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电容或电感的电压_电感基础4——什么是LC电路的“谐振频率”?

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在阻抗的解释中,我们昨天提到了谐振频率的概念,今天我们将继续深入理解。


一、LC并联电路和谐振频率

电感L、电容C具有储能功能,一种是将电能储存为磁场,另一种是将电能储存为电场。L、C并联并赋予一定的初始能量,在磁场和电场之间来回转换:

图1-LC并联电路及其能量转换(假设电容在初始状态下充满能量)

让我们分阶段分析一下LC上能量变化过程:

图2-LC电路充放电的各个阶段
  • 阶段1:电容充满电(电场方向左正右负),电感放电;电容开始向电感充电;电路电流为0,电感电流从左到右,电容电压为峰值;
  • 阶段2:电感充满电(磁场方向左北右南),电容放电;电感开始向电容充电;电路电流为峰值,电感电流方向为从左到右,电容电压为0;
  • 阶段3:电容充满电(电场方向右正左负),电感放电;电容开始向电感充电;电路电流为0,电感电流从右到左,电容电压为峰值;
  • 阶段4:电感充满电(磁场向右北左南),电容放电;电感开始向电容充电;电路电流为峰值,电感电流从右到左,电容电压为0;
  • 阶段5:回到阶段1状态,循序渐进;

可以看到,LC电路充放电呈现出周期性特性,这个周期的频率就叫“谐振频率”(Resonance frequency)。它是LC电路的固有频率由电路中的L和C决定:

图3-谐振频率

二、电路仿真与DIY实验

1. 电路仿真

让我们建一个LC谐振电路实验,先看电路仿真,电路由电源、开关、电容、电感和电阻组成:

图4-LC谐振电路

其中,在初始状态下,开关一端关闭,充满电容;当开关切换到另一端时,LC开始交换能量,实现谐振电路。电阻用于模拟真实电路下的损耗。模拟结果如下:

图5-LC谐振电路-模拟实验

可以看到LC电路出现谐振波形,由于损耗的存在,谐振波形的电压逐渐变小。

2. DIY实验

我们在面包板上建立这个实验,首先准备好所有的组件,组件参数符合上述模拟电路:

图6-实验元器件清单

测量电容和电感的实际参数:

图7-1-电容测量

图7-2-电感测量

面包板连线:

图8-面包板连接

我没有开关,用杜邦线切换,在初始状态下给电容充电,然后快速切换到电容和电感并联状态,检查示波波形如下:

图9-示波器查看波形

谐振波形的频率与理论计算是否一致:

图10-示波器测量波形周期和频率

谐振频率的理论计算f = 1/2π(LC)^1/2 = 1/(2*3.14*(100uH*47nF)^(1/2))=73.4KHz,读数约75个示波器.8KHz,考虑到电容电感和面包板对精度的影响,结果基本相同。


三、谐振频率下的阻抗和应用

我们可以计算一下LC谐振频率下并联电路的阻抗如下:

图11-LC并联电路谐振频率下的阻抗

当输入信号为谐振频率时,LC并联电路具有无限的阻抗和开路状态,这意味着最大电压可以在这个谐振频率上获得。利用这一特性,可应用于AM收音机内的波段选择:

图12-LC谐振频率应用-收音机信号接收

(全文完)


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