Az oszcillációs áramkör elektromágneses rezgések generálására (létrehozására) tervezett eszköz. Megalakulásától napjainkig a tudomány és a technológia számos területén használták: a mindennapi élettől a termékek széles választékát előállító hatalmas gyárakig.
Miből van?
Az oszcillációs áramkör egy tekercsből és egy kondenzátorból áll. Ezenkívül tartalmazhat ellenállást is (változó ellenállású elem). Az induktor (vagy mágnesszelep, ahogy néha nevezik) egy rúd, amelyre több réteg tekercs van feltekerve, amely általában egy rézhuzal. Ez az elem az, amely rezgéseket hoz létre az oszcillációs áramkörben. A középen lévő rudat gyakran fojtónak vagy magnak, a tekercset pedig mágnesszelepnek nevezik.
Az oszcilláló áramkör tekercs csak akkor rezeg, ha van tárolt töltés. Amikor az áram áthalad rajta, töltést halmoz fel, amit aztán lead az áramkörnek, ha a feszültség csökken.
A tekercs vezetékeinek általában nagyon kicsi az ellenállása, amely mindig állandó marad. Az oszcilláló áramkör áramkörében nagyon gyakran fordul elő feszültség- és áramváltozás. Erre a változtatásra bizonyos matematikai törvények vonatkoznak:
-
U=U0cos(w(t-t0), ahol
U az aktuális feszültség t időpont, U0 - feszültség a t időpontban 0, w- - frekvencia elektromágneses rezgések.
Az áramkör másik szerves része az elektromos kondenzátor. Ez egy olyan elem, amely két lemezből áll, amelyeket dielektrikum választ el egymástól. Ebben az esetben a lemezek közötti réteg vastagsága kisebb, mint a méretük. Ez a kialakítás lehetővé teszi, hogy elektromos töltést halmozzon fel a dielektrikumon, amely azután átvihető az áramkörbe.
A kondenzátor és az akkumulátor között az a különbség, hogy elektromos áram hatására nem az anyagok átalakulnak, hanem a töltés közvetlen felhalmozódása az elektromos térben. Így egy kondenzátor segítségével kellően nagy töltést lehet felhalmozni, amit egyszerre is ki lehet adni. Ebben az esetben az áramerősség erősen megnő az áramkörben.
Az oszcillációs áramkör még egy elemből áll: egy ellenállásból. Ez az elem ellenállással rendelkezik, és az áramkörben lévő áram és feszültség szabályozására szolgál. Ha az ellenállás ellenállását állandó feszültség mellett növeljük, akkor az áramerősség a törvény szerint csökkenOma:
-
I=U/R, ahol
I az áramerősség, U a feszültség, R az ellenállás.
Induktor
Nézzük meg közelebbről az induktor összes finomságát, és értsük meg jobban az oszcillációs áramkörben betöltött funkcióját. Mint már említettük, ennek az elemnek az ellenállása nullára hajlik. Így egy egyenáramú áramkörhöz csatlakoztatva rövidzárlat lépne fel. Ha azonban a tekercset váltóáramú áramkörhöz csatlakoztatja, az megfelelően működik. Ebből arra következtethet, hogy az elem ellenállást biztosít a váltakozó árammal szemben.
De miért történik ez, és hogyan keletkezik az ellenállás váltakozó árammal? A kérdés megválaszolásához olyan jelenséghez kell fordulnunk, mint az önindukció. Amikor az áram áthalad a tekercsen, elektromotoros erő (EMF) keletkezik benne, ami akadályt képez az áram megváltoztatása előtt. Ennek az erőnek a nagysága két tényezőtől függ: a tekercs induktivitásától és az áramerősség időhöz viszonyított deriváltjától. Matematikailag ezt a függést a következő egyenlet fejezi ki:
-
E=-LI'(t), ahol
E az EMF-érték, L a tekercs induktivitásának értéke (minden tekercsnél eltérő és attól függ a tekercs tekercseinek számáról és azok vastagságáról), I'(t) - az áramerősség deriváltja az idő függvényében (az áramerősség változási sebessége).
Az egyenáram erőssége nem változik az idő múlásával, így nincs ellenállás, ha ki van téve annak.
De váltóáram esetén minden paramétere folyamatosan változik egy szinuszos vagy koszinuszos törvény szerint,ennek eredményeként egy EMF keletkezik, amely megakadályozza ezeket a változásokat. Az ilyen ellenállást induktívnak nevezik, és a következő képlettel számítják ki:
- XL =wL
A mágnesszelepben lévő áram lineárisan növekszik és csökken a különböző törvények szerint. Ez azt jelenti, hogy ha leállítja a tekercs áramellátását, az egy ideig tovább tölti az áramkört. És ha egyidejűleg az áramellátás hirtelen megszakad, akkor sokk keletkezik annak a ténynek köszönhetően, hogy a töltés megpróbálja elosztani és kilép a tekercsből. Ez komoly probléma az ipari termelésben. Ilyen hatás (bár nem teljesen az oszcillációs áramkörhöz köthető) figyelhető meg például a dugónak a konnektorból való kihúzásakor. Ugyanakkor egy szikra ugrik, amely ilyen léptékben nem képes ártani az embernek. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a mágneses tér nem tűnik el azonnal, hanem fokozatosan disszipál, áramot indukálva más vezetőkben. Ipari méretekben az áramerősség sokszorosa a nálunk megszokott 220 V-nak, így egy áramkör megszakadásakor a termelésben olyan erősségű szikrák keletkezhetnek, amelyek sok kárt okoznak a növénynek és az embernek egyaránt.
A tekercs az alapja annak, amiből az oszcilláló áramkör áll. A soros mágnesszelepek induktivitása összeadódik. Ezután közelebbről megvizsgáljuk ennek az elemnek a szerkezetének minden finomságát.
Mi az induktivitás?
A rezgőkör tekercsének induktivitása egy egyedi mutató, amely számszerűen egyenlő az áramkörben fellépő elektromotoros erővel (voltban), amikorAz áramerősség 1 A-rel változik 1 másodperc alatt. Ha a mágnesszelep egyenáramú áramkörhöz van csatlakoztatva, akkor annak induktivitása az áram által létrehozott mágneses mező energiáját írja le a következő képlet szerint:
-
W=(LI2)/2, ahol
W a mágneses tér energiája.
Az induktivitástényező sok tényezőtől függ: a mágnesszelep geometriájától, a mag mágneses jellemzőitől és a huz altekercsek számától. Ennek a mutatónak egy másik tulajdonsága, hogy mindig pozitív, mert azok a változók, amelyektől függ, nem lehetnek negatívak.
Az induktivitás úgy is meghatározható, mint az áramvezető vezeték azon tulajdonsága, hogy energiát tárol a mágneses térben. Henryben mérik (a Joseph Henry amerikai tudósról kapta a nevét).
A szolenoidon kívül az oszcillációs áramkör egy kondenzátorból áll, erről később lesz szó.
Elektromos kondenzátor
Az oszcillációs áramkör kapacitását az elektromos kondenzátor kapacitása határozza meg. A megjelenéséről fentebb írtunk. Most pedig elemezzük a benne lejátszódó folyamatok fizikáját.
Mivel a kondenzátorlemezek vezetőből készülnek, elektromos áram áramolhat át rajtuk. A két lemez között azonban van egy akadály: egy dielektrikum (lehet levegő, fa vagy más nagy ellenállású anyag. Mivel a töltés nem tud a vezeték egyik végéről a másikra mozogni, felhalmozódik a vezetéken. kondenzátorlemezek Ez növeli a körülötte lévő mágneses és elektromos mezők erejét.a lemezeken felgyülemlett elektromosság elkezd átkerülni az áramkörbe.
Minden kondenzátor névleges feszültsége optimális a működéséhez. Ha ezt az elemet hosszú ideig a névleges feszültség feletti feszültségen üzemeltetik, az élettartama jelentősen csökken. Az oszcillációs áramköri kondenzátort folyamatosan áramok befolyásolják, ezért kiválasztásakor nagyon óvatosnak kell lennie.
A szokásos kondenzátorokon kívül, amelyekről szó volt, vannak ionisztorok is. Ez egy összetettebb elem: az akkumulátor és a kondenzátor keresztezéseként írható le. A szerves anyagok általában dielektrikumként szolgálnak egy ionisztorban, amelyek között elektrolit található. Együtt kettős elektromos réteget hoznak létre, amely lehetővé teszi, hogy ebben a kialakításban sokszor több energia halmozódjon fel, mint egy hagyományos kondenzátorban.
Mekkora a kondenzátor kapacitása?
A kondenzátor kapacitása a kondenzátor töltésének és a kondenzátor feszültségének aránya. Ezt az értéket nagyon egyszerűen kiszámíthatja a matematikai képlet segítségével:
-
C=(e0S)/d, ahol
e0 a dielektromos anyag permittivitása (táblázat értéke), S - a kondenzátorlemezek területe, d - a lemezek közötti távolság.
A kondenzátor kapacitásának a lemezek közötti távolságtól való függését az elektrosztatikus indukció jelensége magyarázza: minél kisebb a lemezek közötti távolság, annál erősebben hatnak egymásra (Coulomb törvénye szerint), a nagyobb a lemezek töltése és minél kisebb a feszültség. És ahogy a feszültség csökkena kapacitás értéke növekszik, mivel az alábbi képlettel is leírható:
-
C=q/U, ahol
q a töltés coulombban.
Ennek a mennyiségnek a mértékegységeiről érdemes beszélni. A kapacitást faradokban mérik. 1 farad elég nagy érték ahhoz, hogy a meglévő kondenzátorok (de nem ionisztorok) kapacitása pikofaradban (egy billió faradban) legyen mérve.
Ellenállás
A rezgőkörben lévő áram az áramkör ellenállásától is függ. És az oszcillációs áramkört alkotó két elemen kívül (tekercsek, kondenzátorok) van egy harmadik is - egy ellenállás. Ő felelős az ellenállás megteremtéséért. Az ellenállás abban különbözik a többi elemtől, hogy nagy ellenállása van, ami egyes modelleknél változtatható. Az oszcillációs áramkörben a mágneses tér teljesítményszabályozó funkcióját látja el. Több ellenállást is csatlakoztathat sorba vagy párhuzamosan, ezzel növelve az áramkör ellenállását.
Ennek az elemnek az ellenállása a hőmérséklettől is függ, ezért ügyeljen az áramkörben való működésére, mivel áram haladásakor felmelegszik.
Az ellenállás ellenállását Ohmban mérjük, és értéke a következő képlettel számítható ki:
-
R=(pl)/S, ahol
p az ellenállás anyagának fajlagos ellenállása ((Ohmmm2)/m-ben mérve);
l - ellenállás hossza (méterben);
S - metszeti terület (négyzetmilliméterben).
Hogyan kapcsoljuk össze az elérési út paramétereit?
Most közel járunk a fizikáhozaz oszcillációs áramkör működése. Idővel a kondenzátorlapok töltése egy másodrendű differenciálegyenlet szerint változik.
Ha ezt az egyenletet megoldod, több érdekes képlet következik belőle, amelyek leírják az áramkörben lezajló folyamatokat. Például a ciklikus frekvencia kifejezhető kapacitással és induktivitással.
Azonban a legegyszerűbb képlet, amely lehetővé teszi sok ismeretlen mennyiség kiszámítását, a Thomson-képlet (amelyet William Thomson angol fizikusról neveztek el, aki 1853-ban vezette le):
-
T=2p(LC)1/2.
T - az elektromágneses rezgések periódusa, L és C - az oszcillációs áramkör tekercsének induktivitása és az áramköri elemek kapacitása, p - a pi.
Q tényező
Van még egy fontos érték, ami az áramkör működését jellemzi - a minőségi tényező. Ahhoz, hogy megértsük, mi ez, olyan folyamathoz kell fordulni, mint a rezonancia. Ez egy olyan jelenség, amelyben az amplitúdó maximuma az ezt az oszcillációt támogató erő állandó értékével éri el. A rezonancia egy egyszerű példával magyarázható: ha elkezdjük a swinget a frekvenciájának ütemére nyomni, akkor az felgyorsul, és megnő az "amplitúdója". És ha kinyomod az időt, lelassulnak. A rezonancia során sok energia gyakran eloszlik. A veszteségek nagyságának kiszámítása érdekében olyan paraméterrel álltak elő, mint a minőségi tényező. Ez egy arány az aránnyal egyenlőa rendszerben lévő energiát az áramkörben egy ciklus alatt fellépő veszteségekhez.
Az áramkör minőségi tényezőjét a következő képlet számítja ki:
-
Q=(w0W)/P, ahol
w0 - rezonáns ciklikus oszcillációs frekvencia;
W - az oszcillációs rendszerben tárolt energia;
P - teljesítménydisszipáció.
Ez a paraméter egy dimenzió nélküli érték, mivel valójában a tárolt és a felhasznált energia arányát mutatja.
Mi az ideális oszcillációs áramkör
A rendszerben zajló folyamatok jobb megértése érdekében a fizikusok kidolgozták az úgynevezett ideális oszcillációs áramkört. Ez egy matematikai modell, amely az áramkört nulla ellenállású rendszerként ábrázolja. Csillapítatlan harmonikus rezgéseket hoz létre. Egy ilyen modell lehetővé teszi a kontúrparaméterek hozzávetőleges kiszámításához képleteket. Ezen paraméterek egyike a teljes energia:
W=(LI2)/2.
Az ilyen egyszerűsítések jelentősen felgyorsítják a számításokat, és lehetővé teszik az áramkör jellemzőinek adott mutatókkal történő értékelését.
Hogyan működik?
A rezgőkör teljes ciklusa két részre osztható. Most részletesen elemezzük az egyes részekben előforduló folyamatokat.
- Első fázis: A pozitív töltésű kondenzátorlemez kisülni kezd, áramot adva az áramkörnek. Ebben a pillanatban az áram pozitív töltésből negatívba megy át, áthaladva a tekercsen. Ennek eredményeként az áramkörben elektromágneses rezgések lépnek fel. áthaladó áramtekercs, a második lemezre megy, és pozitívan tölti fel (míg az első lemez, amelyről az áram folyt, negatívan töltődik).
- Második fázis: a fordított folyamat megy végbe. Az áram a pozitív lemezről (ami a legelején negatív volt) a negatívba megy át, és ismét áthalad a tekercsen. És minden vád a helyére kerül.
A ciklus addig ismétlődik, amíg töltés van a kondenzátoron. Egy ideális oszcillációs körben ez a folyamat a végtelenségig tart, de a valódiban elkerülhetetlenek az energiaveszteségek különböző tényezők miatt: melegedés, amely az áramkörben fennálló ellenállás miatt következik be (Joule-hő), és hasonlók.
Kontúrtervezési lehetőségek
Az egyszerű "tekercs-kondenzátor" és "tekercs-ellenállás-kondenzátor" áramkörök mellett vannak más lehetőségek is, amelyek oszcillációs áramkört használnak alapként. Ez például egy párhuzamos áramkör, ami abban különbözik, hogy egy elektromos áramkör elemeként létezik (mert ha külön létezne, akkor soros áramkör lenne, amiről a cikkben volt szó).
Léteznek más típusú kivitelek is, amelyek különböző elektromos alkatrészeket tartalmaznak. Például csatlakoztathat egy tranzisztort a hálózathoz, amely az áramkör oszcillációs frekvenciájával megegyező frekvenciával nyitja és zárja az áramkört. Így csillapítatlan oszcillációk jönnek létre a rendszerben.
Hol használnak oszcillációs áramkört?
Az áramköri alkatrészek legismertebb alkalmazása az elektromágnesek. Ezeket viszont kaputelefonokban, villanymotorokban,érzékelők és sok más nem túl hétköznapi területen. Egy másik alkalmazás egy oszcillációs generátor. Valójában az áramkörnek ez a felhasználása nagyon ismerős számunkra: ebben a formában a mikrohullámú sütőben hullámok keltésére, a mobil- és rádiókommunikációban pedig az információ távolságra történő továbbítására használják. Mindez annak köszönhető, hogy az elektromágneses hullámok rezgései kódolhatók oly módon, hogy lehetővé válik az információ nagy távolságra történő továbbítása.
Maga az induktor használható egy transzformátor elemeként: két különböző tekercsszámú tekercs elektromágneses tér segítségével tudja átadni a töltését. De mivel a mágnesszelepek jellemzői eltérőek, az áramjelzők abban a két áramkörben, amelyekhez ez a két induktor csatlakozik, eltérőek lesznek. Így lehetséges a mondjuk 220 V feszültségű áramot 12 V feszültségű árammá alakítani.
Következtetés
Részletesen elemeztük az oszcillációs áramkör működési elvét és minden egyes alkatrészét külön-külön. Megtudtuk, hogy az oszcillációs áramkör elektromágneses hullámok létrehozására tervezett eszköz. Ezek azonban csak az alapjai ezeknek az egyszerűnek tűnő elemek bonyolult mechanikájának. A szakirodalomból többet megtudhat az áramkör és összetevői bonyolultságáról.
