⑴ RLC串聯諧振電路實驗方法
RLC 串聯諧振 電路在電氣工程實驗中是一個比較困難的實驗。諧振是通過使用固定的RLC值調整電源頻率來實現的。
實驗目的
1、熟悉串聯諧振電路的結構與特點,掌握確定諧振點的的實驗方法。
2、掌握電路品質因數(電路Q值)的物理意義及其測定方法。
3、理解電源頻率變化對電路響應的影響。學慣用實驗的方法測試幅頻特性曲線。
實驗任務
(一)基本實驗
設計一個諧振頻率大約9kHz、品質因數Q分別約為9和2的RLC串聯諧振電路(其中L為30mH)。要求:
1、根據實驗目的要求算出電路的參數、畫出電路圖。
2、完成Q1約為9、Q2約為2的電路的電流諧振曲線I=f(f)的測試,分別記錄諧振點兩邊各四至五個關鍵點(包括諧振頻率f0、下限頻率f1、上限頻率f2的測試),計算通頻帶寬度BW。畫出諧振曲線。用實驗數據說明諧振時電容兩端電壓UC與電源電壓US之間的關系,根據諧振曲線說明品質因數Q的物理意義以及對曲線的影響。
(二)擴展實驗
根據上述任務,利用諧振時電路中電流i與電源電壓uS同相的特點,用示波器測試的方法,找出諧振點,畫出輸入電壓uS與輸出響應uR的波形,測量諧振時電路的相關參數,並判斷此時電路的性質(阻性、感性、容性)
實驗設備
1、信號發生器 一台
2、RLC串聯諧振電路板 一套
3、交流毫伏表 一台
4、示波器 一隻
5、細導線 若干
實驗原理
1、RLC串聯電路。在上圖所示的電路中,當正弦交流信號源uS的頻率 f改變時,電路中的感抗、容抗隨之而變,電路中的電流也隨f而變。對於RLC串聯諧振電路,電路的復阻抗Z=R+j[ωL-1/(ωC)] 。
2、串聯諧振。諧振現象是正弦穩態電路的一種特定的工作狀態。當電抗X=ωL-1/(ωC)=0,電路中電流i與電源電壓uS同相時,發生串聯諧振,這時的頻率為串聯諧振頻率f0,其大小為1/(2π√LC)。串聯諧振時有以下特點:
(1)電抗X=0,電路中電流i與電源電壓uS同相。
(2)阻抗模達到最小,即Z=R,電路中電流有效值I達到最大為I0 。
(3)電容電壓與電感電壓的模值相等。電容與電感既不從電源吸收有功功率,也不吸收無功功率,而是在它們內部進行能量交換,此時US=UR。
(4)諧振時電容或電感上的電壓與電源電壓之比為品質因數[Q=UC/US= UL/US=1/(ω0RC) ]。電阻R與品質因數Q成反比,電阻R大小影響Q。
3、頻率特性。頻率特性就是幅頻特性和相頻特性統稱。取電阻R上的電壓uR作為響應,當輸入電壓uS的幅值維持不變時,
(1)幅頻特性:輸出電壓有效值UR與輸入電壓有效值US的比值(UR/US)是角函數或頻率的函數。
(2)相頻特性:輸出電壓uR與輸入電壓uS之間的相位差是角函數或頻率的函數。
(3)諧振曲線:串聯諧振電路中電流的諧振曲線就是電路中電流I=UR/R隨頻率變動的曲線。(以UR/US為縱坐標,因US不變,相當於以UR為縱坐標,故也可以直接以UR/R為縱坐標,畫出電流的諧振曲線如圖4-8-2所示)。
(4)上、下限頻率:當UR/US=0.707,即UR=0.707US,輸出電壓UR與輸入電壓有效值US的比值下降到最大值的0.707倍時,所對應的兩個頻率分別為下限頻率f1和上限頻率f2,上、下限頻率之差定義為通頻帶BW=f2-f1。通頻帶的寬窄與電阻有關。
工程上常用通頻帶BW來比較和評價電路的選擇性。通頻帶BW與品質因數Q值成反比,Q值越大,BW越窄,諧振曲線越尖銳,電路選擇性越好。
在電力工程中,一般應避免發生諧振,如由於過電壓,可能擊穿電容器和電感線圈的絕緣。在電信工程中則相反,常利用串聯諧振來獲得較高的信號,如收音機收聽某個電台。
4、實驗室測量諧振點的方法。實驗室中容易實現的諧振方法是通過保持交流電源電壓值不變,只改變它的頻率,用高頻電壓表監測串聯電路中電阻兩端的電壓達到最大值(即電路中電流達到最大值)的方法來確定諧振點,此時的頻率即為串聯諧振頻率f0。
5、電路品質因數Q值的兩種測量方法:
方法一:根據諧振時公式Q=UC/US=UL/US測定;
方法二:通過測量諧振曲線的通頻帶寬度BW=f2-f1,再根據Q=f0/( f2- f1)求出Q值。