 |
Котушки індуктивності. Трансформатори
|
|
|
|
Якщо порівняти індуктивність (рис.1.2.3) і конденсатор, то ми побачимо, що в індуктивності швидкість зміни струму залежить від прикладеної напруги, а в конденсаторі швидкість зміни напруги залежить від струму, що протікає.
 |
Рис. 1.2.3. УГЗ індуктивності
Рівняння індуктивності мА наступний вигляд
 |
(1.2.4)
Напруга, прикладена до котушки індуктивності, викликає зростання струму, що протікає через неї, при чому зміна струму відбувається за лінійним законом; напруга величиною 1 В, прикладена до котушки і індуктивності 1 Гн, призводить до зростання струму через котушку зі швидкістю 1 А в 1с.
Умовно котушку індуктивності зображують у вигляді декількох витків дроту – таку конструкцію має найпростіша індуктивність. Інші конструкції включають осердя, на яке намотується дріт. Матеріалом для осердя найчастіше служить залізо (пластинки, прокатані із сплавів заліза або виготовлені методами порошкової металургії) або ферит, що являє собою крихкий непровідний магнітний матеріал чорного кольору. Осердя дозволяє збільшити індуктивність котушки за рахунок магнітних властивостей матеріалу осердя. Осердя може бути виготовленим у вигляді бруска, тора або може мати яку-небудь більш чудну форму, наприклад „горщика” (описати його словами не так просто: уявіть собі форму для випічки пиріжків, яка рознімається пополам).
Котушки індуктивності знаходять найбільше застосування в радіочастотних схемах, де вони використовуються в якості високочастотних дроселів, і в резонансних схемах.
v По суті справи котушка індуктивності – це протилежність конденсатору.
v В колі змінного струму котушки індуктивності ведуть себе як резистори, опір яких зростає із збільшенням частоти.
|
|
|
Одиниці вимірювання індуктивності: Гн (Генрі); мілігенрі (мГн); мікрогенрі (мкГн).
На рисунку 1.2.4 представлені умовні графічні зображення котушок індуктивності.
|
а) б) в)
г) д) е)
Трансформатор – це пристрій, який складається із двох пов’язаних між собою котушок індуктивності, які називаються первинною і вторинною обмотками трансформатора. Для вказання початку обмоток використовують крапку.
Мережений трансформатор – трансформатор живлення електронної апаратури, призначений для роботи від мережі змінного струму.
Вихідний трансформатор – служить для узгодження вихідного повного електричного опору каскаду електронної апаратури з повним опором навантаження.
Узгоджувальний трансформатор – служить для узгодження різних повних опорів електричних ланцюгів при передачі електричних сигналів від одного каскаду до іншого.
Імпульсний трансформатор – служить для передачі, формування, перетворення і запам’ятовування імпульсних сигналів.
 | |||
| |||
а) б) в)
 |
г) д) е)
Трансформатор володіє досить високим коефіцієнтом корисної дії (потужність на його виході майже дорівнює потужності на вході); в зв’язку з цим підвищуючий трансформатор забезпечує ріст напруги при зменшенні струму. Трансформатор з відношенням числа витків обмоток рівним n змінює повний опір в n2 раз. Якщо вторинна обмотка не навантажена, то в первинній протікає дуже невеликий струм.
|
|
|
В електронних приладах трансформатори виконують дві важливі функції: по-перше, вони перетворюють напругу змінного струму мережі до потрібного, зазвичай більш низького значення, яке можна використати в схемі, і, по-друге, вони „ізолюють” електронну схему від безпосереднього контакту з силовою мережею, так як обмотки трансформатора електричноізольовані між собою.
На рисунку 1.2.5. представлені умовні графічні зображення деяких видів трансформаторів.
Коливальні контури
Коливальний контур – найпростіша частотно-залежне коло, яке складається з котушки індуктивності L і конденсатора С.
Для отримання в контурі електричних коливань необхідно спочатку повідомити конденсатору початковий запас енергії, тобто зарядити його. Для цього в схемі (рис. 1.2.6) перемикач SA поставимо в положення 1, внаслідок чого конденсатор С зарядиться до напруги батареї Uм, а в електричному полі між обкладинками конденсатора запасеться енергія
(1.2.5)
Якщо тепер поставимо перемикач в положення 2, то конденсатор стане замкненим на котушку і почне розряджатися. Через котушку пройде струм, який створить навколо неї магнітне поле. Напруга на конденсаторі при розряді зменшиться, а струм в котушці поступово буде зростати. Це означає, що енергія, що була накопичена в електричному полі конденсатора, поступово зменшується і перетворюється в енергію магнітного поля котушки. В той момент, коли струм розряду досягне максимального значення, енергія магнітного поля котушки буде дорівнювати
(1.2.6)
В цей момент конденсатор повністю розрядиться і напруга на ньому впаде до нуля. Далі струм в контурі почне зменшуватися, що призведе до зменшення енергії магнітного поля котушки. При цьому за законом Ленца в котушці виникає ЕРС самоіндукції, яка підтримує струм, що зменшується.
Цей струм знову зарядить конденсатор, але полярність напруги на обкладинках виявиться протилежною порівняно з попереднім випадком. В процесі перезарядки конденсатора відбувається перехід енергії магнітного поля котушки в енергію електричного поля конденсатора. В той момент, коли струм впаде до нуля, напруга на конденсаторі досягне початкової величини. Після цього конденсатор почне розряджатися в протилежному напрямі і процес обміну енергією між конденсатором і котушкою буде повторюватися.
|
|
|
Характер зміни напруги на конденсаторі і струму в контурі ілюструє рис. 1.2.7.
U, I
1 2
U
I
SA
+
С
Uм L t1 t2 t3 t4 t
-
Т
Рис. 1.2.6. Коливальний контур Рис. 1.2.7. Графіки напруги і струму в контурі
Таким чином, в контурі проходить періодичний коливальний процес переходу енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного поля котушки і навпаки. Такий процес називається процесом електромагнітних коливань.
v 
Коливання, які проходять в контурі при відсутності в ньому джерела змінної ЕРС, називають вільними коливаннями.
v Частоту вільних коливань визначають величини L і С контуру таким чином, що чим більші ємність і індуктивність контуру, тим нижча частота його власних коливань.
Період Т0 вільних коливань (час, на протязі якого здійснюється повний цикл обміну енергією) визначають за формулою
(1.2.7)
Число коливань в секунду називають частотою
(1.2.8)
Амплітудне значення струму в контурі
 |
(1.2.9)
 |
де - хвильовий опір контуру.
Кругова частота вільних коливань в контурі
(1.2.10)
Процес вільних коливань в контурі міг би продовжуватись нескінченно довго, якби контур складався лише із ємності і індуктивності. Практично в будь-якому реальному контурі коливання достатньо швидко затухають, так як при кожному переході енергії із конденсатора в котушку і навпаки частина її витрачається на активний опір провідників, в діелектрику конденсатора, а також в результаті розсіювання електромагнітної енергії в навколишнє середовище. Тому процес вільних коливань в контурі є затухаючим.
Якщо контур підключити до генератора змінного струму, то при цьому в контурі будуть виникати незатухаючі коливання, які називаються вимушеними, так як їх частота задається частотою зовнішнього генератора.
Генератор змінного струму можна підімкнути до контуру двома способами: послідовно з елементами контуру L, C i R і паралельно їм. В першому випадку контур називають послідовним, а в другому – паралельним.
|
|
|
Послідовний коливальний контур
Необхідно відмітити, що хоча активний опір втрат R розподілений по всьому контуру, на рис. 1.2.8 він показаний як самостійний зосереджений елемент, до якого віднесені всі втрати енергії.
UL
E
C Рис. 1.2.8. Послідовний коливальний контур
R
UR
Найбільшому значенню струму в контурі відповідає умова
 |
(1.2.11)
В цьому випадку струм в контурі
(1.2.12)
Частота генератора, яка відповідає максимальному значенню струму в контурі
або (1.2.13)
Порівнюючи вирази 1.2.10 і 1.2.13, легко замітити, що частота генератора ω, яка відповідає максимальному значенню струму в контурі, співпадає з частотою власних коливань контуру ω0. Це явище називають резонансом.
v При резонансі послідовний контур є для генератора найменним, чисто активним опором, який дорівнює за величиною опору контуру.
v При резонансі змінна напруга на конденсаторі і на котушці може в багато раз перевищувати за величиною прикладену до контуру ЕРС.
v Резонанс в послідовному контурі називають резонансом напруг.
Паралельний коливальний контур
Схема підключення генератора до паралельного коливального контуру показана на рис. 1.2.9.
v 
Явище в паралельному контурі, при якому струм в нерозгалуженій частині кола має найменше значення, а по фазі співпадає з напругою генератора, називають резонансом струмів.
v В момент резонансу контур виявляє генератору найбільший і при цьому чисто активний за своїм характером опір.
 |
Ізаг
L ІL IC
E C
R Рис. 1.2.8. Паралельний коливальний контур
Як і при резонансі напруг, умовою резонансу струмів є рівність 
, тобто резонанс струмів спостерігається в коливальному контурі тоді, коли частота генератора дорівнює частоті власних коливань контуру 
.
v 
Резонансний опір паралельного контуру залежить від добротності контуру 
: чим вона вища, тим більший резонансний опір.
v При резонансі в паралельному контурі струм в кожній із його віток наближено в Q раз перевищує струм в нерозгалуженій частині кола.
В електронних схемах явище резонансу струмів використовується дуже часто. Практично в більшості випадків паралельний контур використовують як опір навантаження в вихідному колі підсилювального елемента вибіркового підсилювача. Сам підсилювальний елемент в цьому випадку може розглядатися як генератор, який має визначений внутрішній опір.
|
|
|
