諧振現象是正弦交流電路的一種特定現象,它在電子和通訊工程中得到廣泛應用,但在電力系統中,發生諧振有可能破壞系統的正常工作。
諧振一般分串聯諧振和并聯諧振。顧名思義,串聯諧振就是在串聯電路中發生的諧振。并聯諧振就是在并聯電路中發生的諧振。
串聯諧振
在電阻、電感及電容所組成的串聯電路內,當容抗XC與感抗XL相等時,即XC=XL,電路中的電壓U與電流I的相位相同,電路呈現純電阻性,這種現象叫串聯諧振。當電路發生串聯諧振時電路中總阻抗最小,電流將達到最大值。
串聯諧振發生的條件
一個串聯電路中,要想發生諧振,需要滿足一定的條件。
● 總阻抗值最小
● 電源電壓一定時,電流最大
● 電路呈電阻性,電容或電感上的電壓可能高于電源電壓
諧振時電路中的能量變化
電路向電源吸收的 Q=0 ,諧振時電路能量交換在電路內部的電場與磁場間進行。電源只向R提供能量。
高電壓可能會損壞設備。在電力系統中應避免發生串聯諧振。而串聯諧振在無線電工程中有廣泛應用。
串聯諧振電路的應用
利用串聯諧振產生工頻高電壓,應用在高電壓技術中,為變壓器等電力設備做耐壓試驗,可以有效的發現設備中危險的集中性缺陷,是檢驗電氣設備絕緣強度的最有效和最直接的方法。應用在無線電工程中,常常利用串聯諧振以獲得較高的電壓。
在收音機中,常利用串聯諧振電路來選擇電臺信號,這個過程叫做調諧,下圖即為其典型電路。
并聯諧振
在電感和電容并聯的電路中,當電容的大小恰恰使電路中的電壓與電流同相位,即電源電能全部為電阻消耗,成為電阻電路時,叫作并聯諧振。
并聯諧振是一種完全的補償,電源無需提供無功功率,只提供電阻所需要的有功功率。諧振時,電路的總電流最小,而支路的電流往往大于電路的總電流,因此,并聯諧振也稱為電流諧振。
發生并聯諧振時,在電感和電容元件中流過很大的電流,因此會造成電路的熔斷器熔斷或燒毀電氣設備的事故;但在無線電工程中往往用來選擇信號和消除干擾。
并聯諧振發生條件
在以下兩類電路中
● 電壓一定時,諧振時電流最小
● 總阻抗最大
● 電路呈電阻性,支路電流可能會大于總電流
并聯諧振電路的應用
LC并聯諧振回路在通信電子電路中的應用由它的特點決定。具體來說,主要包括三大類,其一是工作于諧振狀態,作為選頻網絡應用,此時呈現為大的電阻,在電流的激勵下輸出較大的電壓;其二是工作于失諧狀態,此時呈現為感性或容性,與電路中其他電感和電容一起,滿足三點式振蕩電路的振蕩條件,形成正弦波振蕩器;其三是工作于失諧狀態,即工作于幅頻特性曲線或相頻特性曲線的一側,實現幅頻變換、頻幅變換以及頻相變換、相頻變換,構成角度調制與解調電路。
1、用作選頻匹配網絡的LC并聯諧振回路
選頻即從輸入信號中選擇出有用頻率分量而抑制掉無用頻率分量或噪聲。在通信電子電路中,LC并聯諧振回路作為選頻網絡而使用是最普遍的,它廣泛地應用于高頻小信號放大器、丙類高頻功率放大器、混頻器等電路中。這些電路的共同特點是:LC諧振回路不僅是一種選頻網絡,通過變壓器連接方式,還起到阻抗變換的作用,減小放大管或負載對諧振回路的影響,可獲得較好的選擇性。
高頻小信號選頻放大器用來從眾多的微弱信號中選出有用頻率信號加以放大,并對其他無用頻率信號予以抑制,它廣泛應用于通信設備的接收機中。單調諧放大器電路及交流通路如下圖所示。
2、作為電容構成泛音晶體振蕩器的LC并聯諧振回路
在外加交變電壓的作用下,石英晶片產生的機械振動中,除了基頻的機械振動外,還有許多奇次頻率的泛音。當需要工作頻率很高的晶體振蕩器時,多使用泛音晶體振蕩器。下圖所示為泛音晶體振蕩器。
3、實現幅頻變換和頻相轉換功能的LC并聯諧振回路
LC并聯諧振回路阻抗的相頻特性是一條具有負斜率的單調變化曲線,利用曲線中,線性部分可以進行頻率與相位的線性轉換,這主要應用在相位鑒頻電路中;同樣,LC并聯諧振回路阻抗的幅頻特性曲線中的線性部分也可以進行頻率與幅度的線性轉換,因而在斜率鑒頻電路中也得到了應用。
以斜率鑒頻器為例,如圖所示,圖(a)是諧振回路的輸入電流與輸出電壓。圖(b)是其中的頻率一振幅變換原理。圖(c)為單失諧回路鑒頻器原理圖。