Czech Technical University in Prague Faculty of Electrical Engineering. Fakulta elektrotechnická. České vysoké učení technické v Praze.



Podobné dokumenty
3. Kmitočtové charakteristiky

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

Fázorové diagramy pro ideální rezistor, skutečná cívka, ideální cívka, skutečný kondenzátor, ideální kondenzátor.

Harmonický průběh napětí a proudu v obvodu

Přechodné děje 2. řádu v časové oblasti

1 U Zapište hodnotu časové konstanty derivačního obvodu. Vyznačte měřítko na časové ose v uvedeném grafu.

Základy elektrotechniky (ZELE)

Kapacita, indukčnost; kapacitor-kondenzátor, induktor-cívka

6. Střídavý proud Sinusových průběh

Vítězslav Stýskala, Jan Dudek. Určeno pro studenty komb. formy FBI předmětu / 06 Elektrotechnika

Mějme obvod podle obrázku. Jaké napětí bude v bodech 1, 2, 3 (proti zemní svorce)? Jaké mezi uzly 1 a 2? Jaké mezi uzly 2 a 3?

Czech Technical University in Prague Faculty of Electrical Engineering. Fakulta elektrotechnická. České vysoké učení technické v Praze

9.1 Přizpůsobení impedancí

Účinky měničů na elektrickou síť

Rezistor je součástka kmitočtově nezávislá, to znamená, že se chová stejně v obvodu AC i DC proudu (platí pro ideální rezistor).

Czech Technical University in Prague Faculty of Electrical Engineering. České vysoké učení technické v Praze. Fakulta elektrotechnická

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Interakce ve výuce základů elektrotechniky

Frekvenční charakteristiky

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Jednoduché rezonanční obvody

Cvičení 11. B1B14ZEL1 / Základy elektrotechnického inženýrství

DIGITÁLNÍ UČEBNÍ MATERIÁL

Obrázek 1 schéma zapojení měřícího přípravku. Obrázek 2 realizace přípravku

FYZIKA II. Petr Praus 10. Přednáška Elektromagnetické kmity a střídavé proudy (pokračování)

13 Měření na sériovém rezonančním obvodu

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2) Přednáška 1

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka

HARMONICKÝ USTÁLENÝ STAV - FÁZOR, IMPEDANCE

Výkon střídavého proudu, účiník

1.1. Základní pojmy 1.2. Jednoduché obvody se střídavým proudem

ČVUT FEL. Obrázek 1 schéma zapojení měřícího přípravku. Obrázek 2 realizace přípravku

ELEKTROTECHNIKA 2 TEMATICKÉ OKRUHY

Základy elektrotechniky a výkonová elektrotechnika (ZEVE)

Grafické zobrazení frekvenčních závislostí

ELEKTRONIKA. Maturitní témata 2018/ L/01 POČÍTAČOVÉ A ZABEZPEČOVACÍ SYSTÉMY

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Fázory, impedance a admitance

Obvod střídavého proudu s kapacitou

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Fyzikální praktikum 3 Operační zesilovač

PŘEDNÁŠKA 1 - OBSAH. Přednáška 1 - Obsah

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

1 U. 33. Zapište hodnotu časové konstanty derivačního obvodu. Vyznačte měřítko na časové ose.

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

U1, U2 vnější napětí dvojbranu I1, I2 vnější proudy dvojbranu

Identifikátor materiálu: VY_32_INOVACE_352

Jaký význam má kritický kmitočet vedení? - nejnižší kmitočet vlny, při kterém se vlna začíná šířit vedením.

Hlavní parametry rádiových přijímačů

Laboratorní měření 1. Seznam použitých přístrojů. Popis měřicího přípravku

Identifikátor materiálu: VY_32_INOVACE_351

Obvod střídavého proudu s indukčností

Zadané hodnoty: R L L = 0,1 H. U = 24 V f = 50 Hz

ELEKTROTECHNIKA A INFORMATIKA

(s výjimkou komparátoru v zapojení č. 5) se vyhněte saturaci výstupního napětí. Volte tedy

Pracovní třídy zesilovačů

Měření závislosti indukčnosti cívky (Distribuce elektrické energie - BDEE)

Harmonický ustálený stav pokyny k měření Laboratorní cvičení č. 1

Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů FS

I. STEJNOSMĚ RNÉ OBVODY

4 DIELEKTRICKÉ OBVODY ZÁKLADNÍ POJMY DIELEKTRICKÝCH OBVODŮ Základní veličiny a zákony Sériový a paralelní

Přechodné děje 1. řádu v časové oblasti

STŘÍDAVÝ PROUD POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

LC oscilátory s nesymetrickým můstkem II

Elektromagnetické pole, vlny a vedení (A2B17EPV) PŘEDNÁŠKY

Elektromagnetický oscilátor

9 Impedanční přizpůsobení

Základní otázky ke zkoušce A2B17EPV. České vysoké učení technické v Praze ID Fakulta elektrotechnická

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

ELEKTROMAGNETICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Rezonanční obvod jako zdroj volné energie

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

=2πf. i(t)=im.sin(ωt)

2. STŘÍDAVÉ JEDNOFÁZOVÉ OBVODY

Měření pilového a sinusového průběhu pomocí digitálního osciloskopu

Pokud není uvedeno jinak, uvedený materiál je z vlastních zdrojů autora

Praktické výpočty s komplexními čísly (především absolutní hodnota a fázový úhel) viz např. vstupní test ve skriptech.

Elektromechanický oscilátor

OPERA Č NÍ ZESILOVA Č E

Obvodové prvky a jejich

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Digitální učební materiál

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Základy elektrotechniky

Datum měření: , skupina: 9. v pondělí 13:30, klasifikace: Abstrakt

LC oscilátory s transformátorovou vazbou

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Zesilovače. Ing. M. Bešta

Vektorové obvodové analyzátory

VÝKON V HARMONICKÉM USTÁLENÉM STAVU

Hrozba nebezpečných rezonancí v elektrických sítích. Ing. Jaroslav Pawlas ELCOM, a.s. Divize Realizace a inženýrink

MECHANICKÉ KMITÁNÍ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 3.A

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

Základní elektronické obvody

Operační zesilovač (dále OZ)

Ekvivalence obvodových prvků. sériové řazení společný proud napětí na jednotlivých rezistorech se sčítá

Transkript:

Nejprve několik fyzikálních analogií úvodem Rezonance Rezonance je fyzikálním jevem, kdy má systém tendenci kmitat s velkou amplitudou na určité frekvenci, kdy malá budící síla může vyvolat vibrace s velkou amplitudou. Důvodem je akumulace energie, kdy zdroj postupně dodává další a další energii a tlumení systému je malé; ke vzniku kmitů musí být v systému dva různé druhy energie, např. potenciální a kinetická (kyvadlo, houpačka), nebo elektrická a magnetická v elektrických obvodech. Rezonance je podstatou většiny hudebních nástrojů. Někdy může mít rezonance destruktivní účinky známé je rozbití sklenice zvukem určité frekvence. Zásadním pojmem je rezonance v architektuře. Nesprávně navržené stavby se mohou zhroutit. Příkladem může být např. Angerský most, který se zhroutil v roce 1850, kdy ho rozkmitali pochodující francouzští vojáci. Jiným příkladem je zhroucení amerického Tacoma Narrows Bridge (1940), kde byl most rozkmitán větrem vanoucím konstantní rychlostí (!!!) iniciátorem kmitů byly větrné víry (aeroelastický flutter). Autentický záběr z filmu The Tacoma Narrows Bridge Collapse V elektrických obvodech se s rezonancí setkáme např. ve filtrech, nebo u kompenzace účiníku (účiník 100%)

V následujícím budeme studovat sériový RLC obvod, kde R = 10 Ω, L = 1 H, C = 1 µf, pokud nebude uvedeno jinak. Impedance obvodu je: Amplituda impedance je: Amplituda impedance je frekvenčně závislá (stejně, jako fáze), s ostrým minimem na frekvenci 1000 s -1. Z [Ω] 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 Pro toto minimum platí podmínka: 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 ω [rad s -1 ] Impedance je na této frekvenci reálná U1 R L C

Z této podmínky (a nebo derivací impedance podle frekvence) můžeme určit podmínku: Thomsonův vzorec: I [A] Tento vzorec určuje rezonanční frekvenci sériového RLC obvodu (pozor, není univerzální pro libovolný obvod!) Porovnejme frekvenční závislost amplitudy proudu, a napětí: 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 ω [rad s -1 ] Zeleně je napětí na kapacitoru. Červeně napětí na induktoru. Modře napětí na rezistoru. Obě osy jsou logaritmické, jednotky na vertikální ose jsou db, tedy Je-li U 1 = 1 V, pak 40 db 100 V.

Jak je možné, že napětí na kapacitoru a induktoru je větší, nežli napětí zdroje? Napětí na kapacitoru a na induktoru kmitá v protifázi, takže se vzájemně odečtou napětí na rezistoru je tak stejné, jako napětí zdroje Tento typ rezonance se nazývá napěťová rezonance Amplituda napětí na kapacitoru a induktoru může být mnohonásobně větší, nežli amplituda napětí zdroje Podmínka napěťové rezonance: Aby obvod rezonoval, musí obsahovat alespoň dva reaktanční prvky ale ne 2 kapacitory, nebo 2 induktory; k vzájemné výměně energie to musí být L i C Fázorové diagramy: Î Û R Û Û L Û C Î Û L Û R =Û Û C Î Û Û R Û L Û C

Obvod ale není v ustáleném stavu okamžitě amplituda roste postupně, doba ustálení je nepřímo úměrná Čím menší je odpor, tím déle trvá ustálení obvodu. Vzpomeňte na první přednášku pokud ideální induktor připojíme k ideálnímu zdroji napětí, měl by jím (v ustáleném stavu!) protékat nekonečně velký proud. Proud induktorem, podle indukčního zákona, roste lineárně. Proud (a tedy i napětí) nemohou proto dosáhnout své maximální hodnoty (kterou určuje odpor) okamžitě. Protože je impedance sériového RLC obvodu v rezonanci reálná, rovna odporu R, odpor je prvkem, který omezuje proud, tekoucí obvodem napětí na kapacitoru a induktoru jsou dány jejich reaktancí menší R znamená větší napětí na C a L.

Ne každý sériový RLC obvod je rezonanční. Kromě přítomnosti reaktančních prvků obou typů je druhou nutnou podmínkou vzniku rezonančních kmitů dostatečně malé tlumení tedy elektrický odpor. Rezonanční RLC obvod poznáme také tak, že po připojení stejnosměrného zdroje kmitá kvaziperiodickými (exponenciálně tlumenými) kmity je opět ovlivněno velikostí tlumení elektrického odporu. Činitel jakosti Mezi nejdůležitější aplikace rezonančních obvodů patří frekvenční filtry. Například v ladících jednotkách rozhlasových přijímačů a TV musí být filtr pásmová propust, která propustí pouze frekvenci naladěné stanice a ostatní zadrží. Takový filtr musí mít co nejužší a nejstrmější frekvenční charakteristiku, aby dále nepronikaly frekvence ostatních stanic. V případě rezonančního LC filtru tedy co největší napětí U L, U C. Čím vyšší je toto napětí, tím je filtr kvalitnější. Tak je definován činitel jakosti pro napěťovou rezonanci jako: Protože napětí v rezonanci můžeme vyjádřit: Můžeme činitel jakosti definovat jedním ze vzorců: Maximální (kritický) odpor, se kterým se obvod ještě chová jako rezonanční:

Rezonanční křivka Pokud normalizujeme proud, tekoucí obvodem, bude: Vzhledem k tomu, že frekvence v rovnici může být libovolná, nejenom rezonanční, zavedeme relativní frekvenci 0-20 -40 0.1 s 1 1 s 2 10 s Pokles o 3 db

Rezonanční křivka je tím užší (a vyšší), čím je větší činitel jakosti. Matematicky můžeme šířku rezonanční křivky vyjádřit: Na následujícím obrázku jsou zobrazeny rezonanční křivky pro Q = 10, Q = 50 a Q = 100 0-20 -40 Q=100 Q=10 Q=50-60 0.1 1 s 10

Paralelní rezonanční obvod proudová rezonance V sériovém RLC obvodu jsme studovali tzv. napěťovou rezonanci. Proudová rezonance se nejlépe vysvětluje na ideálním (bohužel ale fyzikálně nerealizovatelném) paralelním RLC obvodu, viz obrázek: Napětí na všech obvodových prvcích je stejné; proudy, tekoucí jednotlivými prvku se ale mohou lišit. Pokud jsou v obvodu přítomny reaktanční prvky obou druhů (elektrické i magnetické pole C i L), mohou si opět vzájemně vyměňovat energii poroste elektrický proud, který jimi teče (a akumulovaná energie). Vztah mezi jednotlivými proudy popisují fázorové diagramy: Î R Platí tedy: Jelikož: Î Î L Î C Û Î R =Î Î L Î C Û, oba proudy jsou ale vzájemně posunuty o 180º, takže se vzájemně odečtou. Î a rezonanční frekvence ideálního paralelního RLC obvodu bude: Î R Î L Î C Û I1

V rezonanci tedy platí pro admitanci: Činitel jakosti je v tomto případě definován poměrem proudů: K proudové rezonanci dochází v obvodu, který je napájený z proudového zdroje Na rozdíl od napěťové rezonance, činitel jakosti je tím vyšší, čím větší je odpor rezistoru Při napájení ze zdroje napětí k žádnému efektu akumulace energie nedochází (zdroj napětí to nedovolí): Napájení ze zdroje napětí Napájení ze zdroje proudu

Ve skutečnosti je ale takový ideální obvod nerealizovatelný. Skutečný paralelní rezonanční obvod je na obrázku: Fázový posun mezi proudy, které tečou induktorem a kapacitorem je menší, nežli 180º. Admitance (a tedy impedance) je reálná (podmínka rezonance) Rezonanční frekvence již není určena Thomsonovým vztahem: Odpor rezistoru by na rozdíl od ideálního paralelního RLC rezonančního obvodu měl být co možná nejmenší Thomsonův vztah je pouze specielní případ, u složitějších obvodů je potřeba rezonanční frekvence odvodit z podmínky rezonance Obvod, který má více reaktančních prvků může mít více různých rezonančních frekvencí Definice činitele jakosti jako poměru napětí nebo proudů u složitějších obvodů selhává (již u reálného paralelního RLC obvodu nejsou proudy, tekoucí kapacitorem a induktorem stejné), univerzální je energetická definice: