Oscilačný obvod je zariadenie určené na generovanie (vytváranie) elektromagnetických oscilácií. Od svojho vzniku až po súčasnosť sa používa v mnohých oblastiach vedy a techniky: od každodenného života až po obrovské továrne vyrábajúce širokú škálu produktov.
Z čoho je vyrobený?
Oscilačný obvod pozostáva z cievky a kondenzátora. Okrem toho môže obsahovať aj rezistor (prvok s premenlivým odporom). Induktor (alebo solenoid, ako sa niekedy nazýva) je tyč, na ktorej je navinutých niekoľko vrstiev vinutia, čo je spravidla medený drôt. Práve tento prvok vytvára oscilácie v oscilačnom obvode. Tyč v strede sa často nazýva tlmivka alebo jadro a cievka sa niekedy nazýva solenoid.
Cievka oscilačného obvodu osciluje iba vtedy, keď je uložený náboj. Keď ním prechádza prúd, akumuluje náboj, ktorý potom pri poklese napätia odovzdá obvodu.
Drôty cievky majú zvyčajne veľmi malý odpor, ktorý vždy zostáva konštantný. V obvode oscilačného obvodu veľmi často dochádza k zmene napätia a prúdu. Táto zmena podlieha určitým matematickým zákonom:
-
U=U0cos(w(t-t0), kde
U je aktuálne napätie bod v čase t, U0 - napätie v čase t0, w - frekvencia elektromagnetické oscilácie.
Ďalšou integrálnou súčasťou obvodu je elektrický kondenzátor. Ide o prvok pozostávajúci z dvoch dosiek, ktoré sú oddelené dielektrikom. V tomto prípade je hrúbka vrstvy medzi doskami menšia ako ich veľkosti. Tento dizajn vám umožňuje akumulovať elektrický náboj na dielektriku, ktorý sa potom môže preniesť do obvodu.
Rozdiel medzi kondenzátorom a batériou je v tom, že nedochádza k premene látok pôsobením elektrického prúdu, ale k priamej akumulácii náboja v elektrickom poli. Pomocou kondenzátora je teda možné naakumulovať dostatočne veľký náboj, ktorý je možné rozdať naraz. V tomto prípade sa sila prúdu v obvode výrazne zvýši.
Oscilačný obvod sa skladá ešte z jedného prvku: rezistora. Tento prvok má odpor a je určený na riadenie prúdu a napätia v obvode. Ak sa odpor odporu zvýši pri konštantnom napätí, prúdová sila sa zníži podľa zákonaOma:
-
I=U/R, kde
I je prúd, U je napätie, R je odpor.
Induktor
Pozrime sa bližšie na všetky jemnosti induktora a lepšie pochopíme jeho funkciu v oscilačnom obvode. Ako sme už povedali, odpor tohto prvku má tendenciu k nule. Pri pripojení k jednosmernému obvodu by teda došlo ku skratu. Ak však cievku pripojíte k obvodu striedavého prúdu, funguje správne. To vám umožní dospieť k záveru, že prvok ponúka odolnosť voči striedavému prúdu.
Prečo sa to však deje a ako vzniká odpor pri striedavom prúde? Aby sme odpovedali na túto otázku, musíme sa obrátiť na taký jav, ako je samoindukcia. Pri prechode prúdu cievkou v nej vzniká elektromotorická sila (EMF), ktorá vytvára prekážku pri zmene prúdu. Veľkosť tejto sily závisí od dvoch faktorov: od indukčnosti cievky a od derivácie sily prúdu vzhľadom na čas. Matematicky je táto závislosť vyjadrená rovnicou:
-
E=-LI'(t), kde
E je hodnota EMF, L je hodnota indukčnosti cievky (pre každú cievku je iná a závisí na počte cievok vinutia a ich hrúbke), I'(t) - derivácia sily prúdu v závislosti od času (miera zmeny sily prúdu).
Sila priameho prúdu sa časom nemení, takže pri vystavení nekladie žiadny odpor.
Pri striedavom prúde sa však všetky jeho parametre neustále menia podľa sínusového alebo kosínusového zákona,v dôsledku toho vzniká EMP, ktoré zabraňuje týmto zmenám. Takýto odpor sa nazýva indukčný a vypočíta sa podľa vzorca:
- XL =wL
Prúd v solenoide lineárne rastie a klesá podľa rôznych zákonov. To znamená, že ak zastavíte prívod prúdu do cievky, bude ešte nejaký čas nabíjať obvod. A ak súčasne dôjde k náhlemu prerušeniu dodávky prúdu, dôjde k šoku v dôsledku skutočnosti, že náboj sa pokúsi rozložiť a opustiť cievku. Toto je vážny problém v priemyselnej výrobe. Takýto efekt (aj keď nesúvisí celkom s oscilačným obvodom) možno pozorovať napríklad pri vyťahovaní zástrčky zo zásuvky. Zároveň preskočí iskra, ktorá v takom rozsahu nie je schopná človeku ublížiť. Je to spôsobené tým, že magnetické pole nezmizne okamžite, ale postupne sa rozptýli a indukuje prúdy v iných vodičoch. V priemyselnom meradle je prúdová sila mnohonásobne väčšia ako 220 voltov, na ktoré sme zvyknutí, takže pri prerušení obvodu vo výrobe sa môžu objaviť iskry takej sily, ktoré spôsobia veľa škody rastline aj človeku.
Cievka je základom toho, z čoho sa skladá oscilačný obvod. Indukčnosti solenoidov v sérii sa sčítavajú. Ďalej sa bližšie pozrieme na všetky jemnosti štruktúry tohto prvku.
Čo je indukčnosť?
Indukčnosť cievky oscilačného obvodu je individuálny indikátor, ktorý sa číselne rovná elektromotorickej sile (vo voltoch), ktorá sa vyskytuje v obvode, keďzmena prúdu o 1 A za 1 sekundu. Ak je solenoid pripojený k obvodu jednosmerného prúdu, potom jeho indukčnosť opisuje energiu magnetického poľa, ktoré vzniká týmto prúdom podľa vzorca:
-
W=(LI2)/2, kde
W je energia magnetického poľa.
Činiteľ indukčnosti závisí od mnohých faktorov: od geometrie solenoidu, od magnetických charakteristík jadra a od počtu cievok drôtu. Ďalšou vlastnosťou tohto indikátora je, že je vždy kladný, pretože premenné, od ktorých závisí, nemôžu byť záporné.
Indukčnosť možno definovať aj ako vlastnosť vodiča s prúdom uchovávať energiu v magnetickom poli. Meria sa v Henry (pomenované po americkom vedcovi Josephovi Henrym).
Okrem solenoidu pozostáva oscilačný obvod z kondenzátora, o ktorom bude reč neskôr.
Elektrický kondenzátor
Kapacita oscilačného obvodu je určená kapacitou elektrického kondenzátora. O jeho vzhľade bolo napísané vyššie. Teraz poďme analyzovať fyziku procesov, ktoré v ňom prebiehajú.
Keďže dosky kondenzátora sú vyrobené z vodiča, môže cez ne pretekať elektrický prúd. Medzi oboma platňami je však prekážka: dielektrikum (môže to byť vzduch, drevo alebo iný materiál s vysokým odporom. Vzhľadom na to, že náboj sa nemôže presúvať z jedného konca drôtu na druhý, hromadí sa na dosky kondenzátora. To zvyšuje silu magnetického a elektrického poľa okolo neho.elektrina nahromadená na platniach sa začne prenášať do okruhu.
Každý kondenzátor má menovité napätie, ktoré je optimálne pre jeho prevádzku. Ak je tento prvok prevádzkovaný dlhší čas pri napätí nad menovitým napätím, jeho životnosť sa výrazne znižuje. Kondenzátor oscilačného obvodu je neustále ovplyvňovaný prúdmi, a preto by ste pri jeho výbere mali byť mimoriadne opatrní.
Okrem bežných kondenzátorov, o ktorých sa diskutovalo, existujú aj ionistory. Ide o zložitejší prvok: možno ho opísať ako kríženec medzi batériou a kondenzátorom. Organické látky spravidla slúžia ako dielektrikum v ionistore, medzi ktorým je elektrolyt. Spolu vytvárajú dvojitú elektrickú vrstvu, ktorá vám umožňuje akumulovať v tomto dizajne mnohonásobne viac energie ako v tradičnom kondenzátore.
Aká je kapacita kondenzátora?
Kapacita kondenzátora je pomer náboja kondenzátora k napätiu, pod ktorým sa nachádza. Túto hodnotu môžete vypočítať veľmi jednoducho pomocou matematického vzorca:
-
C=(e0S)/d, kde
e0 je permitivita dielektrického materiálu (tabuľková hodnota), S - plocha dosiek kondenzátora, d - vzdialenosť medzi doskami.
Závislosť kapacity kondenzátora na vzdialenosti medzi doskami sa vysvetľuje javom elektrostatickej indukcie: čím menšia je vzdialenosť medzi doskami, tým silnejšie sa navzájom ovplyvňujú (podľa Coulombovho zákona), väčší náboj platní a tým nižšie napätie. A ako napätie klesáhodnota kapacity sa zvyšuje, pretože ju možno opísať aj nasledujúcim vzorcom:
-
C=q/U, kde
q je poplatok v coulombách.
Stojí za to hovoriť o jednotkách tohto množstva. Kapacita sa meria vo faradoch. 1 farad je dostatočne veľká hodnota na to, aby existujúce kondenzátory (ale nie ionistory) mali kapacitu meranú v pikofaradoch (jeden bilión farad).
Rezistor
Prúd v oscilačnom obvode závisí aj od odporu obvodu. A okrem dvoch opísaných prvkov, ktoré tvoria oscilačný obvod (cievky, kondenzátory), existuje aj tretí - rezistor. Je zodpovedný za vytváranie odporu. Odpor sa líši od ostatných prvkov tým, že má veľký odpor, ktorý je možné u niektorých modelov meniť. V oscilačnom obvode plní funkciu regulátora výkonu magnetického poľa. Môžete zapojiť niekoľko rezistorov do série alebo paralelne, čím zvýšite odpor obvodu.
Odpor tohto prvku závisí aj od teploty, preto by ste si mali dávať pozor na jeho činnosť v obvode, pretože sa pri prechode prúdu zahrieva.
Odpor odporu sa meria v Ohmoch a jeho hodnotu možno vypočítať pomocou vzorca:
-
R=(pl)/S, kde
p je odpor materiálu odporu (meraný v (Ohmmm2)/m);
l - dĺžka odporu (v metroch);
S - plocha prierezu (v štvorcových milimetroch).
Ako prepojiť parametre cesty?
Teraz sme blízko fyzikečinnosť oscilačného obvodu. Postupom času sa náboj na doskách kondenzátora mení podľa diferenciálnej rovnice druhého rádu.
Ak vyriešite túto rovnicu, vyplýva z nej niekoľko zaujímavých vzorcov, ktoré popisujú procesy prebiehajúce v obvode. Napríklad cyklickú frekvenciu možno vyjadriť ako kapacitanciu a indukčnosť.
Najjednoduchší vzorec, ktorý vám umožňuje vypočítať veľa neznámych veličín, je Thomsonov vzorec (pomenovaný podľa anglického fyzika Williama Thomsona, ktorý ho odvodil v roku 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - perióda elektromagnetických oscilácií, L a C - indukčnosť cievky oscilačného obvodu a kapacita prvkov obvodu, p - číslo pi.
Q faktor
Je tu ešte jedna dôležitá hodnota, ktorá charakterizuje činnosť okruhu – faktor kvality. Aby sme pochopili, čo to je, mali by sme sa obrátiť na taký proces, ako je rezonancia. Ide o jav, pri ktorom sa amplitúda stáva maximálnou s konštantnou hodnotou sily, ktorá podporuje túto osciláciu. Rezonanciu možno vysvetliť na jednoduchom príklade: ak začnete tlačiť hojdačku do rytmu jej frekvencie, zrýchli sa a jej „amplitúda“sa zvýši. A ak vytlačíte čas, spomalia. Pri rezonancii sa často rozptýli veľa energie. Aby mohli vypočítať veľkosť strát, prišli s takým parametrom, akým je faktor kvality. Je to pomer rovný pomeruenergie v systéme na straty vyskytujúce sa v okruhu v jednom cykle.
Faktor kvality okruhu sa vypočíta podľa vzorca:
-
Q=(w0W)/P, kde
w0 - rezonančná frekvencia cyklických oscilácií;
W - energia uložená v oscilačnom systéme;
P - strata energie.
Tento parameter je bezrozmerná hodnota, pretože v skutočnosti ukazuje pomer energie: uloženej a spotrebovanej.
Aký je ideálny oscilačný obvod
Pre lepšie pochopenie procesov v tomto systéme fyzici vymysleli takzvaný ideálny oscilačný obvod. Toto je matematický model, ktorý predstavuje obvod ako systém s nulovým odporom. Vytvára netlmené harmonické kmity. Takýto model umožňuje získať vzorce na približný výpočet parametrov obrysu. Jedným z týchto parametrov je celková energia:
W=(LI2)/2.
Takéto zjednodušenia výrazne urýchľujú výpočty a umožňujú vyhodnotiť charakteristiky obvodu s danými indikátormi.
Ako to funguje?
Celý cyklus oscilačného obvodu možno rozdeliť na dve časti. Teraz budeme podrobne analyzovať procesy vyskytujúce sa v každej časti.
- Prvá fáza: Kladne nabitá doska kondenzátora sa začne vybíjať a dodáva prúd do obvodu. V tomto okamihu prúd prechádza z kladného náboja na záporný a prechádza cievkou. V dôsledku toho sa v obvode vyskytujú elektromagnetické oscilácie. prechádzajúci prúdcievka, ide na druhú platňu a nabíja ju kladne (zatiaľ čo prvá platňa, z ktorej prúdil prúd, je nabitá záporne).
- Druhá fáza: prebieha opačný proces. Prúd prechádza z kladnej platne (ktorá bola na začiatku negatívna) na zápornú a opäť prechádza cievkou. A všetky obvinenia padnú na svoje miesto.
Cyklus sa opakuje, pokiaľ je kondenzátor nabitý. V ideálnom oscilačnom obvode tento proces pokračuje donekonečna, ale v skutočnom sú straty energie nevyhnutné v dôsledku rôznych faktorov: zahrievania, ku ktorému dochádza v dôsledku existencie odporu v obvode (Joulovho tepla) a podobne.
Možnosti návrhu obrysu
Okrem jednoduchých obvodov „cievka-kondenzátor“a „cievka-odpor-kondenzátor“existujú aj ďalšie možnosti, ktoré využívajú ako základ oscilačný obvod. Toto je napríklad paralelný obvod, ktorý sa líši tým, že existuje ako prvok elektrického obvodu (pretože ak by existoval oddelene, bol by to sériový obvod, o ktorom sme hovorili v článku).
Existujú aj iné typy dizajnov, ktoré obsahujú rôzne elektrické komponenty. Napríklad môžete do siete pripojiť tranzistor, ktorý bude obvod otvárať a zatvárať s frekvenciou rovnajúcou sa frekvencii kmitov v obvode. Takto sa v systéme vytvoria netlmené oscilácie.
Kde sa používa oscilačný obvod?
Najznámejšou aplikáciou komponentov obvodov sú elektromagnety. Na druhej strane sa používajú v interkomoch, elektromotoroch,senzoroch a v mnohých iných nie tak obyčajných oblastiach. Ďalšou aplikáciou je generátor oscilácií. V skutočnosti je nám toto použitie obvodu veľmi známe: v tejto forme sa používa v mikrovlnnej rúre na vytváranie vĺn a v mobilnej a rádiovej komunikácii na prenos informácií na diaľku. To všetko je spôsobené tým, že oscilácie elektromagnetických vĺn môžu byť zakódované takým spôsobom, že je možné prenášať informácie na veľké vzdialenosti.
Samotnú tlmivku je možné použiť ako prvok transformátora: dve cievky s rôznym počtom vinutí môžu prenášať svoj náboj pomocou elektromagnetického poľa. Ale keďže charakteristiky solenoidov sú odlišné, indikátory prúdu v dvoch obvodoch, ku ktorým sú tieto dva induktory pripojené, sa budú líšiť. Takto je možné premeniť prúd s napätím povedzme 220 voltov na prúd s napätím 12 voltov.
Záver
Princíp činnosti oscilačného obvodu a každej jeho časti sme podrobne analyzovali samostatne. Dozvedeli sme sa, že oscilačný obvod je zariadenie určené na vytváranie elektromagnetických vĺn. To sú však len základy zložitej mechaniky týchto zdanlivo jednoduchých prvkov. Viac o zložitosti obvodu a jeho komponentoch sa dozviete v odbornej literatúre.
