串聯(lián)/并聯(lián)諧振電路詳解

在含有電阻、電感和電容的交流電路中，電路兩端電壓與其電流一般是不同相的，若調(diào)節(jié)電路參數(shù)或電源頻率使電流與電源電壓同相，電路呈電阻性，稱這時(shí)電路的工作狀態(tài)為諧振。

諧振現(xiàn)象是正弦交流電路的一種特定現(xiàn)象，它在電子和通訊工程中得到廣泛應(yīng)用，但在電力系統(tǒng)中，發(fā)生諧振有可能破壞系統(tǒng)的正常工作。

諧振一般分串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。顧名思義，串聯(lián)諧振就是在串聯(lián)電路中發(fā)生的諧振。并聯(lián)諧振就是在并聯(lián)電路中發(fā)生的諧振。

串聯(lián)諧振

簡(jiǎn)介

在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路內(nèi)，當(dāng)容抗XC與感抗XL相等時(shí)，即XC=XL，電路中的電壓U與電流I的相位相同，電路呈現(xiàn)純電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振。當(dāng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)電路中總阻抗最小，電流將達(dá)到最大值。

串聯(lián)諧振發(fā)生的條件

一個(gè)串聯(lián)電路中，要想發(fā)生諧振，需要滿足一定的條件。

串聯(lián)諧振電路特點(diǎn)

● 總阻抗值最小

● 電源電壓一定時(shí)，電流最大

● 電路呈電阻性，電容或電感上的電壓可能高于電源電壓

諧振時(shí)電路中的能量變化

電路向電源吸收的 Q=0 ，諧振時(shí)電路能量交換在電路內(nèi)部的電場(chǎng)與磁場(chǎng)間進(jìn)行。電源只向R提供能量。

高電壓可能會(huì)損壞設(shè)備。在電力系統(tǒng)中應(yīng)避免發(fā)生串聯(lián)諧振。而串聯(lián)諧振在無線電工程中有廣泛應(yīng)用。

串聯(lián)諧振電路的應(yīng)用

利用串聯(lián)諧振產(chǎn)生工頻高電壓，應(yīng)用在高電壓技術(shù)中，為變壓器等電力設(shè)備做耐壓試驗(yàn)，可以有效的發(fā)現(xiàn)設(shè)備中危險(xiǎn)的集中性缺陷，是檢驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度的最有效和最直接的方法。應(yīng)用在無線電工程中，常常利用串聯(lián)諧振以獲得較高的電壓。

在收音機(jī)中，常利用串聯(lián)諧振電路來選擇電臺(tái)信號(hào)，這個(gè)過程叫做調(diào)諧，下圖即為其典型電路。

當(dāng)各種不同頻率信號(hào)的電波在天線上產(chǎn)生不同頻率的電信號(hào)，經(jīng)過線圈1L感應(yīng)到線圈2L。如果振蕩電路對(duì)某一信號(hào)頻率發(fā)生諧振時(shí)，回路中該信號(hào)的電流最大，則在電容器兩端產(chǎn)生一高于此信號(hào)電壓Q倍的電壓CU。而對(duì)于其它各種頻率的信號(hào)，因?yàn)闆]有發(fā)生諧振，在回路中電流很小，從而被電路抑制掉。所以，可以改變電容C，以改變回路的諧振頻率來選擇所需耍的電臺(tái)信號(hào)。

并聯(lián)諧振

簡(jiǎn)介

在電感和電容并聯(lián)的電路中，當(dāng)電容的大小恰恰使電路中的電壓與電流同相位，即電源電能全部為電阻消耗，成為電阻電路時(shí)，叫作并聯(lián)諧振。

并聯(lián)諧振是一種完全的補(bǔ)償，電源無需提供無功功率，只提供電阻所需要的有功功率。諧振時(shí)，電路的總電流最小，而支路的電流往往大于電路的總電流，因此，并聯(lián)諧振也稱為電流諧振。

發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，在電感和電容元件中流過很大的電流，因此會(huì)造成電路的熔斷器熔斷或燒毀電氣設(shè)備的事故;但在無線電工程中往往用來選擇信號(hào)和消除干擾。

并聯(lián)諧振發(fā)生條件

在以下兩類電路中

發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，

并聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)

● 電壓一定時(shí)，諧振時(shí)電流最小

● 總阻抗最大

● 電路呈電阻性，支路電流可能會(huì)大于總電流

并聯(lián)諧振電路的應(yīng)用

LC并聯(lián)諧振回路在通信電子電路中的應(yīng)用由它的特點(diǎn)決定。具體來說，主要包括三大類，其一是工作于諧振狀態(tài)，作為選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，此時(shí)呈現(xiàn)為大的電阻，在電流的激勵(lì)下輸出較大的電壓;其二是工作于失諧狀態(tài)，此時(shí)呈現(xiàn)為感性或容性，與電路中其他電感和電容一起，滿足三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩條件，形成正弦波振蕩器;其三是工作于失諧狀態(tài)，即工作于幅頻特性曲線或相頻特性曲線的一側(cè)，實(shí)現(xiàn)幅頻變換、頻幅變換以及頻相變換、相頻變換，構(gòu)成角度調(diào)制與解調(diào)電路。

1、用作選頻匹配網(wǎng)絡(luò)的LC并聯(lián)諧振回路

選頻即從輸入信號(hào)中選擇出有用頻率分量而抑制掉無用頻率分量或噪聲。在通信電子電路中，LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)而使用是最普遍的，它廣泛地應(yīng)用于高頻小信號(hào)放大器、丙類高頻功率放大器、混頻器等電路中。這些電路的共同特點(diǎn)是：LC諧振回路不僅是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，通過變壓器連接方式，還起到阻抗變換的作用，減小放大管或負(fù)載對(duì)諧振回路的影響，可獲得較好的選擇性。

高頻小信號(hào)選頻放大器用來從眾多的微弱信號(hào)中選出有用頻率信號(hào)加以放大，并對(duì)其他無用頻率信號(hào)予以抑制，它廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備的接收機(jī)中。單調(diào)諧放大器電路及交流通路如下圖所示。

上圖中，LC并聯(lián)諧振回路作為晶體管集電極負(fù)載，它調(diào)諧于放大器的中心頻率。在聯(lián)接方式上，LC回路通過自耦變壓器與本級(jí)集電極電路進(jìn)行聯(lián)接，與下一級(jí)的聯(lián)接則采用變壓器耦合。

2、作為電容構(gòu)成泛音晶體振蕩器的LC并聯(lián)諧振回路

在外加交變電壓的作用下，石英晶片產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)中，除了基頻的機(jī)械振動(dòng)外，還有許多奇次頻率的泛音。當(dāng)需要工作頻率很高的晶體振蕩器時(shí)，多使用泛音晶體振蕩器。下圖所示為泛音晶體振蕩器。

上圖中石英晶體與CL支路呈電感特性，以石英晶體、C2以及L1C1回路一起構(gòu)成三點(diǎn)式振蕩器，根據(jù)三點(diǎn)式振蕩器的組成原則(射同它異)，L1C1諧振回路應(yīng)呈容性。假定圖中石英晶體工作在5次泛音頻率上，標(biāo)稱頻率為5 MHz，為了抑制基頻和3次泛音的寄生振蕩，L1C1回路應(yīng)調(diào)諧在3次和5次泛音頻率之間，即3～5 MHz之間。由圖(b)所示的L1C1諧振回路電抗特性曲線可知，對(duì)于5次泛音頻率5 MHz，L1C1回路呈容性，電路滿足三點(diǎn)式振蕩條件，可以振蕩。對(duì)于小于L1C1回路諧振頻率的基波和3次諧波，回路呈電感特性，不符合射同它異的組成原則，不能產(chǎn)生振蕩。對(duì)于7次及7次以上的泛音，雖然L1C1回路也呈容性，但此時(shí)的等效電容過大，振幅起振條件不能滿足，振蕩也無法產(chǎn)生。

3、實(shí)現(xiàn)幅頻變換和頻相轉(zhuǎn)換功能的LC并聯(lián)諧振回路

LC并聯(lián)諧振回路阻抗的相頻特性是一條具有負(fù)斜率的單調(diào)變化曲線，利用曲線中，線性部分可以進(jìn)行頻率與相位的線性轉(zhuǎn)換，這主要應(yīng)用在相位鑒頻電路中;同樣，LC并聯(lián)諧振回路阻抗的幅頻特性曲線中的線性部分也可以進(jìn)行頻率與幅度的線性轉(zhuǎn)換，因而在斜率鑒頻電路中也得到了應(yīng)用。

以斜率鑒頻器為例，如圖所示，圖(a)是諧振回路的輸入電流與輸出電壓。圖(b)是其中的頻率一振幅變換原理。圖(c)為單失諧回路鑒頻器原理圖。

調(diào)頻信號(hào)的電流是等幅、頻率隨調(diào)制信號(hào)變化的電流。當(dāng)此電流通過斜率鑒頻器的頻率一振幅變換網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由于LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的中心頻率為f0，輸入的高頻信號(hào)使LC網(wǎng)絡(luò)一直處于失諧狀態(tài)，即工作于諧振曲線上以A為中心的BC之間的區(qū)域。當(dāng)輸入信號(hào)頻率增大時(shí)，工作點(diǎn)由A向C移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓由Uma減小為Umc;反之，當(dāng)輸入信號(hào)頻率減小時(shí)，工作點(diǎn)由A向B移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓由Uma增大為Umb。當(dāng)輸入信號(hào)最大頻偏△f變化不大時(shí)，線段BC很短，可近似看作直線，因此它所產(chǎn)生的頻率-振幅變換作用是線性，輸出電壓振幅的變化與輸入信號(hào)頻率的變化呈線性關(guān)系。因此網(wǎng)絡(luò)可以將等幅的調(diào)頻信號(hào)變成調(diào)幅-調(diào)頻信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過二極管包絡(luò)檢波器就能夠解調(diào)出輸出信號(hào)。