Частотные характеристики простейших схем
Цель 1. Исследование амплитудно-частотных характеристик элементов последовательного колебательного контура (резонанс напряжений). 2. Исследование фазочастотных характеристик элементов последовательного колебательного контура (резонанс напряжений). 3. Исследование амплитудно-частотных характеристик элементов параллельного колебательного контура (резонанс токов). 4. Исследование фазочастотных характеристик элементов параллельного колебательного контура(резонанс токов).
Приборы и элементы
Краткие сведения из теории 1. Резонанс в последовательном колебательном контуре (резонанс напряжений). Схема последовательного колебательного контура и векторная диаграмма для режима резонанса представлены на рис. 5.1
Контур характеризуется следующими параметрами:
волновым сопротивлением
резонансной частотой
добротностью контура
где Ucpез, ULpeз, URpeз - напряжения при резонансе на емкости, индуктивности и сопротивлении соответственно, хсрез, хLрез - реактивное сопротивление конденсатора и индуктивности на резонансной частоте. 2. Векторные диаграммы для последовательного контура при (ш > шрез)-Векторные диаграммы при увеличении частоты (ш> шрез) представлены на рис. 5.2 (слева представлена диаграмма для промежуточной частоты ш> шрез, справа - для предельного случая . С ростом частоты емкостное сопротивление убывает, а индуктивное нарастает, при этом суммарное реактивное сопротивление растет (рис. 5.2). Угол сдвига (о между входным током и напряжением увеличивается по абсолютному значению, оставаясь положительным. Напряжение на катушке индуктивности при росте частоты сначала увеличивается за счет роста сопротивления, а затем снижается из-за снижения тока в цепи. Максимум действующего значения напряжения достигается при характерной частоте FL
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Измерение частотных характеристик последовательного колебательного контура с помощью осциллографа. а) Измерение действующих значений и фаз напряжений на элементах при резонансной частоте. Рассчитайте резонансную частоту о)о, частоту максимума напряжения на катушке индуктивности (OLH частоту максимума напряжения на конденсаторе Юс. Результаты расчета занесите в таблицу 5.1 в разделе «Результаты экспериментов». Откройте файл с5_01.са4 (рис. 5.7). Получите и зарисуйте на экране осциллографа в разделе «Результаты экспериментов» осциллограммы напряжений на резисторе Up, конденсаторе UQ и катушке индуктивности UL. Рассчитайте и измерьте действующее значение и фазу Е, Up, Uc и UL для Г=Грез с помощью осциллографа. Постройте векторные диаграммы на комплексной плоскости для этих частот, направив в каждой диаграмме ток по действительной оси. б) Измерение действующих значений и фаз напряжений на элементах при частоте F=0.5Fc. Получите и зарисуйте на экране осциллографа в разделе «Результаты экспериментов» осциллограммы напряжений на резисторе UR, конденсаторе Up и катушке индуктивности Ui при F=0.5Fc. Рассчитайте и измерьте действующее значение и фазу Е, ид, ид и UL с помощью осциллографа. Постройте векторные диаграммы на комплексной плоскости для этой частоты, направив в каждой диаграмме ток по действительной оси.
в) Измерение действующих значений и фаз напряжений на элементах при частоте F=2F^. Получите и зарисуйте на экране осциллографа в разделе «Результаты экспериментов» осциллограммы напряжений на резисторе UR, конденсаторе Uc и катушке индуктивности UL, напряжений на резисторе Up, конденсаторе Uc и катушке индуктивности UL для F=2Fi.. Рассчитайте и измерьте действующее значение и фазу Е, UR, Uc и UL с помощью осциллографа. Постройте векторные диаграммы на комплексной плоскости для этой частоты, направив в каждой диаграмме ток по действительной оси. Эксперимент 2. Частотные характеристики последовательного колебательного контура (исследования с помощью Боде-плоттера). Откройте файл с5_02.са4 (рис. 5.8). Подключая вывод Боде-плоттера на различные элементы контура (точки UL, UR, Uc на рис. 5.S), определите значения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик для частот 0, Шс / 4, (Ор / 2, Юр, (о)о-(0с) / 2, С0о, ((Оь-й1о) / 2, 0)ц 2o>L, 4oiL. Зарисуйте частотные характеристики на экранах Боде-плоттера, приведенных в разделе «Результаты экспериментов». Сравните результаты, полученные с помощью Боде-плоттера и осциллографа.
Рассчитайте амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики для напряжении на резисторе Ur ), конденсаторе Uc и катушке индуктивности UL для частот
По результатам расчета нанесите точки АЧХ и ФЧХ для напряжений на сопротивлении, катушке индуктивности и конденсаторе на экспериментальные графики в разделе «Результаты экспериментов». Постройте векторные диаграммы на комплексной плоскости для этих частот, направив в каждой диаграмме ток по действительной оси.
Эксперимент 3. Измерение частотных характеристик параллельного колебательного контура с помощью осциллографа. а) Измерение действующих значений и фаз токов через элементы при резонансной частоте. Рассчитайте резонансную частоту, частоту максимума тока через катушку индуктивности через конденсатор . Результаты расчета занесите в таблицу 5. 2 в разделе «Результаты экспериментов?. Откройте файл с5_03. са4 (рис. 5. 9). Получите и зарисуйте на экране осциллографа в разделе «Результаты экспериментов» осциллограммы токов через резистор IR, конденсатор Ic и катушку индуктивности IL. Рассчитайте и измерьте действующее значение и фазу J, IR, Ic и IL для F=Fрез с помощью осциллографа. Постройте векторные диаграммы на комплексной плоскости для этих частот, направив в каждой диаграмме напряжение по действительной оси.
б) Измерение действующих значений и фаз тока через элементы при частоте F=0. 5 FL,. Получите и зарисуйте на экране осциллографа в разделе «Результаты экспериментов» осциллограммы токов через резистор iR, конденсатор ic и катушку индуктивности IL при F=0, 5FL. Рассчитайте и измерьте действующее значение и фазу J, IR, ic и IL для F=Fpeз с помощью осциллографа. Постройте векторные диаграммы на комплексной плоскости для этих частот, направив в каждой диаграмме напряжение по действительной оси.
в) Измерение действующих значений и фаз токов через элементы. при частоте F=2Fc. Рассчитайте резонансную частоту, частоту максимума напряжения на катушке индуктивности частоту максимума напряжения на конденсаторе . Получите и зарисуйте на экране осциллографа в разделе «Результаты экспериментов» осциллограммы токов через резистор IR, конденсатор Iс и катушку индуктивности IL при F=2Fc. Рассчитайте и измерьте действующее значение и фазу J, IК, Iс и IL для F=Fp с помощью осциллографа. Постройте векторные диаграммы на комплексной плоскости для этих частот, направив в каждой диаграмме напряжение по действительной оси.
Эксперимент 4. Частотные характеристики параллельного колебательного контура (исследования с помощью Боде-плоттера). Откройте файл с5_04. са4 (рис. 5. 10). Подключая вывод Боде-плоттера на различные элементы контура (точки IL, IR, ic на. рис. 5.8), определите значения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик для частот . Зарисуйте частотные характеристики на экранах Боде-плоттера, приведенных в разделе «Результаты экспериментов». Сравните результаты, полученные с помощью Боде-плоттера и осциллографа. Рассчитайте амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики для напряжений на резисторе Ин(ю), конденсаторе ис(со) и катушке индуктивности ui.(co) для частот . По результатам расчета нанесите точки АЧХ и ФЧХ для токов через сопротивление и катушку индуктивности и конденсатор на экспериментальные графики в разделе «Результаты экспериментов».
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Измерение частотных характеристик последовательного колебательного контура с помощью осциллографа. а) Измерение действующих значений и фаз напряжений на элементах при резонансной частоте.
Расчет сопротивлений
Действующие значения напряжений
Расчет (фаз напряжений по результатам измерений
б) Измерение действующих значений и фаз напряжений на элементах при частоте F=O.5Fc.
Расчет сопротивлений
Действующие значения напряжений
Расчет фаз напряжений по результатам измерений
в) Измерение действующих значений и фаз напряжений на элементах при частоте F=2FL.
Расчет сопротивлений
Расчет фаз напряжений по результатам измерений
Векторные диаграммы
Эксперимент 2. Частотные характеристики последовательного колебательного контура (исследования с помощью Боде-плоттера). Таблица 5. 1
Параметры
|
Значения параметров
|
Частота, Гц
|
о,
| Fc/4,
| Fc/20,
| Ус.
| (Fo-Fc)/2,
| FO.
| (Fb-Fo)/2,
| FL,
| 2Рь,
| 4F,.,
|
Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
|
F, Гц
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I. A
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UR, B
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UL,B
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uc. B
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ф, град
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фь,град
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фс-, град
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Амплитудно-частотные хаоактевистики
Фазочастотные характеристики
Эксперимент 3. Измерение частотных характеристик параллельного колебательного контура для трех частот с помощью осциллографа. а) Измерение действующих значений и фаз токов через элементы, при резонансной частоте.
Расчет проводимостей
Расчет фаз тока по результатам измерений
б) Измерение действующих значений и фаз тока через элементы, при частоте F=0.5F,
Расчет проводимостей
Расчет фаз тока по результатам измерений
в) Измерение действующих значений и фаз токов через элементы при частоте F=2Fc.
Расчет проводимостей
Действующие значения токов
Расчет фаз тока по результатам измерений
Векторные диаграммы
Эксперимент 4. Частотные характеристики параллельного колебательного контура. Таблица 5.2
Параметры
| Значения параметров
|
Частота, Гц
|
о,
| Fc/4,
| Fc/20,
| FC.
| (Fo-Fc)/2,
| FO,
| (FL-Fo)/2,
| FL,
| 2FL,
| 4FL,
|
Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
| Гц
|
F,Гц
| расч.
|
I,A
| расч.
|
эксп.
|
UR,B
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UL,B
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uc,B
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ФR град
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ФL град
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фс. град
| расч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эксп.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Амплитудно-частотные характеристики
Фазочастотные характеристики
Резонанс в сложных схемах
Методические указания В этом разделе представлены упражнения по расчету и экспериментальной проверке его результатов на Electronics Workbench для цепей, находящихся в состоянии резонанса. Расчетную часть задач целесообразно выполнять с применением калькулятора комплексных чисел Comcal, описание которого приведено в приложении 2. Electronics Workbench позволяет проводить проверку результатов расчета путем соответствующих измерений. Во всех задачах мы рекомендуем строить векторные топографические диаграммы для лучшего понимания процессов при резонансе. Проверка условий резонанса для каждой из задач может быть проведена с помощью осциллографа (при этом нули тока и напряжения источника питания должны совпадать), путем измерения комплексного входного сопротивления с помощью Боде-плоттера (методика таких измерений изложена в приложении 1) или с помощью вольтметров и амперметров после построения векторной диаграммы. Задача 1. Резонанс в сложной цепи.
Дано: Схема рис. 5.11 при следующих параметрах элементов: Е=120 В, F= 2 кГц; R=20 Ом, L=2 мГн. Определить значение емкости конденсатора С, при котором наступает резонанс. Провести экспериментальную проверку решения с помощью Electronics Workbench. Файл с5_05.
Порядок расчета
Шаг 1. Рассчитывается комплексное сопротивление активно-индуктивной ветви.
Шаг 2. Определяется комплексная проводимость этой ветви.
Шаг 3. Выделяются активная и реактивная составляющие комплексной проводимости и рассчитываются параметры эквивалентного двухполюсника с параллельным соединением RPAR и LPAR (схема рис. 5.13).
Шаг 4. Исходя из равенства модулей емкостного и индуктивного сопротивлений определяется необходимая емкость конденсатора. Такая методика расчета позволяет провести пошаговую проверку его правильности с использованием Electronics Workbench.
Шаги 1, 2 и 3
Текст из программы комплексного калькулятора с результатами
! Резонанс в сложной цепи.
! Исходные данные Е=120 FREZ=2000 R=20 L=0.002
! Определить значение емкости конденсатора С, при котором наступает резонанс. !
Шаг 1. Определение комплексного сопротивления RL-цепи OREZ=FREZ*2*p ZRL=R+j*OREZ*L
! Шаг 2. Определение комплексной проводимости и ее составляющих YRL=1/ZRL BRL=(YRL - &YRL) *j/2 GRL=(YRL + &YRL)/2
! Шаг З. Определения параметров элементов в эквивалентной RL-цепи RPAR=1/GRL XPAR=1/BRL LPAR- XPAR/OREZ
Операция
| Real
| Imag
| Abs
| Arg, rp
|
YRL-1/ZRL
| 0.0194
| 0.0244
| 0.0311
| -51°29'
|
BRL=(YBL - &YRL) *j/2
| 0.0244
| 0
| 0.0244
| 0
|
GRL=(YRL + &YRL)/2
| 0.0194
| 0
| 0.0194
| 0
|
RPAR=1/GRL
| 51.183
| 0
| 51.183
| 0
|
XPAR=1/BRL
| 41.048
| 0
| 41.048
| 0
|
LPAR= XPAR/OREZ
| 0.003266
| 0
| 0.003266
| 0
Экспериментальная проверка результатов расчета
Для экспериментальной проверки правильности вычислений следует измерить комплексные сопротивления исходного и эквивалентного двухполюсников с помощью Боде-плоттера. Измерения проводятся в схеме рис. 5.13.
Шаг 4
Расчет Текст из программы комплексного калькулятора с результатами / Шаг 4. Определение емкости конденсатора С= 1/(OREZ*XPAR)
Операция
| Real
| Imag
| AOS
| Arg,rp
|
LPAR- XPAR/OREZ
| 1.9386-10-6
| 0
| 1.9386-10-6
| 0
Экспериментальная проверка результатов расчета
Для экспериментальной проверки правильности вычислений следует проверить условия резонанса сначала для эквивалентной схемы, а затем и для исходной. Эквивалентная схема допускает проверку условия резонанса с помощью амперметров, включенных в цепь источника питания и в цепь питания параллельного колебательного контура (рис. 5.14), При резонансе ток, ответвляемый в контур, должен быть равен 0. Как видно из рис. 5.14, он действительно близок к 0 и при токе источника питания 2.33 А составляет 54.3 мкА (0.0023%).
Для исходной схемы со сложным резонансом не удается отыскать ветвь, в которой резонанс прослеживался бы так явно. Поэтому следует остановиться на универсальном методе: проверить совпадение фазы питающего напряжения и питающего тока, что является общим условием резонанса для любой цепи. Наиболее наглядно такую проверку можно осуществить с помощью осциллографа в схеме рис. 5.15.
Задачи для самостоятельного исследования
Задача 1(с5_11) Рассчитайте для схемы а) величину емкости конденсатора, при которой в схеме установится резонанс. Вычисления проведите в следующей последовательности. 1. Рассчитайте значения LPAR и RPAR в эквивалентном двухполюснике с параллельным соединением элементов (схема б)). 2. Проверьте эквивалентность схем, подсоединив вольтметры и амперметры. Какие из приборов покажут активные и реактивные составляющие входного тока и напряжения? 3. Рассчитайте емкость конденсатора, который нужно подключить к параллельной схеме г) для достижения резонанса. Проверьте расчет, подключив конденсатор через амперметр. 4. Проверьте условие выполнения резонанса с помощью осциллографа, а затем с помощью Боде-плоттера.
Задача 2 (с5_12) Рассчитайте для схемы величину индуктивности при резонансе. Проверьте расчет в Electronics Workbench с помощью осциллографа. Определите показания приборов в схемах при частоте w = 1000 Гц. Определите полосу пропускания контура с помощью Боде-плоттера.
Задача 3 (с5_13) Схема на рисунке находится в резонансе. Рассчитайте сопротивление R и индуктивность L при добротности контура Q=3. Определите и проверьте экспериментально показания всех приборов в схеме б) при удвоенной резонансной частоте. Определите с помощью осциллографа угол сдвига напряжения на конденсаторе относительно напряжения источника питания на этой частоте.
Задача 4 (с5_14) Рассчитайте значение резонансной частоты Fpeз для схемы, приведенной на рисунке. Проверьте расчет в Electronics Workbench с помощью осциллографа и Боде-плоттера. Вычислите и проверьте экспериментально показания всех приборов в схеме.
Задача 5 (с5 15) В схеме, приведенной на рис. а), имеется резонанс при частоте 50 Гц. Входное сопротивление схемы на постоянном токе составляет 5 Ом. Модуль входного сопротивления на резонансной равен 2.5 Ом. Рассчитайте величины R, Хс, XL. С и L при резонансе. Вычислите и проверьте экспериментально показания всех приборов в схеме.
Задача 6 (с5_16) Схема, изображенная нарисунке а), находится в состоянии резонанса. Показания приборов при этом приведены на том же рисунке. Рассчитайте параметры С, L, R при резонансе. Замените последовательную ветвь R, L эквивалентным при резонансной частоте двухполюсником LPAR, RPAR, как показано на рисунке б). Каковы будут показания амперметра, не приведенные в схеме а)?
Задача 7 (с5_17) Рассчитайте резонансную частоту для схемы. Проверьте результат расчета с помощью Боде-плоттера. Вычислите и проверьте экспериментально показания приборов в схеме при резонансе. Нарисуйте (качественно) временную диаграмму изменения энергии в конденсаторе и в индуктивности при частоте большей и меньшей резонансной. Проверьте решение для энергии, применяя датчики тока, напряжения и умножители. Методика измерения энергии в катушке и конденсаторе изложена в приложении 1.
Задача 8 (с5_18) Для схемы, приведенной на рисунке, рассчитайте значение R3, при котором в схеме наступит резонанс. Проверьте выполнение условий резонанса с помощью осциллографа. Вычислите и проверьте экспериментально показания приборов в схеме.
Задача 9 (с5_19) В схеме, приведенной на рисунке, наблюдается резонанс при частоте 1200 Гц. Показания приборов при резонансе приведены на схеме. Определите С и L, если R=4 Ома. Проверьте расчет экспериментально.
Задача 10 (с5_20) Для схемы, приведенной на рисунке, определите резонансные частоты и токи во всех ветвях схемы. Проверьте полученный результат с помощью Боде-плоттера и датчиков тока на основе зависимых источников в этих ветвях.
Задача 11 (с5_21) Схема, изображенная на рисунке, находится в состоянии резонанса при частоте 796 Гц, при этом мощность, потребляемая цепью, составляет Р= 1200 Вт. Показания приборов приведены на рисунке. Рассчитайте ток 12 и величины R, С, L. Проведите экспериментальную проверку.
Задача 12 (с5_22) Схема находится в состоянии резонанса при частоте 796 Гц, при этом мощность, потребляемая цепью, составляет Р^1200 Вт. Показания приборов приведены на рисунке. Постройте векторную диаграмму. Рассчитайте ток 13 и величины R, С, L. Проведите экспериментальную проверку.
Частотные характеристики цепей без потерь
Методические указания Методику решения задач данного типа рассмотрим на конкретном примере Задача. Цепь без потерь
В схеме рис. 5.16 найти резонансные частоты и объяснить физическую природу и тип резонанса при каждой частоте. Провести экспериментальную проверку полученных частот с помощью Electronics Workbench. Измерить напряжения на каждом из параллельных резонансных контуров и входное напряжение при частотах до первого, между первым и вторым, между вторым и третьим и после третьего резонанса.
Экспериментальное исследование и анализ его результатов
Частотную характеристику (зависимость комплексного входного сопротивления от частоты) для рис. 5.16 можно получить из выражения
Для любого двухполюсника без потерь можно получить подобное уравнение комплексного входного сопротивления. При этом частоты, соответствующие резонансам напряжений (как частота (wрез2 в нашем случае), входят в числитель и образуют нули функции, а частоты, соответствующие резонансам тока (как wрез1 и wрез), входят в знаменатель и образуют полюса. Исследование частотных характеристик проведем в схеме рис. 5.17. Для того чтобы получить входное комплексное сопротивление, необходимо выход Боде-плоттера подключить к источнику питания, а вход — к датчику тока, в качестве которого используется
зависимый источник напряжения, управляемый током (см. методику измерения мгновенных значений тока). В этом случае отношение напряжений равно модулю входного сопротивления, а фазовый сдвиг напряжений определяет фазу входного сопротивления. Рассмотрим результаты экспериментальных исследований частотных характеристик (рис. 5.17). При нулевой частоте, то есть при постоянном токе, катушки индуктивности представляют собой короткое замыкание, конденсаторы — разрыв, поэтому при стремлении частоты к нулю почти весь ток проходит через катушки индуктивности, и проводимость контура носит индуктивный характер, что при отсутствии потерь обеспечивает угол ф=90". При повышении частоты сопротивление контура нарастает, как показывает ам-плитудно-частотная характеристика на рис. 5.176, и характер входного сопротивления остается индуктивным до частоты первого резонанса.
При частоте Fрeз1 (первая частота, при которой происходит изменение фазы входного сопротивления схемы на 180°) наступает резонанс в контуре Lq - Ci, у которого резонансная частота меньше (поскольку больше и индуктивность и емкость). Эта резонансная частота рассчитывается так же, как в простом LC-контуре и составляет
Это резонанс токов, и на рис. 5. 176 виден резкий рост сопротивления, поскольку при резонансе токов контур L2 - С2 можно рассматривать как разрыв цепи. При частоте, несколько большей Fpeз1, изменяется характер входного сопротивления, поскольку теперь проводимость конденсатора C1 больше проводимости катушки L1, и угол скачком изменяет свое значение от 90°до -90°. Ha рuc. 5.17в, однако, мы наблюдаем резкий переход, но не с бесконечно большой крутизной. Это объясняется тем, что при численных методах расчета, на которых основано моделирование в Electronics Workbench, принципиально не может быть бесконечно больших величин, в том числе и бесконечно больших производных по частоте. Следовательно, исследуя идеальные модели, какой является цепь без потерь, мы должны исключить из фазочастотной характеристики все точки, в которых углы отличаются от 90° или -90 и интерполировать характеристики с обеих сторон от частоты резонанса. При дальнейшем повышении частоты сопротивление контура L1 - C1, имея емкостной характер, начинает уменьшаться, в то время как сопротивление контура L2 - С2 сохраняет индуктивный характер и продолжает увеличиваться. При некоторой частоте Fpeз2 (второе изменение фазы входного сопротивления на 180°) модули этих сопротивлений сравниваются, и общее сопротивление цепи становится равным нулю, что характеризует резонанс напряжений. При дальнейшем росте частоты индуктивное сопротивление контура La - Са превосходит емкостное сопротивление контура L1 - C1, общий характер цепи становится индуктивным и угол скачком изменяет свое значение от -90°до 90° (рис. 5.17в). Рост модуля сопротивления продолжается до частоты резонанса токов в контуре L1 - C1, которая рассчитывается по формуле
При дальнейшем росте частоты характер сопротивления в обоих контурах L1 - C1 и L2 - С2 становится емкостным и убывает по мере роста частоты. Наш качественный анализ позволил, тем не менее, вычислить две резонансные частоты Fpез1 и Ррез3. Подтвердить его правильность экспериментально можно, сравнивая фазочастотные характеристики (ФЧХ) для нашей схемы с ФЧХ для двух параллельных контуров L1 - C1 и L2 - С2 (рис 5.18). Как видно из рис. 5.18, частота первого резонанса токов совпадает с частотой резонанса для контура L1 - C1, частота второго резонанса токов с частотой резонанса для контура L2 — С2. Частоту резонанса напряжений можно определить из амплитудно-частотных характеристик двух контуров L1 - C1 и L2 — С2. Для определения построим на одном рисунке (рис. 5. 18в) фазочастотную характеристику общей цепи и амплитуд -но-частотные характеристики контуров L1 - C1 и L2 - C2. Это нетрудно сделать, используя программу Paint из стандартных программ Microsoft Office. Для этого нужно получить копию экрана с Боде-плоттером после анализа фазочастотной характеристики общей схемы, нажав клавишу Print Screen, вставить ее в файл
Paint и из общей картинки вырезать Боде-плоттер. Затем необходимо перенести его в другой файл через Clipboard. Затем из копии экрана, полученной после анализа амплитудно-частотной характеристики L1 - С1 контура, вырезать только экран Боде-плоттера и наложить на его на картинку Боде-плоттера в другом файле. Точно так же можно наложить и АЧХ L2 - С2 контура. Результат построения показан на рис. 5. 18г. Из него видно, что частота, при которой пересекаются нисходящая ветвь АЧХ L1 - С1 контура и восходящая ветвь АЧХ L2 - С2 контура (точка пересечения отмечена на рисунке кружком) совпадает с частотой резонанса напряжений, которую можно видеть из ФЧХ общей схемы. Из условия равенства модулей сопротивлений можно вычислить и частоту второго резонанса (резонанса напряжений между двумя контурами)
Из формального рассмотрения второго выражения можно сделать вывод, что частота этого резонанса должна совпадать с частотой резонанса в последовательном колебательном контуре, составленном из параллельно соединенных катушек L1 и L2 и параллельно соединенных конденсаторов С1 и С2 (рис. 5. 19а). Electronics Workbench позволяет получить этому наглядное экспериментальное подтверждение. Для этого необходимо сопоставить фазочастотные характеристики, снятые в исходной схеме (рис. 5. 196) и в схеме рис. 5. 19а (эта характеристика представлена на рис. 5. 19в).
Отметим, что наиболее точное экспериментальное определение резонансной частоты из рис. 5. 17 удается осуществить для резонанса напряжении, поскольку нулевую точку характеристики легко определить. Для того, чтобы с такой же точностью определить частоты резонансов тока, целесообразно снимать вместо АЧХ входного сопротивления АЧХ входной проводимости исходной схемы. Для этого нужно только поменять местами вход и выход Боде-плоттера. На рис. 5. 20 представлены фрагменты схемы, позволяющие показать включение Боде-плоттера при снятии АЧХ сопротивления и проводимости и сами снятые АЧХ для исследуемой схемы. Рассмотрим, как изменяется векторная диаграмма для нашей схемы на различных частотных участках. Изменения в векторной диаграмме можно хорошо иллюстрировать и с помощью простых вольтметров (рис. 5. 21). На первом частотном интервале оба последовательных участка цепи имеют индуктивный характер (на рис. 5. 21 они замещены эквивалентными индуктивностями). Вследствие этого напряжение на каждом участке и общее напряжение, равное входному, опережают ток на 90°. Входное напряжение равно сумме напряжений на участках ab и bc. На втором частотном интервале (после резонанса токов в первом контуре) участок ab, как и вся схема, приобретает емкостной характер (на рис, 5. 21 он замещен эквивалентным конденсатором), характер участка bc остается индуктивным. На этом интервале входное напряжение равно разности напряжений на участках ab и bc, что видно и из векторной диаграммы. На третьем частотном интервале (после резонанса напряжений между двумя контурами) характер обоих участков ab и bc остается прежним, но индуктивное сопротивление участка ab преобладает, что приводит к изменению характера сопротивления всей схемы от емкостного к индуктивному. Входное напряжение также равно разности напряжений на участках ab и bc.
На четвертом частотном интервале (после резонанса токов во втором контуре) сопротивление второго контура становится емкостным. При этом эквивалентное сопротивление каждого из контуров носит емкостной характер и входное напряжение равно сумме напряжений на участках.
Задачи для самостоятельного исследования
Задача 13 (с5_23) Постройте и проверьте экспериментально зависимость входного сопротивления от частоты. Рассчитайте и определите экспериментально показания амперметров при резонансой частоте wреэ и частотах 0. 5 wрез и 2 (wрез-
Задача 14 (с5_24) Нарисуйте (качественно) амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики для входного сопротивления цепи. Рассчитайте резонансные частоты. Получите эти характеристики с помощью Боде-плоттера. Измерьте значения токов в LC-ветвях при частотах: F1 = 800 Гц, F2 = 2300 Гц и F3 = 7000 Гц. Объясните соотношение токов в ветвях при этих частотах.
Задача 15 (с_25) Нарисуйте (качественно) амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики для входного сопротивления цепи. Рассчитайте резонансные частоты. Получите эти характеристики с помощью Боде-плоттера. Измерьте значения напряжений на элементах цепи при частотах F1 = 100 Гц, F2 = 400 Гц и F3 = 1700 Гц и F4= 3200 Гц. Объясните соотношение напряжений при этих частотах.
Задача 16 (с5_26) Нарисуйте (качественно) амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики для входного сопротивления цепи. Рассчитайте резонансные частоты. Получите эти характеристики с помощью Боде-плоттера. Измерьте значения напряжений на элементах цепи при частотах F1= 300 Гц. F2= 1000 Гц, F3= 2500 Гц, F4= 15 кГц и F5= 50 кГц. Объясните соотношение напряжений при этих частотах.
Задача 17 (с5_27) Нарисуйте (качественно) амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики для входного сопротивления цепи. Рассчитайте резонансные частоты. Получите эти характеристики с помощью Боде-плоттера. Измерьте значения токов в LC-ветвях при частотах F1= 200 Гц, F2= 400 Гц, F3= 1 кГц, F4= 2. 5 кГц и F5= 3. 7 кГц. Объясните соотношение токов в ветвях при этих частотах.
Резонансные цепи
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
5.1. Частотные характеристики простейших схем
УПРАЖНЕНИЯ
5.2. Резонанс в сложных схемах
5.3. Частотные характеристики цепей без потерь