Układy pasywne RLC. 1. Czas trwania: 6h

Transkrypt

1 kłady pasywne LC. Czas trwania: 6h 2. Cele ćwiczenia Badanie własności prostych pasywnych układów LC. Badanie szeregowego obwodu rezonansowego LC. 3. Wymagana znajomość pojęć działania na liczbach zespolonych, zachowanie układów LC przy pobudzeniu sinusoidalnym, impulsowym i schodkowym, impedancja, pasmo przenoszenia, wzmocnienie K u i K db, charakterystyki Bodego, wykresy wskazowe, trzydecybelowa częstotliwość graniczna, rezonans i częstotliwość rezonansowa, dobroć obwodu rezonansowego. 4. Wstęp 4. ogólnione prawo Ohma Przeprowadzając analizę obwodów prądu zmiennego, w stanie ustalonym, przy pobudzeniu sinusoidalnym wygodnie jest zastąpić chwilowe wartości prądów i napięć ich odpowiednikami w dziedzinie liczb zespolonych: (t)= 0 sin(ωt +φ) = 0 e j(ωt+φ) I(t)=I 0 sin(ωt+φ) I=I 0 e j(ωt+φ) Prawdziwe wartości napięć i prądów otrzymujemy biorąc część rzeczywistą rozwiązania zespolonego: (t)=e( 0 e j(ωt+ φ) ). D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona:

2 ogólnione prawo Ohma stwierdza, że zespolony prąd I w obwodzie jest proporcjonalny do zespolonego napięcia : I= Z gdzie współczynnik Z nosi nazwę impedancji. Impedancja w ogólności jest liczbą zespoloną: Z=+jX wielkość to rezystancja a X to reaktancja. Jednostką impedancji jest Ohm. Wygodnie jest także wprowadzić pojęcie admitancji (odwrotność impedancji), której jednostką jest Siemens (S): Y= Z = G+jB wielkość G to konduktancja a B susceptancja. 4.2 rygonometryczny szereg Fourier a Funkcję okresową f(t) o okresie, pod warunkiem spełnienia warunków Dirichleta (funkcja musi być bezwzględnie całkowalna, musi posiadać skończoną liczbę ekstremów i punktów nieciągłości) można przedstawić w postaci rozwinięcia w trygonometryczny szereg Fourier a postaci: gdzie: jest pulsacją podstawową, jest średnią wartością funkcji f(t), oraz: k= k= f(t)=a [ a cos(kωt) + b sin(kωt ] k k ) a 0 = 2π ω = t+ t f (t)dt D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 2

3 t+ a k = f (t)cos( kωt) t dt t+ i b k = f (t)sin( kωt) są amplitudami składowych harmonicznych przebiegu f(t). t dt π 3 f(t)= sin( ωt) + sin( 3ωt) + sin( 5ωt) π f(t)= sin( ωt) sin( 3ωt) + sin( 5ωt) ab. ozwinięcie Fouriera przykładowych przebiegów okresowych 4.3 Przekształcenie Laplace a Przekształcenie Laplace a przekształca funkcję x(t) na funkcję X(s) zmiennej zespolonej s: st X(s)= x(t) e dt Odwrotne przekształcenia Laplace a przekształca funkcję X(s) na funkcję x(t): st x(t)= X( s) e ds Ogólniejsza metoda operatorowa bazująca na przekształceniu Laplace a umożliwia analizę obwodu w stanie nieustalonym oraz przy dowolnym pobudzeniu. Po rozwiązaniu równań operatorowych przejście do dziedziny czasu uzyskuje się stosując odwrotne przekształcenie Laplace a. 4.4 eaktancja pojemnościowa. Natężenie prądu płynącego przez kondensator o pojemności C wyraża się wzorem: du(t) i(t)=c dt gdzie C jest pojemnością kondensatora i jest wyrażana w Faradach. D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 3

4 W przypadku pobudzenia sinusoidalnego prąd i napięcie można wyrazić w postaci zespolonej, stąd równanie przyjmuje postać: Ie jωt po przekształceniach otrzymujemy: = C d dt jϕ jωt jϕ jωt ( e e ) = Cjω e e O I=jωC=ωCe j90º skąd: Z C = = I jωc O Jak widać na pojemności napięcie jest opóźnione w stosunku do prądu o 2 π. 4.5 eaktancja indukcyjna Indukowana w cewce indukcyjnej SEM jest konsekwencją zmiany strumienia magnetycznego: dφ(t) u(t)=l dt ponieważ: Φ ( t) = L i(t ) di(t) u(t)=l dt gdzie L jest indukcyjnością cewki i jest wyrażana w Henrach. Dokonując przekształceń w dziedzinie liczb zespolonych otrzymujemy: e jωt =jωli 0 e jωt =ωli 0 e j90º e jωt skąd: Z L =jωl Jak widać na indukcyjności napięcie wyprzedza prąd o 2 π. ezystancja reaktancja pojemnościowa reaktancja indukcyjna Z = Z C = jωc Z L = jω L ab. 2 Impedancja rezystora, kondensatora i indukcyjności eaktancje Z C i Z L w odróżnieniu od rezystancji Z zależą od pulsacji ω. D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 4

5 4.6 Moc średnia Moc średnią przebiegu okresowego wyznacza się ze wzoru: Dla przebiegu sinusoidalnego: P śr =e( I * )= 0 (t)i(t)dt P śr = I 0 0 lub napięcie (natężenie) skuteczne: sk = 2 2 Dobroć Q układu jest miarą stosunku energii gromadzonej w układzie do energii traconej na ciepło. 0 ezystor Kondensator induktor ównanie różniczkowe di (t) Napięcie (t)=i(t) C (t)= IC (t) dt L (t)= L L C dt ównanie różniczkowe (t) Prąd I(t)= I C (t)=c (t) dt (t) L dt L Metoda symboliczna rozkład Fourier a = I C = I C jω L = j ω L achunek operatorowy ransformata Laplace a (s)= I (s) C (s)= IC (s) sc L (s)=sli L (s) ab. 3 óżne postaci uogólnionego prawa Ohma 4.7 Wykresy wskazowe Ponieważ wartości, L i C są wielkościami wektorowymi czasami wygodnie jest przedstawiać zależności pomiędzy składowymi w układzie współrzędnych x-y (wykres wskazowy). Na osi x zaznacza się składowe rzeczywiste (rezystancyjne) a na osi y składowe urojone (reaktancyjne). Proste przekształcenia geometryczne ułatwiają analizę układu. Wektor wypadkowy co do wartości jest równy sile elektromotorycznej źródła a kąt φ reprezentuje wypadkową fazę. D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 5

6 L ϕ C ys.. Wykres wskazowy. 4.8 Elementy teorii czwórników Czwórnik to dowolny układ o czterech końcówkach, który można całkowicie opisać za pomocą prądów i napięć wejściowych i wyjściowych ( i, I i, o, I o ) oraz ogólnych impedancyjnych (z) lub admitancyjnych (y) równań macierzowych: I i I O i o ys. 2 Czwórnik i o = z z 2 z z 2 22 I I i o Elementy macierzy impedancyjnej czwórnika mają następujący sens fizyczny: z = I i z 2 = I o i i jest impedancją wejściową przy rozwartym wyjściu (I o =0) jest impedancją wzajemną przy rozwartym wejściu (I i =0) D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 6

7 z 2 = I i o jest impedancją wzajemną przy rozwartym wyjściu (I o =0) z 22 = O jest impedancją wyjściową przy rozwartym wejściu (Ii =0) Io Zależność pomiędzy sygnałem wejściowym a wyjściowym czwórnika można również opisać za pomocą pojęcia wzmocnienia napięciowego (i/lub prądowego): K u = O i I Ki = O Ii Wzmocnienie zwykle jest przedstawiane w skali decybelowej: Po K db = 0 log = Pi 20 log o i Czwórniki można łączyć na wiele sposobów, a ich macierze przekształcać. Dla przykładu macierz admitancyjna równoległego połączenia czwórników y i y2 wynosi: a macierz impedancyjna szeregowego połączenia: y=y +y 2 z=z +z 2 Wzmocnienie kaskadowo połączonych czwórników: K=K K 2 lub K db =K db +K db2 D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 7

8 y z y 2 z 2 K K 2 ys. 3 ównoległe, szeregowe i kaskadowe połączenie czwórników 4.9 Charakterystyka częstotliwościowa. ransmitancja W układy liniowe opisuje się często za pomocą pojęcia transmitancji. ransmitancją od niezerowego pobudzenia x(t) do odpowiedzi y(t) nazywamy stosunek transformaty Laplace a odpowiedzi układu Y(s) do transformaty pobudzenia X(s): H(s)= Y(s) X(s) Dla układu opisanego transmitancją H(s) odpowiedź Y(s) jest iloczynem transmitancji i wymuszenia X(s): Y(s)=X(s) H(s) Odpowiedź układu w dziedzinie czasu y(t) sprowadza się do odwrotnej transformaty Y(s) lub splotu wymuszenia x(t) i odwrotnej transformaty Laplace a transmitancji h(t): y (t) = x(t) h(t) = x( ξ)h(t ξ) dξ gdzie symbol " " oznacza operację splotu W przypadku gdy sygnałem pobudzającym jest impuls Dirac a: δ(t)=0 dla t 0 (którego transformatą jest X(s)=) odpowiedź układu jest identyczna z transmitancją. Odwrotna transformata Laplace a transmitancji układu jest więc jego odpowiedzią na impuls Dirac a. D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 8

9 W stanie ustalonym, transmitancja H(s) może być przedstawiona jako transmitancja częstotliwościowa (widmowa) k(jω), która w ogólności jest liczbą zespoloną: k(jω ) = k(jω) e jϕ( ω) Moduł transmitancji częstotliwościowej nazywamy charakterystyka amplitudową (wzmocnieniem) a czynnik φ(ω) charakterystyką fazową. Charakterystykę amplitudową przedstawia się w skali decybelowej. 4.0 Filtr dolnoprzepustowy C i C o ys. 4 Dolnoprzepustowy filtr C kład C przedstawiony na rys. 4 jest w ogólności dzielnikiem impedancyjnym, którego transmitancja operatorowa wynosi: K u (s)= O I (s) = sc = (s) + sc + sc 4. Pobudzenie filtru dolnoprzepustowego C uskokiem jednostkowym Zakładając, że funkcja pobudzająca jest uskokiem jednostkowym: 0 dla t< 0 i(t)= dla t 0 po wyliczeniu odwrotnej transformaty Laplace a sygnału wyjściowego otrzymujemy: t C o (t)= ( e ) D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 9

10 wielkość: τ =C nazywamy stałą czasową układu. ys. 5 Odpowiedź filtru dolnoprzepustowego na uskok jednostkowy Stała czasowa filtru C liczbowo odpowiada czasowi, po którym sygnał zmieni się e-krotnie. 4.2 Pobudzenie filtru dolnoprzepustowego C impulsem jednostkowym Zakładając, że funkcją pobudzającą jest impuls Dirac a, odpowiedzią układu w dziedzinie czasu jest odwrotna transformata Laplace a transmitancji stąd: o (t)= e C t C ys. 6 Odpowiedź filtru DP na impuls Dirac'a 4.3 Stan ustalony w dolnoprzepustowym filtrze C Dokonując formalnego podstawienia s=jω transmitancję napięciową układu C można przedstawić jako: gdzie K u (jω)= + j( ω/ ω 0 ) D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 0

11 ω 0 = 2 πf = τ jest pulsacją graniczną. 4.4 Charakterystyki Bodego dolnoprzepustowego filtru C Charakterystykę częstotliwościową układu przedstawia się jako funkcję modułu wzmocnienia w db w skali logarytmicznej: K db =f(log(ω)). Po dokonaniu uproszczeń moduł transmitancji filtru dolnoprzepustowego C można zapisać: dla ω<ω 0 H (jω) = dla ω>ω ωτ funkcję tę można przedstawić za pomocą odcinków linii prostych. Dla ω<ω 0 wzmocnienie jest stałe i kąt przesunięcie jest równy zero. Dla ω>ω 0 charakterystyka opada z szybkością 20dB/dekadę a kąt przesunięcia fazowego dąży do π/2. 0 K[dB] ωτ ys. 7 Charakterystyka Bodeg'o filtru dolnoprzepustowego W punkcie ω 0: 4 H(jω 0 )= = e j + j 2 charakterystyka amplitudowa opada o 3dB a przesunięcie fazowe wynosi π/4. Pasmo przenoszenia określa się jako zakres częstotliwości, w których tłumienie nie zmienia się więcej niż 3dB. π D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona:

12 Filtr dolnoprzepustowy C w paśmie zaporowym może być również traktowany jako układ całkujący: H(s)= sc Ponieważ operator /s, w dziedzinie czasu, odpowiada całkowaniu stąd: o (t)= I (t) dt C 4.5 Pobudzenie filtru dolnoprzepustowego C dowolnym sygnałem okresowym Stan ustalony na wyjściu układu liniowego może być wyliczony jako suma odpowiedzi przy pobudzeniu kolejnymi harmonicznymi sygnału wejściowego. W filtrze dolnoprzepustowym C tłumione są wyższe harmoniczne a postać sygnału wyjściowego zależy zarówno od sygnału wejściowego jak i od stałej czasowej filtru. Dla przykładu przy pobudzeniu filtru dolnoprzepustowego o stałej czasowej τ przebiegiem prostokątnym o częstotliwości ω>/ τ sygnał wyjściowy będzie przypominał przebieg sinusiodalny kład LC (obwód rezonansowy) W szeregowym obwodzie rezonansowym płynący prąd można wyrazić jako równanie operatorowe: L C ys. 8. Szeregowy układ rezonansowy LC. (s) I(s)= + sl+ sc D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 2

13 ozwiązanie w dziedzinie czasu można uzyskać stosując odwrotną transformatę Laplace a: i(t)= δ e t sinh( β t) Lβ gdzie: δ = i 2L β = δ2 LC W zależności od tłumienia δ otrzymuje się trzy rozwiązania: periodyczne, aperiodyczne i krytyczne. Impedancja szeregowa obwodu wynosi: a jej moduł: Z= + jωl+ jωc Z = 2 + ωl ωc 2 W stanie rezonansu następuje zerowanie reaktancji (znoszenie się składowych napięciowych na kondensatorze i indukcyjności). Częstotliwość rezonansowa wynosi: ω = 0 LC a prąd płynący w obwodzie osiąga wartość maksymalną: I max = kład LC może być traktowany jako filtr tłumiący wszystkie częstotliwości za wyjątkiem ω 0. Kształt charakterystyki amplitudowej k(jω) w znacznym stopniu zależy od dobroci układu: ω Q= 0L Im większa dobroć tym mniejsze pasmo przenoszenia układu LC. D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 3

14 5. Zadania pomiarowe 5.. kłady filtrów C.. Zrealizować układy filtrów przedstawione na rys. 9. Na wejście układu, i do wejścia kanału A oscyloskopu podać sygnał sinusoidalny z generatora. Sygnał wyjściowy z filtru doprowadzić do kanału B oscyloskopu. Zmierzyć charakterystykę częstotliwościową filtrów. Wyniki zanotować w tabeli w przedstawić na wykresie Bodego. Na podstawie wartości i C wyliczyć stałą czasową filtru i porównać ją z wartością zmierzoną doświadczalnie. Przyjąć WE =0V PP, =0kΩ i C=2.2nF. 2. Zbadać działanie układu różniczkującego i całkującego W tym celu należy na wejście układu podać przebieg a)sinusoidalny i b)prostokątny o okresie a)mniejszym i b)większym niż stała czasowa układu i obserwować na ekranie oscyloskopu kształt przebiegu wyjściowego. Odrysować oscylogramy. Skomentować otrzymane wyniki. C C ys. 9. Filtr dolno i górno przepustowy. f [Hz] kHz WY [V] K db =20lg( WY / WE ) ab. 4. Charakterystyka częstotliwościowa filtru C Szeregowy obwód rezonansowy LC. Zrealizować obwód rezonansowy przedstawiony na rys. 8. Na wejście układu, i do wejścia kanału A oscyloskopu podać sygnał sinusoidalny z generatora. Sygnał wyjściowy z filtru doprowadzić do kanału B oscyloskopu. Zmierzyć charakterystykę częstotliwościową filtrów. Wyniki zanotować w tabeli w przedstawić na wykresie Bodego. Na podstawie wartości, L i C wyliczyć częstotliwość rezonansową filtru oraz jego dobroć i porównać z wartościami zmierzonymi doświadczalnie. Oszacować pasmo przenoszenia filtru. Przyjąć WE =0V PP, =kω, L=33mH i C=2.2nF. Powtórzyć pomiar dla =340Ω. Jak wartość wpływa na dobroć i pasmo przenoszenia? Dla częstotliwości rezonansowej f 0 oraz częstotliwości co najmniej 0.f 0 i 0f 0 narysować wykresy fazowe. W tym celu należy dla ustalonej częstotliwości zmierzyć wartości napięć na poszczególnych elementach oraz na całym obwodzie. Napięcia należy mierzyć przy użyciu D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 4

15 oscyloskopu i sondy. W szczególności w celu pomiaru napięcia na elementach L i C należy do ich obu końców podłączyć dwie sondy przyłączone do kanałów A i B oscyloskopu. Właściwe napięcie należy odczytać po ustawieniu oscyloskopu do wykonania operacji A-B. Alternatywnie, do pomiaru zamienić miejscami elementy L i C z rezystorem. Wykonując wykresy należy pamiętać o zależnościach fazowych pomiędzy napięciami na rezystorze, kondensatorze i cewce. waga do pomiaru należy używać sondy oscyloskopowej. 6. Przyrządy Generator, miernik uniwersalny, oscyloskop. 7. Literatura P.Horowitz, W.Hill, Sztuka elektroniki, WKŁ 995, ISBN , om, str śledziewski, Elektronika dla fizyków, PWN 982, ISBN , str M. Purcell, Elektryczność i magnetyzm, PWN 974, ozdział 8. D. Fenc, J.J. Młodzianowski, 2008 Strona: 5