諧振電路.ppt

1、123 諧振電路,含有電感、電容和電阻元件的單口網(wǎng)絡(luò)，在某些工作頻率上，出現(xiàn)端口電壓和電流波形相位相同的情況時(shí)，稱電路發(fā)生諧振。能發(fā)生諧振的電路，稱為諧振電路。諧振電路在電子和通信工程中得到廣泛應(yīng)用。本節(jié)討論最基本的RLC串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路諧振時(shí)的特性。,一、RLC串聯(lián)諧振電路 圖1215(a)表示RLC串聯(lián)諧振電路，圖1215(b)是它的相量模型，由此求出驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗為,圖1215,其中,當(dāng) ，即 時(shí)，()=0,式中 稱為電路的固有諧振角頻率。,|Z(j)|=R,電壓u(t)與電流i(t)相位相同，電路發(fā)生諧振。也就是說，RLC串聯(lián)電路的諧振條件為,1. 諧振條件,當(dāng)電路激勵(lì)信號的頻率與諧振頻

2、率相同時(shí)，電路發(fā)生諧振。用頻率表示的諧振條件為,RLC串聯(lián)電路在諧振時(shí)的感抗和容抗在量值上相等，其值稱為諧振電路的特性阻抗，用表示，即,2. 諧振時(shí)的電壓和電流 RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振時(shí)，阻抗的電抗分量,導(dǎo)致,即阻抗呈現(xiàn)純電阻，達(dá)到最小值。若在端口上外加電壓源，則電路諧振時(shí)的電流為,電流達(dá)到最大值，且與電壓源電壓同相。此時(shí)電阻、電感和電容上的電壓分別為,其中,Q 稱為串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，其數(shù)值等于諧振時(shí)感抗或容抗與電阻之比。,從以上各式和相量圖可見，諧振時(shí)電阻電壓與電壓源電壓相等， 。電感電壓與電容電壓之和為零，即 ，且電感電壓或電容電壓的幅度為電壓源電壓幅度的Q倍，即,若Q1,則UL=U

3、CUS=UR，這種串聯(lián)電路的諧振稱為電壓諧振。,圖1216,3.諧振時(shí)的功率和能量 設(shè)電壓源電壓為uS(t)=Usmcos(0t)，則：,由于 u(t)=uL(t)+uC(t)=0 (相當(dāng)于虛短路)，任何時(shí)刻進(jìn)入電感和電容的總瞬時(shí)功率為零，即pL(t)+pC(t)=0。電感和電容與電壓源和電阻之間沒有能量交換。電壓源發(fā)出的功率全部為電阻吸收，即pS(t)=pR(t)。,電感和電容吸收的功率分別為：,電感和電容之間互相交換能量，其過程如下:當(dāng)電流減小時(shí)，電感中磁場能量WL=0.5Li2減小，所放出的能量全部被電容吸收，并轉(zhuǎn)換為電場能量，如圖12-17(a)所示。當(dāng)電流增加時(shí)，電容電壓減小，電容中

4、電場能量WC=0.5Cu2減小，所放出的能量全部被電感吸收，并轉(zhuǎn)換為磁場能量，如圖1217(b)所示。,圖1217串聯(lián)電路諧振時(shí)的能量交換,能量在電感和電容間的這種往復(fù)交換，形成電壓和電流的正弦振蕩，這種情況與 LC串聯(lián)電路由初始儲能引起的等幅振蕩相同(見第九章二階電路分析)。其振蕩角頻率 ，完全由電路參數(shù)L和C來確定。,諧振時(shí)電感和電容中總能量保持常量，并等于電感中的最大磁場能量，或等于電容中的最大電場能量，即,可以從能量的角度來說明電路參數(shù) R、L、C變化對電感和電容電壓UL= UC的影響。若電阻 R減小一半，或電感 L增加到4倍( 增加一倍)，則總能量 增加到4倍，這將造成電壓UL=UC

5、增加一倍。若電容 C減少到 l/4( Q增加一倍)， 總能量不變，而電壓UL= UC增加一倍?？傊?， R、L和 C的改變造成 變化的倍數(shù)與UL= UC變化的倍數(shù)相同。,例12-7 電路如圖12-18所示。已知 求: (l) 頻率為何值時(shí)，電路發(fā)生諧振。 (2)電路諧振時(shí), UL和UC為何值。,圖1218,解：(l)電壓源的角頻率應(yīng)為,(2)電路的品質(zhì)因數(shù)為,則,二、RLC并聯(lián)諧振電路 圖12-19(a)所示RLC并聯(lián)電路，其相量模型如圖12-19(b)所示。,圖1219,其中,驅(qū)動(dòng)點(diǎn)導(dǎo)納為,1.諧振條件,式中 稱為電路的諧振角頻率。與RLC串聯(lián)電路相同。,當(dāng) 時(shí), Y(j)=G=1/R，電壓u

6、(t)和電流i(t)同相，電路發(fā)生諧振。因此，RLC并聯(lián)電路諧振的條件是,2.諧振時(shí)的電壓和電流,RLC并聯(lián)電路諧振時(shí)，導(dǎo)納Y(j0)=G=1/R，具有最小值。若端口外加電流源 ，電路諧振時(shí)的電壓為,電路諧振時(shí)電壓達(dá)到最大值，此時(shí)電阻、電感和電容中電流為（見下頁）,其中,稱為RLC并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，其量值等于諧振時(shí)感納或容納與電導(dǎo)之比。電路諧振時(shí)的相量圖如圖12-20(b)所示。,由以上各式和相量圖可見，諧振時(shí)電阻電流與電流源電流相等 。電感電流與電容電流之和為零，即 。電感電流或電容電流的幅度為電流源電流或電阻電流的Q倍，即,并聯(lián)諧振又稱為電流諧振。,圖1220,3.諧振時(shí)的功率和能量

7、 設(shè)電流源電流iS(t)=Ismcos(0t)，則：,電感和電容吸收的瞬時(shí)功率分別為：,由于i(t)=iL(t)+iC(t)=0 (相當(dāng)于虛開路)，任何時(shí)刻進(jìn)入電感和電容的總瞬時(shí)功率為零，即pL(t)+pC(t)=0。電感和電容與電流源和電阻之間沒有能量交換。電流源發(fā)出的功率全部被電阻吸收，即pS(t)=pR(t) 。,能量在電感和電容間往復(fù)交換(圖1221)，形成了電壓和電流的正弦振蕩。其情況和 LC并聯(lián)電路由初始儲能引起的等幅振蕩相同，因此振蕩角頻率也是 ，與串聯(lián)諧振電路相同。,圖1221 并聯(lián)電路諧振時(shí)的能量交換,諧振時(shí)電感和電容的總能量保持常量，即,圖1221 并聯(lián)電路諧振時(shí)的能量交換

8、,由于并聯(lián)電路的電壓相同，即UL=UC=RIS。當(dāng)電阻R增加到2倍，或電容 C 增加到4倍( 增加一倍)時(shí)，總儲能增加到4倍，將導(dǎo)致電流IL= IC增加一倍。若電感減小到原值的l/4(Q增加一倍)，總能量 不變，而諧振時(shí)的電流IL= IC增加一倍?？傊?，由 R、L和C的改變引起 Q值變化的倍數(shù)與IL= IC變化的倍數(shù)相同。,諧振時(shí)電感和電容的總能量保持常量，即,圖1221 并聯(lián)電路諧振時(shí)的能量交換,例12-8 圖12-22(a)是電感線圈和電容器并聯(lián)的電路模型。 已知R=1, L=0.1mH, C=0.01F。試求電路的諧振 角頻率和諧振時(shí)的阻抗。,圖1222,解：根據(jù)其相量模型圖12-22(b)寫出驅(qū)動(dòng)點(diǎn)導(dǎo)納,令上式虛部為零,求得,是RLC串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)。,其中,圖1222,當(dāng)Q 1時(shí),代入數(shù)值得到,諧振時(shí)的阻抗,當(dāng)0LR 時(shí),思考與練習(xí) 12-3-l 欲提高串