dobroci na kształt krzywej rezonansowej prądu ilustrują wykresy przedstawione
na rysunku 3.3. Wykreślono je dla różnych wartości dobroci Q obwodu przyjmując, że dobroć
jest zmieniana tylko przez dobór indukcyjności L i pojemności C przy zachowaniu stałej pul-
sacji rezonansowej r.
I
Ir
Q < Q 2 < Q
1 3
Q 1
Q 2
Q 3
r
Rys. 3.3. Ilustracja wpływu dobroci obwodu na krzywą rezonansową prądu
Jak widać, w miarę zwiększania wartości dobroci obwodu, krzywe rezonansowe prądu stają
się coraz węższe, skupiając się w otoczeniu punktu r. Można zatem powiedzieć, że dobroć
jest podstawowym parametrem obwodu rezonansowego decydującym o jego jakości jako ob-
wodu selektywnego.
3.1.3. Rezonans prądów
3.1.3.1. Podstawowe zależności
Rozważając obwód składający się z elementów R, L i C połączonych równolegle
(rys.3.7) - zakłada się, że przyłożone napięcie jest sinusoidalnie zmienne o symbolicznej war-
tości skutecznej U i o pulsacji = 2Ąf.
R LC
Rys. 3.7. Obwód równoległy RLC
10
Dla rozpatrywanego obwodu słuszne są zależności:
I = GU
#
R
#
I = - jBL U , (3.40)
Ź#
L
#
I = jBC U
C #
I = I + I + I = [G + j(BC - BL )]U = (G + jB)U = Y U . (3.41)
R L C
Admitancja obwodu wynosi
# ś#
1
ś#
Y = G + jB = G + j(BC - BL )= G + jś#C - ź# . (3.42)
ź#
L
# #
Warunkiem rezonansu (3.2) jest to, aby susceptancja wypadkowa B obwodu równała się
zeru, czyli BC=BL lub
1
r C = . (3.43)
r L
Pulsację rezonansową r rozpatrywanego obwodu znajduje się z powyższego równania,
1
otrzymując r = (3.44)
LC
1
stąd częstotliwość rezonansowa fr wynosi fr = . (3.45)
2Ą LC
Jeżeli częstotliwość zródła napięcia zasilającego jest równa częstotliwości rezonansowej
obwodu (f = fr) to obwód jest w stanie rezonansu równoległego i wówczas:
" admitancja obwodu jest równa konduktancji (admitancja osiąga wartość minimalną)
Y = G ; (3.46)
" prąd w gałęzi rezystancyjnej jest równy prądowi obwodu
I = I ; (3.47)
R
" suma geometryczna prądów w gałęzi indukcyjności i pojemnościowej jest równa zeru
I + I = 0 ; (3.48)
L C
" prąd w gałęzi indukcyjnej jest co do modułu równy prądowi w gałęzi pojemnościowej
IL = IC ; (3.49)
" wobec B=0, prąd w obwodzie osiąga wartość minimalną
I = U G ; (3.50)
" kąt przesunięcia fazowego między przyłożonym napięciem a prądem jest równy zeru
= 0 ; (3.51)
11
Wykres wskazowy napięcia i prądów dla obwodu równoległego RLC w stanie rezonan-
su przedstawiono na rys.3.8. Ze względu na równość modułów prądów w gałęziach reaktan-
cyjnych i fakt, że mogą być one wielokrotnie większe od prądu dopływającego do obwodu -
rezonans w rozpatrywanym obwodzie nazywa się rezonansem prądów.
Rys. 3.8. Wykres wskazowy równoległego obwodu RLC w stanie rezonansu
Parametrem, który wskazuje ile razy prąd w gałęzi z indukcyjnością lub pojemnością
jest większy od prądu dopływającego do obwodu w stanie rezonansu jest dobroć Q.
W rozpatrywanym obwodzie równoległym, w stanie rezonansu dobroć definiuje się jako
stosunek modułów prądu w elemencie reaktancyjnym (kondensatorze lub cewce) do prądu w
gałęzi z rezystorem, czyli
IL IC 1 rC
Q = = = = (3.52)
IR IR r LG G
Uwzględniając wzór na pulsację rezonansową (3.44), dobroć przedstawia się jako
R R
Q = = , (3.53)
L
C
gdzie jest reaktancją charakterystyczną obwodu równoległego (reaktancją indukcyjną lub
pojemnościową obwodu przy częstotliwości rezonansowej), zdefiniowaną identycznie jak dla
obwodu szeregowego (3.19).
Podsumowując powyższe rozważania, można moduły prądów w elementach reaktan-
cyjnych w stanie rezonansu opisać następującą zależnością
I R R R
IL = = IC = rC I R = I = I = Q I , (3.54)
r L
L
C
Z powyższego równania wynika, iż dobroć jest miarą przetężenia występującego w obwodzie
w stanie rezonansu (prąd w gałęzi indukcyjnej lub pojemnościowej jest Q razy większy od
prądu dopływającego do obwodu).
12
3.1.3.2. Strojenie obwodu równoległego RLC do rezonansu
Na podstawie równania (3.44) - identycznie jak to miało miejsce w przypadku obwodu
szeregowego - można stwierdzić, że w celu uzyskania rezonansu w obwodzie równoległym
RLC należy dokonać strojenia generatora (zmiana f) bądz strojenia obwodu (zmiana L lub C).
Przy strojeniu (zarówno obwodu szeregowego jak i równoległego) znamienne jest to, iż
częstotliwość rezonansowa jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z
indukcyjności lub pojemności:
k1
fr = (3.55)
L
k2
lub fr = (3.56)
C
gdzie k1 i k2 są wielkościami stałymi.
3.1.3.3. Charakterystyki częstotliwościowe i krzywe rezonansowe równoległego
obwodu RLC
Dla równoległego obwodu rezonansowego można określić następujące charakterystyki
częstotliwościowe:
" charakterystykę susceptancji indukcyjnej obwodu
1
BL() = ; (3.57)
L
" charakterystykę susceptancji pojemnościowej obwodu
BC ()= C ; (3.58)
" charakterystykę susceptancji wypadkowej obwodu
1
B()= C - ; (3.59)
L
" charakterystykę admitancji (modułu admitancji) obwodu
2
# ś#
1
ś# ; (3.60)
Y()= G2 + - ź#
ś#C L ź#
# #
" charakterystykę kąta przesunięcia fazowego (argumentu admitancji wziętego ze zna-
kiem przeciwnym) obwodu
1
C -
L
() = - arctg (3.61)
G
13
Na rysunku. 3.9 przedstawiono przykładowe przebiegi wymienionych charakterystyk.
Wynika z niego, że w miarę zbliżania się do pulsacji rezonansowej, moduł admitancji obwodu
maleje do wartości minimalnej (do wartości konduktancji G obwodu), natomiast kąt przesu-
nięcia fazowego obwodu zbliża się do zera. Dla pulsacji mniejszych od pulsacji rezonanso-
wej: susceptancja wypadkowa jest mniejsza od zera a kąt przesunięcia fazowego obwodu jest
większy od zera obwód ma charakter indukcyjny. Natomiast dla pulsacji większych od pul-
sacji rezonansowej, reaktancja wypadkowa jest większa od zera a kąt przesunięcia fazowego
obwodu jest mniejszy od zera obwód ma charakter pojemnościowy.
a)
BL()
Y()
BC()
G
r
B()
b)
Ą/2
0 r
-Ą/2
Rys. 3.9. Charakterystyki częstotliwościowe równoległego obwodu RLC:
a) susceptancji i admitancji, b) kąta przesunięcia fazowego.
W przypadku obwodu równoległego RLC, krzywe rezonansowe przedstawiają wartości
skutecznych prądów występujących w obwodzie w funkcji pulsacji (lub częstotliwości). Jest
to zatem
" zależność prądu obwodu od pulsacji
2
# ś#
1
ś#
I() = U Y = U G2 + - ź# ; (3.62)
ś#C L ź#
# #
14
" zależność prądu w gałęzi indukcyjnej od pulsacji
U
IL() = ; (3.63)
L
" zależność prądu w gałęzi pojemnościowej od pulsacji
IC () = CU . (3.64)
Na rysunku 3.10 przedstawiono przykładowe krzywe rezonansowe równoległego ob-
wodu RLC.
IC()
I()
QIR=QGU
IL()
IR=GU
r
Rys. 3.10. Krzywe rezonansowe równoległego obwodu RLC
Wynika z niego, że w przy rezonansie prąd I dopływający do obwodu osiąga wartość mini-
malną, równą wartości prądu występującego w gałęzi rezystancyjnej (I = IR = GU). Oznacza
to, że w przypadku bardzo małej konduktancji jest prawie równy zeru. Natomiast prądy w
gałęziach reaktancyjnych są sobie równe i Q-krotnie większe od prądu dopływającego do ob-
wodu.
15
3.2. Badania laboratoryjne
LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI
Grupa Podgrupa Numer ćwiczenia 5
Lp. Nazwisko i imię Ocena Data wykonania
1. ćwiczenia
2. Podpis prowadzącego
3. zajęcia
4.
5.
Temat
3.2.1. Wykaz przyrządów
Tabela 3.0.
Oznaczenia Nazwa i typ elementu Dane Nr fabr. Uwagi
1 2 3 4 5
16
3.2.1. Badanie szeregowego obwodu RLC
Schemat układu pomiarowego do badania szeregowego obwodu rezonansowego (rezo-
nansu napięć) przedstawiono na rysunku 3.11. Badania należy przeprowadzić przy stałej war-
tości skutecznej napięcia U na zaciskach obwodu.
R L C
W
Rys. 3.11. Schemat układu pomiarowego do badania rezonansu napięć
3.2.1.1. Badanie wpływu pojemności na rezonans napięć
Dla wybranej wartości rezystancji R i pojemności C, dostroić częstotliwość generatora
do wartości przy której zachodzi rezonans napięć w obwodzie. Odczytać wartość częstotliwo-
ści fr oraz wartość prądu Ir w rezonansie. Ponadto określić wartości częstotliwości granicz-
nych fd i fg, przy których prąd w obwodzie maleje do 0,707 wartości rezonansowej. Pomiary
wykonać dla kilku wartości pojemności C. Następnie zmienić wartość rezystancji R
i przeprowadzić ponownie opisane powyżej pomiary dla przyjętych wcześniej wartości po-
jemności C. Wyniki pomiarów umieścić w tab. 3.1.
Tabela 3.1.
Wartości stałe: U=........... V , L=.......... H
Pomiary Obliczenia
Lp.
R C fr Ir fd fg fg - fd fr Q Sp(3dB)
F Hz A Hz Hz Hz Hz Hz
1.
2.
...
1.
2.
...
17
Opracowanie wyników pomiarów:
" Na podstawie przyjętych parametrów obwodu, obliczyć: częstotliwość rezonansową
wykorzystując zależność (3.10), dobroć w oparciu o zależność (3.18) oraz pasmo
przepustowe z zależności (3.39);
" na podstawie uzyskanych wyników obliczeń i pomiarów, wykreślić w jednym ukła-
dzie współrzędnych zależność częstotliwości rezonansowej zmierzonej i obliczonej
od pojemności obwodu (dla obydwu wartości rezystancji).
3.2.1.2. Wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych i krzywych rezonanso-
wych szeregowego obwodu RLC
Przy ustalonej: wartości skutecznej napięcia U na zaciskach obwodu, pojemności C, in-
dukcyjności L i wybranej rezystancji R, zmierzyć wartość prądu I oraz napięcia UL i UC dla
kilkunastu wybranych wartości częstotliwości f generatora. Wyboru częstotliwości pomiaro-
wych dokonać w oparciu o znajomość częstotliwości rezonansowej fr oraz dobroci obwodu
(parametrów określających szerokość pasma przepustowego) i przyjętego przedziału często-
tliwości, w którym charakterystyki mają być wyznaczone. Pomiary przeprowadzić dla dwóch
wartość rezystancji R. Wyniki pomiarów umieścić w tab.3.2.
Tabela 3.2.
Wartości stałe: U=.......V , L=......... H , C=......... F , Obliczenia
Pomiary Q1 =....... , Q2 =.......
Lp. R f I UL UC X Z
Hz A V V deg
1.
2.
...
1.
2.
...
Opracowanie wyników pomiarów:
" na podstawie wyników pomiarów określić częstotliwość rezonansową, następnie ob-
liczyć: reaktancję wypadkową X, moduł impedancji Z oraz kąt przesunięcia fazo-
wego obwodu dla wszystkich wartości częstotliwości pomiarowych korzystając z
UL -UC X
2
następujących zależności: X = , Z = X + R2 , = arctg ;
I R
U UC
L
obliczyć dobroć obwodu dla częstotliwości rezonansowej jako Q E" E"
U U
18
" wykreślić w jednym układzie współrzędnych zależności reaktancji wypadkowej X
oraz modułu impedancji Z od częstotliwości dla obydwu wartości dobroci obwodu;
" wykreślić w jednym układzie współrzędnych zależność kąta przesunięcia fazowe-
go obwodu od częstotliwości dla obydwu wartości dobroci obwodu;
" wykreślić w jednym układzie współrzędnych zależności napięć UL i UC od często-
tliwości f dla obydwu wartości dobroci obwodu;
" wykreślić w jednym układzie współrzędnych zależność wartości skutecznych prądu
obwodu I od częstotliwości f dla obydwu wartości dobroci obwodu wykorzystując
sporządzone wykresy wyznaczyć szerokość pasma przepustowego obwodów.
3.2.2. Badanie równoległego obwodu RLC
Schemat układu pomiarowego do badania równoległego obwodu rezonansowego (rezo-
nansu prądów) przedstawiono na rysunku 3.12. Badania należy przeprowadzić przy stałej
wartości skutecznej napięcia U na zaciskach obwodu.
W
R
L
C
Rys. 3.12. Schemat układu pomiarowego do badania rezonansu prądów
3.2.2.1. Badanie wpływu pojemności na rezonans prądów
Dla wybranej wartości rezystancji R i pojemności C, dostroić częstotliwość generatora
do wartości przy której zachodzi rezonans prądów. Odczytać wartość częstotliwości fr oraz
prądów I, IL, IC w rezonansie. Pomiary wykonać dla kilku wartości pojemności C. Następnie
zmienić wartość rezystancji R i przeprowadzić ponownie opisane powyżej pomiary dla przy-
jętych wcześniej wartości pojemności C. Wyniki pomiarów umieścić w tab. 3.3.
19
Tabela 3.3.
Wartości stałe: U=........... V , L=.......... H
Pomiary Obliczenia
Lp.
R C fr I IL IC fr Q QI
F Hz A A A Hz
A
1.
2.
...
1.
2.
...
Opracowanie wyników pomiarów:
" na podstawie przyjętych parametrów obwodu obliczyć częstotliwość rezonansową
wykorzystując zależność (3.45), dobroć w oparciu o zależność (3.53) oraz iloczyn
dobroci i zmierzonego prądu obwodu (QI);
" na podstawie uzyskanych wyników obliczeń i pomiarów, wykreślić w jednym ukła-
dzie współrzędnych zależność częstotliwości rezonansowej zmierzonej i obliczonej
od pojemności obwodu (dla obydwu wartości rezystancji).
3.2.2.2. Wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych i krzywych rezonanso-
wych równoległego obwodu RLC
Przy ustalonej: wartości skutecznej napięcia U na zaciskach obwodu, pojemności C, in-
dukcyjności L i wybranej rezystancji R, zmierzyć wartości prądów I, IL, IC dla wybranych
wartości częstotliwości f generatora. Wyboru częstotliwości pomiarowych dokonać w oparciu
o znajomość częstotliwości rezonansowej fr i przyjętego przedziału częstotliwości, w którym
charakterystyki mają być wyznaczone. Pomiary przeprowadzić dla dwóch wartość rezystancji
R. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 3.4.
20
Tabela 3.4.
Wartości stałe: U=.......V , L=......... H , C=......... F Obliczenia
Pomiary Q1 =....... , Q2 =.......
Lp.
R f I IL IC B Y
Hz A A A S S deg
1.
2.
...
1.
2.
...
Opracowanie wyników pomiarów:
" na podstawie wyników pomiarów określić częstotliwość rezonansową, następnie ob-
liczyć: susceptancję wypadkową B, moduł admitancji Y oraz kąt przesunięcia fa-
zowego obwodu dla wszystkich wartości częstotliwości pomiarowych korzystając
IC - IL B
z następujących zależności: B = , Y = B2 + G2 , = -arctg ;
U G
obliczyć dobroć obwodu dla częstotliwości rezonansowej (dla obydwu wartości re-
IL IC
zystancji) jako Q E" E" ;
I I
" wykreślić w jednym układzie współrzędnych zależności susceptancji wypadkowej B
oraz modułu admitancji Y od częstotliwości f dla obydwu wartości dobroci obwodu;
" wykreślić w jednym układzie współrzędnych zależność kąta przesunięcia fazowe-
go obwodu od częstotliwości f dla obydwu wartości dobroci obwodu;
" wykreślić w jednym układzie współrzędnych zależności prądów I, IL, IC od często-
tliwości f dla obydwu wartości dobroci obwodu.
21
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Ćw 11 RLCCw 12 Obwody rezonansoweĆw 2 Pomiary za pomocą automatycznego mostka RLCĆw 2 Pomiary za pomocą automatycznego mostka RLCcw 2 Badanie obwodów zwierających elmenty RLCCw 2 Pomiary za pomoca automatycznego mostka RLC10 Rezonans w obwodzie szeregowym RLC Elektromagnetyczne drgania wymuszone w obwodzie RLCCw 11 Rezonans w obwodach elektrycznych(1)MATLAB cw Skryptycad2 cw 5 6cw formularzCw 2 zespol2 HIPSCw 9 Wzmacniacz mocyCw 1REZONANS MAGNETYCZNYmetrologia cw 1 protokolwięcej podobnych podstron