2.2. Резонансные явления
Резонансные явления в радиоэлектронике характерны для всех цепей, включающих катушки индуктивности и конденсаторы, т.е. реактивные элементы. Реактивный элемент, в отличие от активного простого резистора, способен запасать и отдавать энергию, что и определяет возможность колебательных процессов. Колебательные контуры используют в радиоприемниках, передатчиках, усилителях, фильтрах - т.е. везде, где уже есть электрические колебания, а контур должен откликаться на них.
От чего же зависит "мера отзывчивости" колебательного контура (давайте теперь называть его для краткости просто контуром) на внешние колебания? Для уяснения происходящих процессов можно провести следующий эксперимент.
Возьмём грузик и привяжем его на нитку длиной 20....30 см. Держим нитку за свободный конец и покачиваем рукой из стороны в сторону, сначала очень медленно. Качание руки в этом опыте будет внешним воздействием. Будем следить, чтобы амплитуда внешнего воздействия во всех случаях была одинаковой - достаточно перемещать руку всего на 1...2 см в каждую сторону. При медленном перемещении руки грузик точно отслеживает внешнее воздействие, а нитка всегда остается вертикальной. Заметим этот результат?
Теперь, убыстряем движение руки. Частота внешнего воздействия увеличивается, и амплитуда качаний маятника тоже увеличивается, хотя амплитуда внешнего воздействия осталась прежней. Наконец наступает момент, когда маятник раскачивается очень сильно. Амплитуда его колебаний намного превосходит амплитуду внешнего воздействия. Так проявляется резонанс.
Ещё увеличим частоту качаний руки. Амплитуда колебаний маятника заметно уменьшится, а если вы будете двигать рукой очень быстро, с высокой частотой, грузик будет оставаться практически на месте в силу своей инерции.
Теперь рассмотрим, как в электрическом колебательном контуре протекают процессы при воздействии внешнего напряжения? Чтобы ввести в контур внешнее напряжение, придется разорвать один из проводов, соединяющих конденсатор с катушкой, и включить в этот разрыв источник внешней ЭДС. У нас получился последовательный колебательный контур. Амплитуду колебаний будем наблюдать, измеряя напряжение А на конденсаторе контура. Это можно сделать с помощью осциллографа или вольтметра переменного тока.
Частоту внешнего воздействия - напряжения В - мы будем изменять от нуля до очень больших значений. Нулевая частота означает отсутствие колебаний, т.е. постоянное напряжение. Естественно, что в этом случае напряжение на конденсаторе А в точности равно приложенному В, ведь катушка для постоянного тока представляет очень малое сопротивление, а конденсатор - очень большое. При нулевой частоте внешнего напряжения мы получаем начальную точку кривой резонанса (см. рис. 4).
При частоте внешнего воздействия, близкой к собственной частоте контура, отклик контура максимален и переменное напряжение на конденсаторе имеет амплитуду большую амплитуды ЭДС. Это пик резонансной кривой.
A
0
f
Рис. 4
А при очень высоких частотах отклик контура стремится к нулю, что объясняется увеличением реактивного сопротивления катушки и уменьшением реактивного сопротивления конденсатора. Резонансная кривая получается точно такой же, как и для механического маятника - грузика на веревочке.
Возникает естественный вопрос: а насколько же амплитуда колебаний при резонансе Арез больше исходной амплитуды внешнего воздействия В? Это зависит от одной очень важной характеристики колебательной системы - её добротности Q. Добротность равна отношению Арез / В. Чем меньше потери энергии колебаний внутри системы - на трение в маятнике, на преодоление током омического сопротивления катушки в контуре тем выше добротность.
В радиотехнических колебательных контурах стремятся получать максимальную добротность. Это выгодно в тех случаях, когда используется лишь верхний, самый острый участок резонансной кривой, например, для настройки на частоту радиовещательной станции. У таких контуров определяют полосу пропускания 2Δf как расстояние (по частоте) между точками, где амплитуда колебаний падает до 0,7 резонансного значения. Полоса пропускания опять-таки связана с добротностью:
2Δf = f0 / Q