„RLC körök mérése” változatai közötti eltérés
| 116. sor: | 116. sor: | ||
[[Fájl:Savzaro.jpg|bélyegkép|200px|3.ábra]] | [[Fájl:Savzaro.jpg|bélyegkép|200px|3.ábra]] | ||
| − | ===Sávzáró szűrő=== | + | ===Sávzáró és sáváteresztő szűrő=== |
Alul és felüláteresztő szűrők egymás után kapcsolásával és az áteresztési tartományok helyes megválasztásával előállítható olyan szűrő, amelyik csak egy meghatározott tartományban csillapítja a jelet. Az ilyen kapcsolást nevezik sávzáró szűrőnek. Ennek egy realizálása a 3. ábrán látható kettős T szűrő. | Alul és felüláteresztő szűrők egymás után kapcsolásával és az áteresztési tartományok helyes megválasztásával előállítható olyan szűrő, amelyik csak egy meghatározott tartományban csillapítja a jelet. Az ilyen kapcsolást nevezik sávzáró szűrőnek. Ennek egy realizálása a 3. ábrán látható kettős T szűrő. | ||
| 122. sor: | 122. sor: | ||
A kapcsolás részletes elemzése nélkül is megállapítható, hogy alacsony frekvenciákon a hosszági ellenállásokon, magas frekvenciákon a hosszági kondenzátorokon jut jel a kimenetre. | A kapcsolás részletes elemzése nélkül is megállapítható, hogy alacsony frekvenciákon a hosszági ellenállásokon, magas frekvenciákon a hosszági kondenzátorokon jut jel a kimenetre. | ||
| − | + | Ehhez hasonlóan alul- és felüláteresztő szűrőkből összeállítható olyan kapcsolás is, amely csak egy meghatározott tartományban engedi át a jeleket. Ezek a sáváteresztő szűrök. | |
| − | + | Az eddig ismertetett szűrőkapcsolások passzív elemekből állnak, jellemzőjük, hogy a kimeneti jel az áteresztési tartományokban sem nagyobb a bemenetinél. Aktív eszközökkel (pl. [http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier műveleti erősítő]) készíthető olyan szűrő, amelyik egyben a jel erősítését is elvégzi az áteresztési tartományban. | |
| − | + | ||
| − | Az eddig ismertetett szűrőkapcsolások passzív elemekből állnak, jellemzőjük, hogy a kimeneti jel az áteresztési tartományokban sem nagyobb a bemenetinél. Aktív eszközökkel (pl. [http:// | + | |
[[Fájl:Soros_RLC.jpg|bélyegkép|200px|4.ábra]] | [[Fájl:Soros_RLC.jpg|bélyegkép|200px|4.ábra]] | ||
| 136. sor: | 134. sor: | ||
A hálózat eredő impedanciája: | A hálózat eredő impedanciája: | ||
| − | + | $$\mathbf{Z}(\omega) = R + j\omega L + 1/j\omega C$$ | |
| − | + | ||
| − | + | ||
| − | + | ||
| − | + | ||
| − | + | ||
Az impedancia abszolút értéke és fázisszöge: | Az impedancia abszolút értéke és fázisszöge: | ||
A lap 2012. február 12., 15:32-kori változata
A mérés célja:
- megismerkedni a leggyakrabban használt frekvenciafüggő áramköri elemekkel és az ezekből felépülő szelektív áramkörökkel.
Ennek érdekében:
- áttekintjük a váltakozó áramú hálózatok reaktáns elemeinek tulajdonságait és néhány egyszerű szűrő, valamint egy rezgőkör frekvenciafüggő viselkedését,
- méréseket végzünk a fent említett hálózatokon.
Tartalomjegyzék |
Elméleti összefoglaló
Tekercs
A tekercsben indukálódó feszültséget az
![\[u(t) = L \frac{{\rm d}i(t)}{{\rm d}t}\]](/images/math/7/0/d/70d81694316981734d9306478ac2b228.png)
egyenlet írja le. Szinuszos gerjesztés [
] esetén
![\[u(t) = L \omega I_0 \cos\omega t\]](/images/math/f/1/2/f12b76bbaf9b56bd85974317696b666c.png)
ami a következő alakba is írható:
![\[u(t) = L \omega I_0 \sin( \omega t + 90^\circ)\]](/images/math/8/4/e/84e8dce413131f7ab96cd567a60396dc.png)
tehát a tekercsben fellépő feszültség 90°-ot siet az átfolyó áramhoz képest. A jelenség magyarázata a Lenz-törvényen alapul.
Kondenzátor
A kondenzátoron átfolyó áram időfüggését az alábbi egyenlet írja le:
![\[i(t) = C \frac{{\rm d}u(t)}{{\rm d}t}\]](/images/math/1/5/1/1514b1da65317e0322e95ce9e4387d82.png)
Szinuszos gerjesztés [
] esetén:
![\[i(t) = C\omega U_0\cos\omega t\]](/images/math/0/1/e/01e700a9287879a3c61cfe4f2ee715a7.png)
ami a fentiekhez hasonlóan a következő alakba írható:
![\[i(t) = C\omega U_0\sin(\omega t + 90^\circ)\]](/images/math/a/f/4/af4e2156b3026c9db418a73c54f7d859.png)
azaz a kondenzátor árama 90°-ot siet a feszültségéhez képest. Magyarázata az, hogy először áram folyik, így töltések kerülnek a lemezekre, és ezek hozzák létre a feszültséget. Gyakran szükséges a kondenzátor feszültségének ismerete, ami a differenciális forma alapján az alábbiak szerint számítható:
![\[u(t) = \frac{1}{C} \int i(t){\rm d}t\]](/images/math/6/3/c/63cb943f790da3fb58f46fada37b50b5.png)
Aluláteresztő szűrő
Írjuk fel az 1/a és 1/b ábrákon látható kapcsolások kimenő feszültségeit! (A vastag betűs mennyiségek komplex változók, 
a képzetes egység.)
 |
 |
![\[ \begin{array}{rcl} \mathbf{U}_{ki} & = & \mathbf{U}_{be} \frac{1/j\omega C}{R + 1/j\omega C} \\ \\ \mathbf{U}_{ki} & = & \mathbf{U}_{be} \frac{1}{1 + j\omega RC} \end{array} \]](/images/math/b/7/c/b7c626c15eb78b040394ba7114fd43ac.png) |
![\[ \begin{array}{rcl} \mathbf{U}_{ki} & = & \mathbf{U}_{be} \frac{R}{R + j\omega L} \\ \\ \mathbf{U}_{ki} & = & \mathbf{U}_{be} \frac{1}{1 + j\omega L/R} \end{array} \]](/images/math/8/d/5/8d535a5d400eee015ae924bfc0899e45.png) |
A kimeneti és bemeneti feszültségek hányadosa a hálózatra jellemző, frekvenciafüggő kifejezés.
![\[ \frac{\mathbf{U}_{ki}}{\mathbf{U}_{be}} = \frac{1}{1 + j\omega RC} \]](/images/math/b/4/a/b4ac9a1d7d323374047107f0f4c351ef.png) |
![\[ \frac{\mathbf{U}_{ki}}{\mathbf{U}_{be}} = \frac{1}{1 + j\omega L/R} \]](/images/math/b/d/8/bd868eaf7f755a0d4b16d6196eceb5e8.png) |
A két utóbbi kifejezés formailag azonos, tehát a két kapcsolás azonos jellegű viselkedést mutat. Ameddig 
vagy 
, a kifejezések értéke 1; ha 
vagy 
, a hányados értéke 
szerint csökken. Ez azt jelenti, hogy adott 
, 
és 
esetén az alacsony frekvenciájú jelek csillapítás nélkül jelennek meg a kimeneten, míg magasabb frekvenciákon a kimenő feszültség egyre kisebb. Ezeket a kapcsolásokat aluláteresztő szűrőknek nevezik.
Felüláteresztő szűrő
A 2/a és a 2/b ábrákon látható kapcsolásokat leíró egyenletek az előző pontban követett eljárás alapján az alábbiak szerint alakulnak.
 |
 | |
![\[ \begin{array}{rcl} \mathbf{U}_{ki} & = & \mathbf{U}_{be} \frac{R}{R + 1/j\omega C} \\ \\ \frac{\mathbf{U}_{ki}}{\mathbf{U}_{be}} & = & \frac{1}{1 + 1/j\omega RC} \end{array} \]](/images/math/e/6/6/e669f6954b5a319f927877a2718d09c3.png) |
![\[ \begin{array}{rcl} \mathbf{U}_{ki} & = & \mathbf{U}_{be} \frac{j\omega L}{R + j\omega L} \\ \\ \frac{\mathbf{U}_{ki}}{\mathbf{U}_{be}} & = & \frac{1}{1 + R/j\omega L} \end{array} \]](/images/math/2/9/8/298063be4f4115fe576ac7cfac5f7f4a.png) |
A kifejezésekből jól látszik, hogy a kapcsolások a kisfrekvenciás jeleket nem engedik a kimenetre, míg a nagyfrekvenciás jelek csillapítás nélkül jelennek meg a kimeneti pontokon.
Sávzáró és sáváteresztő szűrő
Alul és felüláteresztő szűrők egymás után kapcsolásával és az áteresztési tartományok helyes megválasztásával előállítható olyan szűrő, amelyik csak egy meghatározott tartományban csillapítja a jelet. Az ilyen kapcsolást nevezik sávzáró szűrőnek. Ennek egy realizálása a 3. ábrán látható kettős T szűrő.
A kapcsolás részletes elemzése nélkül is megállapítható, hogy alacsony frekvenciákon a hosszági ellenállásokon, magas frekvenciákon a hosszági kondenzátorokon jut jel a kimenetre.
Ehhez hasonlóan alul- és felüláteresztő szűrőkből összeállítható olyan kapcsolás is, amely csak egy meghatározott tartományban engedi át a jeleket. Ezek a sáváteresztő szűrök.
Az eddig ismertetett szűrőkapcsolások passzív elemekből állnak, jellemzőjük, hogy a kimeneti jel az áteresztési tartományokban sem nagyobb a bemenetinél. Aktív eszközökkel (pl. műveleti erősítő) készíthető olyan szűrő, amelyik egyben a jel erősítését is elvégzi az áteresztési tartományban.
Soros rezgőkör
Kondenzátor és tekercs soros kapcsolását (a veszteségeket soros ellenállással figyelembe véve) soros rezgőkörnek nevezik (4. ábra).
A hálózat eredő impedanciája:
![\[\mathbf{Z}(\omega) = R + j\omega L + 1/j\omega C\]](/images/math/6/0/4/60452012ac73440dd34795ed2669eae4.png)
Az impedancia abszolút értéke és fázisszöge:
![\[ Z(\omega) = \sqrt{R^2 + (\omega L-1/\omega C)^2} , \]](/images/math/d/8/3/d8390aabf94076fa241a14a1292e587b.png) |
![\[ \textrm{tan}\phi = \frac{\omega L - 1/\omega C}{R} \]](/images/math/f/2/5/f2518becda23a81cee59ffcc238878d6.png) |
A körben folyó áram:
![\[ I(\omega) = \frac{U_{be}}{\sqrt{R^2 + (\omega L-1/\omega C)^2}} \]](/images/math/6/3/d/63d66ef8473ad020971f6bda056bebc0.png) |
(11) |
A 
és 
függvényeket ábrázolva a kapcsolás jellegzetes tulajdonságaira derül fény (5. ábra).
Látható, hogy az eredő impedanciának 
esetén az
![\[ \omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}} \]](/images/math/7/1/0/7103f4ab2b02728bc54093dd64f2299c.png) |
(12) |
körfrekvencián minimuma van, értéke valós, a veszteségi ellenállással egyezik meg. A jelenséget rezonanciának, 
-t rezonancia-körfrekvenciának hívják. Ezen a körfrekvencián a körben folyó áram értéke maximális, úgynevezett áramrezonancia alakul ki. A bemeneti feszültség és a körben folyó áram közötti fázisszög az impedancia fázisszöge, ebben az esetben nulla.
Ez az áram - kis veszteségi ellenállást feltételezve - igen nagy feszültségeket hozhat létre a kondenzátoron és a tekercsen. Azonban ezek a feszültségek egymással 180°-os szöget zárnak be, abszolút értékük megegyezik, hiszen azonos áram folyik át rajtuk (6. ábra).
 |
![\[ \begin{array}{rcl} \mathbf{U}_L & = & \mathbf{I}j\omega L \\ \\ \mathbf{U}_R & = & \mathbf{I}R \\ \\ \mathbf{U}_C & = & \mathbf{I}/j\omega C \end{array} \]](/images/math/c/6/4/c647c10d0048963efd42fa691670fac4.png) |
Mérési feladatok
- A mérés elvégzéséhez és a mérési napló elkészítéséhez a dőlt betűs részekben adunk segítséget.
1. Állítson össze aluláteresztő szűrőt kondenzátor felhasználásával! Mérje meg a kimenő feszültséget 
függvényében! Ábrázolja a 
- 
függvényt! Ugyanitt ábrázolja a számításból adódó értékeket is. (
, 
, a feszültségeket multiméterrel mérje és oszcilloszkópon ellenőrizze!)
2. Állítson össze aluláteresztő szűrőt tekercs felhasználásával. Végezze el az 1. pont szerinti feladatokat! Itt 
legyen!
3. Állítson össze felüláteresztő szűrőt kondenzátor felhasználásával! A feladatokat az 1. pont szerint végezze el! Itt legyen!
4. Állítson össze felüláteresztő szűrőt tekercs felhasználásával! A feladatokat az 1. pont szerint végezze el! Itt legyen!
5. Állítson össze kettős T-szűrőt! Mérje a kimenő feszültséget függvényében! Ábrázolja -t függvényében! (A feszültségeket multiméterrel mérje és oszcilloszkópon ellenőrizze!)
6. Mérje meg mindkét aktív szűrő kimenő feszültségét függvényében! Ábrázolja a - függvényt! (A feszültségeket multiméterrel mérje és oszcilloszkópon ellenőrizze!)
7. Állítson össze soros rezgőkört! ( külön elemként legyen bekötve!) A frekvencia függvényében mérje meg 
, 
, és 
értékeit! Számítsa ki és ábrázolja a körben folyó áramot és az eredő impedanciát függvényében és határozza meg -t.
Megjegyzések: A méréshez szükséges alkatrészek egy átlátszó plexidobozban találhatók, banánhüvelyes kivezetésekkel. Az alkatrészek értékei a dobozról leolvashatók. Az egyes mérési feladatok elvégzésekor a mérési pontokat úgy válasszuk meg, hogy ahol jelentős a kimenő jel változása, ott sűrűbben, ahol kisebb, ott ritkábban helyezkedjenek el!
