Circuitul oscilator este ... Principiul acțiunii

Circuitul oscilator este un dispozitiv proiectat pentru a genera (crea) oscilații electromagnetice. De la începuturile sale și până în prezent, este utilizat în multe domenii ale științei și tehnologiei: de la viața de zi cu zi până la fabricile imense care produc o varietate de produse.

Din ce constă?

Circuitul oscilator constă dintr-o bobină și un condensator. În plus, poate conține și un rezistor (un element cu rezistență variabilă). Un inductor (sau solenoid, așa cum este numit uneori) este o tijă pe care înfășurările sunt înfășurate mai multe straturi, care în general este un fir de cupru. Acest element creează oscilații în circuitul oscilator. Un bar, situat în mijlocul, adesea numit sufoca, sau miez, iar bobina, uneori, se numește un solenoid.

Bobina circuitului oscilant creează oscilații numai dacă există o sarcină stocată. Când trece curent prin el, acumulează o sarcină, care apoi dă în circuit dacă tensiunea scade.

Firele de bobină au, de obicei, o rezistență foarte mică, care rămâne întotdeauna constantă. În circuitul circuitului oscilant, intensitatea tensiunii și curentului se schimbă foarte des. Această modificare este supusă anumitor legi matematice:

• U = U₀* cos (w * (t-t₀), unde
  U este tensiunea la un moment dat t,
  U₀ - tensiunea la momentul t₀,
  w este frecvența oscilațiilor electromagnetice.

O altă componentă integrată a circuitului este un condensator electric. Acesta este un element alcătuit din două plăci, care sunt separate printr-un dielectric. Grosimea stratului dintre plăci este mai mică decât dimensiunile lor. Acest design vă permite să vă acumulați pe sarcina electrică dielectrică, care poate fi dată într-un lanț.

Diferența dintre un condensator și o baterie este că nu există o transformare a substanțelor sub influența unui curent electric, dar are loc o acumulare directă a unei încărcări într-un câmp electric. Astfel, cu ajutorul unui condensator este posibil să se acumuleze o sarcină suficient de mare, care poate fi trimisă simultan. În același timp, puterea curentă în circuit crește foarte mult.

De asemenea, circuitul oscilator constă dintr-un element suplimentar: un rezistor. Acest element are o rezistență și este proiectat să controleze curentul și tensiunea din circuit. Dacă la o creștere constantă a tensiunii rezistența rezistorului, atunci curentul va scădea în legea lui Ohm:

• I = U / R, unde
  Eu sunt amperajul,
  U este tensiunea,
  R este rezistența.

Bobină inductor

Să aruncăm o privire mai atentă la toate subtilitățile inductorului și să înțelegem mai bine funcția acestuia în circuitul oscilator. Așa cum am spus deja, rezistența acestui element tinde la zero. Astfel, atunci când o legătură DC este conectată la circuit, scurtcircuit. Totuși, dacă conectați bobina la un circuit de curent alternativ, funcționează corect. Acest lucru ne permite să concluzionăm că elementul oferă rezistență la curent alternativ.

Dar de ce se întâmplă acest lucru și cum apare rezistența la curent alternativ? Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să abordăm un fenomen precum autoinducția. Când curentul trece prin bobină, forța electromotive (EMF), care creează un obstacol în calea schimbării curentului. Mărimea acestei forțe depinde de doi factori: inductanța bobinei și derivatul curentului în raport cu timpul. Matematic, această dependență este exprimată în termenii ecuației:

• E = -L * I `(t), unde
  E este valoarea EMF,
  L este valoarea de inductanță a bobinei (pentru fiecare bobină este diferită și depinde de numărul bobinelor de înfășurare și de grosimea acestora),
  I `(t) este derivatul puterii curente în raport cu timpul (rata de schimbare a puterii curente).

Rezistența curentului direct nu se schimbă odată cu trecerea timpului, deci rezistența nu apare atunci când acționează.

Dar, cu curent alternativ, toți parametrii săi se modifică constant în legea sinusoidală sau cosinus, rezultând un EMF care împiedică aceste schimbări. Această rezistență se numește inducție și se calculează prin formula:

• X_L = w * L, unde
  w este frecvența de oscilație a circuitului,
  L - coil inductivitatea.

Curentul din solenoid crește liniar și scade conform diferitelor legi. Acest lucru înseamnă că, dacă vă opriți fluxul de curent în bobina, acesta va continua pentru ceva timp pentru a da taxa în circuit. Și dacă acest lucru întrerupe brusc fluxul de curent, va fi trimis un balon de la faptul că taxa va încerca să iasă și să fie distribuite bobina. Aceasta este o problemă serioasă în producția industrială. Acest efect (deși nu în totalitate în legătură cu circuitul de oscilație) pot fi observate, de exemplu, atunci când scoateți ștecherul din priză. În acest caz, sare peste scanteia care pe o astfel de scară nu poate dăuna unei persoane. Aceasta se datorează faptului că câmpul magnetic nu dispare imediat, dar disipat treptat, inducerea de curenți în alte conductoare. Într-o scară industrială puterea actuală este de multe ori mai mare decât de obicei noastre de 220 de volți, astfel încât întreruperea în lanțul de producție poate provoca scântei o astfel de forță, care va provoca o mulțime de daune atât planta și omul.

Bobina este baza a ceea ce constă din circuitul oscilator. Sunt adăugate inductoarele solenoidelor conectate în serie. Apoi, vom examina mai detaliat toate detaliile structurii acestui element.

Ce este inductanța?

bobina Inductanța circuit oscilant - este un parametru în parte, care este numeric egală cu forța electromotoare (în volți), care are loc într-un circuit, atunci când variația curentului de 1 A timp de 1 secundă. În cazul în care solenoidul este conectat la un circuit de curent continuu, inductanță descrie energia unui câmp magnetic, care este creat de acest curent prin formula:

• W = (L * I²) / 2, unde
  W este energia câmpului magnetic.

Coeficientul de inductanță depinde de mulți factori: de geometria solenoidului, de caracteristicile magnetice ale miezului și de numărul de bobine de sârmă. O altă proprietate a acestui indicator este că este întotdeauna pozitivă, deoarece variabilele de care depinde nu pot fi negative.

Inductanța poate fi de asemenea definită ca proprietatea unui conductor cu un curent pentru stocarea energiei într-un câmp magnetic. Este măsurat în Henry (numit după omul de știință american Joseph Henry).

În plus față de solenoid, circuitul oscilator constă dintr-un condensator, care va fi discutat mai târziu.

Condensator electric

Capacitatea circuitului oscilant este determinată de capacitatea de electricitate condensator. Despre aspectul ei a fost scris mai sus. Acum, să analizăm fizica proceselor care au loc în ea.

Deoarece plăcile de condensatoare sunt realizate dintr-un conductor, un curent electric poate curge prin ele. Cu toate acestea, între cele două plăci este obstacol. Izolator (acestea pot fi de aer, lemn sau alte materiale cu rezistență ridicată Datorită faptului că taxa nu se poate deplasa de la un capăt al firului la alta, există o acumulare de ea la plăcile condensatorului astfel crește puterea magnetică și electrică. câmpuri din jurul ei. Astfel, la încetarea taxei veniturile toată energia electrică acumulată pe plăcile, începe să fie transmise circuitului.

Fiecare condensator are tensiunea nominală, optim pentru funcționarea sa. Dacă acest element funcționează mult timp la o tensiune mai mare decât tensiunea nominală, durata sa de funcționare este redusă semnificativ. Condensatorul circuitului oscilant este în mod constant influențat de curenți și, prin urmare, atunci când îl alegeți, trebuie să fim foarte atenți.

În plus față de condensatorii convenționali, care au fost discutate, există și ioniști. Acesta este un element mai complex: poate fi descris ca o cruce între baterie și condensator. De regulă, substanțele organice sunt dielectricul din ionistor, între care există un electrolit. Împreună, ele creează un strat dublu electric, care vă permite să acumulați în acest design uneori mai multă energie decât într-un condensator tradițional.

Care este capacitatea unui condensator?

Capacitatea capacitorului este raportul dintre sarcina condensatorului și tensiunea sub care este localizată. Pentru a calcula această valoare poate fi foarte simplă cu ajutorul unei formule matematice:

• C = (de exemplu,₀* S) / d, unde
  e₀ - dielectric constant din materialul dielectric (valoarea tabelară),
  S este zona plăcilor condensatoarelor,
  d este distanța dintre plăci.

Dependența de capacitatea condensatorului pe distanța dintre electrozi este explicată prin fenomenul de inducție electrostatică este mai mică decât distanța dintre plăci, cu atât mai mult ele afectează reciproc (coulomb), cu atât mai mare electrozii de sarcină și mai puțin stres. Și, pe măsură ce tensiunea scade, capacitatea crește, deoarece poate fi descrisă și de următoarea formulă:

• C = q / U, unde
  q - încărcare în cuburi.

Merită să vorbim despre unități de această magnitudine. Capacitatea este măsurată în farads. 1 Farad - valoare suficient de mare, astfel încât condensatori existente (nu supercapacitors) au o capacitate măsurată în picofarads (un Farad trilioana).

rezistor

De asemenea, curentul din circuitul de oscilație depinde de rezistența circuitului. Și pe lângă cele două elemente descrise, dintre care circuitul oscilator (bobină, condensator) constă, există și un al treilea - un rezistor. El este responsabil pentru crearea rezistenței. Rezistorul diferă de alte elemente prin faptul că are o mulțime de rezistență, care la unele modele poate fi schimbată. În circuitul oscilator acționează ca regulator al puterii câmpului magnetic. Este posibil să conectați mai multe rezistoare în serie sau în paralel, mărind astfel rezistența circuitului.

Rezistența acestui element depinde, de asemenea, de temperatură, deci trebuie să aveți grijă de funcționarea acestuia în circuit, deoarece când curentul trece, se încălzește.

Rezistența rezistorului este măsurată în Ohms, iar valoarea sa poate fi calculată prin formula:

• R = (p * 1) / S, unde
  p este rezistivitatea materialului de rezistență (măsurată în (Ohm * mm)²) / m) -
  l - lungimea rezistorului (în metri) -
  S este aria secțiunii transversale (în milimetri pătrați).

Cum se asocia parametrii conturului?

Acum am ajuns foarte aproape de fizica circuitului oscilant. De-a lungul timpului, încărcătura de pe plăcuțele condensatorului se modifică în conformitate cu o ecuație diferențială de ordinul doi.

Dacă rezolvăm această ecuație, ea dă câteva formule interesante care descriu procesele care au loc în circuit. De exemplu, frecvența ciclică poate fi exprimată în termeni de capacitate și inductanță.

Cu toate acestea, cea mai simplă formulă care ne permite să calculam multe cantități necunoscute este formula Thomson (numită după fizicianul englez William Thomson, care a dedus-o în 1853):

• T = 2 * n * (L * C)^1/2.
  T este perioada de oscilații electromagnetice,
  L și C sunt, respectiv, inductanța bobinei circuitului oscilator și capacitatea elementelor de contur,
  n este numărul pi.

factor de calitate

Există încă o cantitate importantă care caracterizează activitatea circuitului: factorul Q. Pentru a înțelege ceea ce este, trebuie să ne îndreptăm spre un astfel de proces ca rezonanță. Acest fenomen, în care amplitudinea devine maximă cu aceeași magnitudine a forței pe care o menține această oscilație. Explicați rezonanța poate fi un exemplu simplu: dacă începeți să împingeți leagăn în timp cu frecvența lor, atunci acestea vor accelera, iar "amplitudinea" lor va crește. Și dacă nu împingeți în tact, atunci vor încetini. La rezonanță, o mulțime de energie este foarte des împrăștiată. Pentru a putea calcula amploarea pierderilor, a venit cu un parametru cum ar fi factorul Q. Este un coeficient egal cu raportul dintre energia din sistem și pierderile care apar în circuit într-un singur ciclu.

Calitatea conturului se calculează după formula:

• Q = (w₀* W) / P, unde
  w₀ - frecvența ciclică rezonantă a oscilației -
  W este energia stocată în sistemul oscilant -
  P este puterea disipată.

Acest parametru este o cantitate fără dimensiuni, deoarece arată de fapt raportul dintre energiile stocate și energia consumată.

Care este circuitul oscilator ideal?

Pentru a înțelege mai bine procesele din acest sistem, fizicienii au venit cu așa-numitul circuit oscilant ideal. Acesta este un model matematic care reprezintă circuitul ca un sistem cu rezistență zero. În ea apar oscilații armonice neinflamate. Un astfel de model ne permite să obținem formule pentru calcularea aproximativă a parametrilor conturului. Un astfel de parametru este energia totală:

• W = (L * I²) / 2.

Astfel de simplificări accelerează semnificativ calculele și ne permit să evaluăm caracteristicile lanțului cu parametrii.

Cum funcționează?

Întregul ciclu al circuitului oscilator poate fi împărțit în două părți. Acum vom detalia procesele care au loc în fiecare parte.

• Prima fază: Plăcuța condensatorului, încărcată pozitiv, începe să se descarce, dând un curent circuitului. În acest moment, curentul curge de la sarcina pozitivă la negativă, trecând prin bobină. Din această cauză, în circuit apar oscilații electromagnetice. Curentul, care trece prin bobină, trece pe a doua placă și o încarcă pozitiv (în timp ce prima placă cu care curentul se deplasează este încărcat negativ).
• A doua fază: se produce un proces invers. Curentul trece de la placa pozitivă (care a fost negativă la început) la cea negativă, trecând prin bobină din nou. Și toate acuzațiile intră.

Ciclul se repetă până la încărcarea condensatorului. Într-un circuit rezonant ideală acest proces este infinit, iar pierderea de putere reală este inevitabilă datorită diferiților factori: incalzirea care se produce din cauza existenței rezistenței în circuitul (caldura Joule), și altele asemenea.

Opțiuni de design contur

În plus față de simple circuite „bobina-condensator“ și „bobina-rezistor-condensator“, există și alte opțiuni, folosind ca un circuit de bază de oscilație. Acest lucru, de exemplu, un circuit paralel care este caracterizat prin aceea că există un circuit de elementul (deoarece așa cum există ea singur, ar fi un circuit serie și care a fost discutat în articol).

Există și alte tipuri de construcții, inclusiv componente electrice diferite. De exemplu, puteți conecta un tranzistor la rețea, care va deschide și închide circuitul cu o frecvență egală cu frecvența oscilațiilor din circuit. Astfel, în sistem sunt stabilite oscilații nesimetrice.

Unde este aplicat circuitul oscilator?

Aplicația cea mai cunoscută a componentelor conturului este electromagneții. Acestea, la rândul lor, sunt utilizate în uși, motoare electrice, senzori și în multe alte zone mai puțin obișnuite. O altă aplicație este oscilatorul. De fapt, această utilizare a circuitului este foarte familiară pentru noi: în această formă este utilizată în cuptorul cu microunde pentru a crea unde și în comunicații mobile și radio pentru a transfera informații pe o distanță. Toate acestea se datorează faptului că oscilațiile undelor electromagnetice pot fi codificate astfel încât să se poată transmite informații pe distanțe lungi.

Inductorul poate fi utilizat ca element al unui transformator: două bobine cu un număr diferit de înfășurări pot transmite încărcătura lor printr-un câmp electromagnetic. Dar, deoarece caracteristicile solenoidelor sunt diferite, valorile curente din cele două circuite la care sunt conectate aceste două inductoare vor fi diferite. Astfel, este posibil să se transforme un curent cu o tensiune, de exemplu, de 220 volți, într-un curent de 12 volți.

concluzie

Am dezasamblat în detaliu principiul funcționării circuitului oscilator și a fiecăruia dintre ele separate. Am aflat că circuitul oscilator este un dispozitiv conceput pentru a crea unde electromagnetice. Totuși, acestea sunt doar fundamentele mecanicii complexe a acestor elemente, aparent simple. Puteți afla mai multe despre subtilitățile circuitului și componentele sale din literatura de specialitate.