Что называется добротностью контура

Добротность

Добро́тность — характеристика колебательной системы, определяющая полосу резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний.

Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть, чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания.

Общая формула для добротности любой колебательной системы:

,

Например, в электрической резонансной цепи энергия рассеивается из-за конечного сопротивления цепи, в кварцевом кристалле затухание колебаний обусловлено внутренним трением в кристалле, в объемных электромагнитных резонаторах теряется в стенках резонатора, в его материале и в элементах связи, в оптических резонаторах — на зеркалах.

,

где , и — сопротивление, индуктивность и ёмкость резонансной цепи, соответственно.

Для электрической цепи гораздо проще измерить амплитуду (ток или напряжение), чем энергию или мощность. Поскольку мощность и энергия пропорциональны квадрату амплитуды осцилляции, полоса на АЧХ будет от пика (примерно −3 дБ, а 1/2 это −6 дБ). Поэтому чаще используется другое эквивалентное определение добротности, которое связывает ширину амплитудной резонансной кривой по уровню с круговой частотой резонанса :

,

где: — коэффициент затухания, равный полуширине резонансной кривой, — число колебаний за время релаксации.

Содержание

Метрологические аспекты

Для измерения электрической добротности на частотах до десятков — сотен мегагерц применяют измеритель добротности или измеритель иммитанса (косвенным способом), в диапазоне СВЧ применяются специальные методы.

Источник

Введение

Электрическая цепь, образованная последовательным соединением индуктивности L, емкости С и активного сопротивления R незначительной величины, называется колебательным контуром.

В зависимости от способа подключения к контуру ЭДС колебательный контур называется параллельным (рис. 1) или последовательным (рис. 2).

Ток в контуре зависит не только от величины подводимой к контуру ЭДС, но и от ее частоты. Эта зависимость называется резонансной характеристикой контура (рис. 3)

При некоторой частоте колебаний, подводимых к контуру, как это видно из закона Ома для полной цепи переменного тока

ток в контуре принимает максимальное значение, если

где ωL – индуктивное сопротивление;

— емкостное сопротивление;

ω – циклическая частота внешней ЭДС.

Индуктивное и емкостное сопротивление называют реактивным сопротивлением.

Если частота внешней ЭДС (ω) равна частоте собственных свободных колебаний (ω₀) в колебательном контуре, то имеет место явление резонанса, а частота внешней ЭДС называется резонансной и связана с параметрами контура следующим соотношением

ω =

В случае резонанса ток в контуре принимает максимальное значение, то есть

I_{max =}

Реактивная мощность определяется формулой:

Мощность потерь определяется формулой:P = I 2 R.

где ω_р – резонансная частота.

Как показывает теория, добротность контура может быть определена также по его резонансной характеристики (см.рис. 3).

Чтобы отобрать энергию от контура, его необходимо нагрузить, Часто нагрузкой является другой индуктивно связанный с ним контур (рис. 4).

Здесь нагрузкой является контур L_св связи С₁ и R_н, настроенный на частоту ЭДС и представляющий поэтому чисто активное сопротивление r_н, так как

При нормальных условиях контур связи может отобрать половину энергии от колебательного контура.

Как известно, энергия излучения пропорциональна квадрату амплитуды тока в контуре. Для большей наглядности принято рассматривать приведенную резонансную характеристику контура, то есть не I₀ от частоты, а от частоты. Поэтому ширину резонансной кривой характеризуют интервалом частот в пределах:

Откуда находим, что

График зависимости резонансной кривой от частоты изображен на рис. 5.

В работе требуется снять приведённую резонансную характеристику контура и по ней определить добротность контура. Добротность контура определяется формулой:

Однако следует помнить, что эта формула верна лишь при больших Q, то есть когда затухание собственных колебаний в контуре мало.

Порядок выполнения работы

1. Включить генератор в сеть.

2. Плавно вращая ручку оси конденсатора контура связи, найти максимальный ток по прибору и записать частоту, против которой расположена стрелка.

3. Поставить стрелку, укрепленную на оси конденсатора в левое крайнее положение.

4. Плавно меняя угол поворота конденсатора через каждые 10°, записать показания прибора в цепи катушки связи, Показания снять от 10° до 180°.

5. Зная максимальное показание прибора, подсчитать значение для каждой частоты.

Источник

Что такое добротность колебательного контура?
как измерить добротность в радиолюбительских условиях.

«Добротность обозначается символом Q (от английского quality factor) и является тем параметром колебательной системы, который определяет ширину резонанса и характеризует, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за время изменения фазы на 1 радиан.

При подключении к контуру внешних цепей, параллельно Rш добавляется дополнительное сопротивление Rн, вносимое этими внешними цепями.

По большому счёту, на Рис.1 не хватает ещё одной ёмкости, равной сумме паразитных ёмкостей катушки индуктивности, внешних цепей и паразитной ёмкости монтажа. На высоких частотах эти привнесённые ёмкости могут иметь существенные величины, соизмеримые с ёмкостью самого контурного конденсатора. На добротность эти ёмкости существенного влияния не оказывают, но при расчёте резонансной частоты их необходимо учитывать и суммировать со значением основной ёмкости С.

Теперь давайте разберёмся, что такое «скорость затухания собственных колебаний в системе» и, каким боком она связана с добротностью.

Для начала мысленно спаяем схему, нарисованную на Рис.1, и замкнём переключатель на батарейку (в левое по схеме положение).

Конденсатор С зарядится до уровня, равного напряжению питания.

Теперь перещёлкнем переключатель в правое по схеме положение.

Число периодов свободных колебаний в контуре можно подсчитать счётчиком импульсов и таким образом узнать добротность колебательного контура, генератор сигналов в этом случае не нужен.

Собственно говоря, на таком принципе и строится большинство промышленных измерителей добротности.

Вспоминаем дальше: «Добротность является тем параметром колебательной системы, который определяет ширину резонанса».

Рисуем резонансную кривую (амплитудно частотную характеристику) колебательного контура.

А как измерить добротность контура, не прибегая к изготовлению специальных устройств, в домашней лаборатории?

1. Если речь идёт о низких (звуковых) частотах, то тут всё просто.
В этом случае, Q равна отношению реактивного сопротивления индуктивного или ёмкостного характера (характеристического сопротивления) к полному последовательному сопротивлению потерь в резонансном контуре. В виду того, что конденсаторы на данных частотах практически не вносят потерь, то добротность контура равна добротности катушки индуктивности, величина которой напрямую зависит от активного сопротивления катушки.
А поскольку данное сопротивление можно легко измерить обычным омметром, то имеет полный смысл проделать эту не сильно замысловатую манипуляцию, после чего перейти на страницу ссылка на страницу и в первой таблице произвести расчёт добротности. Естественным образом, подразумевается, что катушка намотана на соответствующем для данных частот сердечнике, не вносящих существенных потерь в работу колебательного контура.

2. На высоких частотах (радиочастотах) значение активного сопротивления катушки может составлять доли ома, к тому же возможно проявление влияния добротности конденсатора на общую добротность цепи, поэтому такими же примитивными методами, как в случае НЧ обойтись не удастся.
Рискну сделать осторожное предположение, что в радиолюбительской лаборатории у нас затерялся высокочастотный генератор с 50-омным выходом и такой же высокочастотный осциллограф, или, на худой конец, измеритель ВЧ напряжений.

В этом случае мы воспользуемся ещё одним определением Q. Добротность резонансного контура равна фактору увеличения напряжения и может быть выражена отношением напряжения, развиваемого на реактивных элементах к входному напряжению, поданному последовательно с контуром.

Так как в случае высокодобротных элементов, сопротивление контура на резонансной частоте может превышать значение в сотню килоом, для корректного измерения добротности, входные импедансы измерителя ВЧ напряжений, либо осциллографа должны превышать это значение как минимум на порядок.

А на следующей странице порассуждаем на тему: что надо сделать, чтобы намотать катушку с максимально-возможной добротностью.

Источник

Добротность колебательной системы

Полезное

Смотреть что такое «Добротность колебательной системы» в других словарях:

ДОБРОТНОСТЬ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ — характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду при его отсутствии. Чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии в ней за период.… … Большой Энциклопедический словарь

добротность колебательной системы — характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду при его отсутствии. Чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии в ней за период.… … Энциклопедический словарь

ДОБРОТНОСТЬ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ — характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду при его отсутствии. Чем выше Д. к. с., тем меньше потери энергии в ней за период. Добротность колебат.… … Естествознание. Энциклопедический словарь

ДОБРОТНОСТЬ — колебательной системы, характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает их амплитуду вдали от резонанса. Чем выше добротность системы, тем меньше потери энергии в ней … Современная энциклопедия

Добротность — колебательной системы, характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает их амплитуду вдали от резонанса. Чем выше добротность системы, тем меньше потери энергии в ней … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Добротность — Добротность характеристика колебательной системы, определяющая полосу резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний. Добротность обратно пропорциональна скорости… … Википедия

добротность — 1. Количественная характеристика потерь колебательной системы при резонансе, равная где Wк полный запас энергии колебаний при резонансе; Wп потери энергии за период [Физический энциклопедический словарь] 2. Количественная мера потерь… … Справочник технического переводчика

добротность — 3.17 добротность (Q factor): Величина, характеризующая степень остроты резонанса или избирательность по частоте колебательной механической системы с одной степенью свободы и обратная удвоенному коэффициенту демпфирования. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ненагруженная добротность — Собственная добротность колебательной системы. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь справочник. Под редакцией Ю.М. Горностаева. Москва, 2002] Тематики электросвязь, основные понятия EN unloaded Q … Справочник технического переводчика

Источник

Шаг за шагом

Добротность контура

Таким образом, если мы хотим нарисовать реальную схему контура, то, помимо контурной катушки _Lк и конденсатора С_к, мы должны включить в нее и сопротивления, которые будут характеризовать потери энергии (лист 76). В действительности никаких сопротивлений (имеется в виду отдельная деталь) в контуре, конечно, нет. Но потери энергии в катушке, конденсаторе и т. д. существуют реально. Для того чтобы не забывать об этом, мы и рисуем на схеме не только катушку L_к и конденсатор С_к, но и условные сопротивления, которые отображают фактически существующие потери энергии.

Для учета некоторых видов потерь (потери в конденсаторе, в каркасе и др.) иногда приходится считать, что в контуре имеется еще одно сопротивление R_ш, шунтирующее (лист 32) конденсатор С_к или катушку L_к. Во время разряда конденсатора ток разветвляется: часть его проходит через катушку и создает там запасы энергии в виде магнитного поля. Другая часть разрядного тока проходит через сопротивление R_ш и создает там безвозвратные потери энергии. Чем меньше тем больший ток через него проходит, тем больше энергии теряется на этом сопротивлении.

Таким образом, для того чтобы уменьшить потери в контуре, нужно стремиться к тому,чтобы сопротивление R_к было как можно меньше, а сопротивление R_ш как можно больше (рис 50, 51). Сопротивления R_к и R_ш на схемах радиоаппаратуры не изображаются, так как они не представляют собой самостоятельных деталей. Однако эти сопротивления реально существуют и, потребляя энергию, приводят к затуханию колебаний.

Для характеристики затухания колебаний существует специальная величина, называемая добротностью (лист 77).

Добротность обозначается буквой «Q» и представляет собой относительное число, показывающее, во сколько раз энергия, запасаемая в конденсаторе или катушке за четверть периода, больше, чем энергия, теряемая на сопротивлениях R_к и R_ш за то же время. Совершенно очевидно, что, чем выше добротность Q, тем медленнее будут затухать колебания в контуре (лист 78). Добротность реальных колебательных контуров обычно лежит в пределах от 30 (в контуре каждый раз теряется одна тридцатая часть, то есть около 3 % перекачиваемой энергии) до 300 (потери около 0,3% от запасенной энергии). Добротность специальных колебательных систем (кварцевые пластины, объемные резонаторы) достигает нескольких десятков и даже сотен тысяч.

Ухудшить добротность контура (иногда возникает и такая необходимость) можно очень просто: достаточно увеличить потери в контуре, увеличив Rк или уменьшив R_ш. Для этого можно, например, включить в контур обычные сопротивления.

Источник