电路分析(西南交大)版

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Z I US Z R = = 0 = = 2 2 I0 US Z0 Z R +X R 1 R2 + ωL − ωC
2
I ω 2. 相对电流幅频特性 I ~ 、通用谐振曲线 ω0 0
进一步推导(见参考书) 进一步推导(见参考书)可得
I = I0 1 ω ω 1+ Q2 − 0 ω ω 0
UC =
ω ω0
QUS ω ω 1+ Q2 − 0 ω ω 0
US I (ω) = = Z(ω) US 1 R2 + ωL − ωC
2
—— 电流幅频特性
I ~ω曲线称为谐振曲线,如图所示,它反映了谐振时 I=I0 曲线称为谐振曲线, 曲线称为谐振曲线 如图所示, = 最大, = 和 最小。 最大,ω=0和ω→ ∞时,I=0最小。 时 = 最小
一. 阻抗频率特性 串联谐振电路, 右图所示 RLC串联谐振电路,其阻抗与频率之关系为 串联谐振电路

I

R
jωL
+ -
+
Z

-
+

1 −j ωC
+

US
UR
UL
UC
-
1 Z(ω) = R + jωL − = R + jX(ω) Z(ω) ϕ(ω) ωC 1 X (ω) = XL (ω) + XC (ω) = ωL − ωC 1 2 Z(ω) = R + ωL − ωC
• • •
U R0 = R I 0 =U S
—— • 最大 • ωL U L0 = jω0L I 0 = j 0 U S = jQU S R

• • 1 • UC0 = − j I 0 = − jω0L I 0 = − jQU S ω0C

UL0 = UC0 = QUS
上列式中
Q=
ω0L
RFra Baidu bibliotek
=
1 ω0CR
Z ' = R jωL = j52× 260 = 51 78.69o Ω = (10 + j50) Ω 260 + j52
)。图 图(a)等效为图(b)。图(b)中 )等效为图( )。 )
R' =10 Ω ,
由谐振条件, 由谐振条件,
ωL' = 50 Ω
1 = ωL' = 50 ωC 1 1 F = 200 µF C= = 5000 50×100 US 10 I= = = 0.8333 F RS + R' 12 Q=
主 要 内 容
RLC串联谐振电路 §9-1 RLC串联谐振电路 RLC串联谐振电路的频率特性和 §9-2 RLC串联谐振电路的频率特性和 通频带 §9-3 并联谐振电路 §9-4 纯电抗串并联谐振电路
实际电路中,常有输入为多频信号, 1 . 实际电路中,常有输入为多频信号,而负载只需要一个频率信号或一 频带信号的情况,这时就需要在输入与负载之间接一选频电路或滤波电路( 频带信号的情况,这时就需要在输入与负载之间接一选频电路或滤波电路(下 图所示)以达到目的。 图所示)以达到目的。 f1 f2
I (ω)
I0
0
容性
ω0
感性
ω
不同的串联谐振电路, 不等, 不同的串联谐振电路,I 、ω0不等,谐振曲线也 0 ω I = f 不同。为了便于统一分析,我们用相对概念的电流幅频特性, 不同。为了便于统一分析,我们用相对概念的电流幅频特性,即用 I ω 0 0 来分析电路。 串联电路, 来分析电路。RLC 串联电路,设 US 不变 ,于是
ω0 =
1 LC 1 f0 = 2π LC
电路固有谐振频率
2 . 调谐 根据上式, 使电路发生谐振, 根据上式,可以调 f 或 C 或 L 使电路发生谐振,使电路发生谐振的 f 、C、 、 L 为:
f = f0 =
1 2π LC
C = C0 =
1 1 = ω2L (2πf )2 L 1 1 L = L0 = 2 = ω C (2πf )2 C
通信和电子技术中的谐振电路, 一般都很大, 通信和电子技术中的谐振电路,品质因数 Q 一般都很大,即 Q >> 1 ,因 此 UL0 =UC0 >>US 。
4 . 相量图 RLC串联谐振电路的相量图如右图所示。 串联谐振电路的相量图如右图所示。 串联谐振电路的相量图如右图所示

U L0
U R0 = U S
选频电路 或 滤波电路
负 载
选频电路:选出一个频率信号或一频带(一段频率) 选频电路:选出一个频率信号或一频带(一段频率)信号的电路称为选频 电路。谐振电路为常见的一种。 电路。谐振电路为常见的一种。 2. 谐振、 谐振、谐振电路 + u _ i
谐振: 构成的二端网络, 谐振:右图所示由 R、L、C构成的二端网络, 、 、 构成的二端网络
RLC串联谐振电路的频率特性和 §9-2 RLC串联谐振电路的频率特性和 通频带
RLC 串联谐振电路是一种选频电路,为了了解其选频性能,需要分析电路 串联谐振电路是一种选频电路,为了了解其选频性能, 的频率特性。频率特性是指电路中电流、电压、阻抗(导纳) 的频率特性。频率特性是指电路中电流、电压、阻抗(导纳)等量与频率变化 的关系。 的关系。
角频率ω= 例 图(a)电路谐振,电源电压有效值 US =10 V,角频率 =100 rad/s 。 )电路谐振, 求:C、I、品质因数 、UC 、 L 和 IL、IR 。 、 、品质因数Q、 U
−j 1 ωC
R'
Z'
2
C
2
+
RS
+
us
(a) )
Z'
L
R

US
(b) )
jωL'

jωL = j100×520×10−3 = 52 Ω
2
ϕ(ω) = arctan
ωL −
1 ωC R
它们统称为阻抗频率特性,其对应的特性曲线如下图( )所示。由图可见, 它们统称为阻抗频率特性,其对应的特性曲线如下图(a)所示。由图可见,
ω = ω0 时,X=0 ,ϕ=0 ,电路呈阻性, Z(ω) = R为最小; < ω0 时, X< 0 , ω 电路呈阻性, 为最小; = 电路呈容性; = 电路为纯容性, 电路呈容性; ω=0 时, ϕ = −π 2 ,电路为纯容性, Z = ∞;ω > ω0 , X > 0, 时
二 . 串联谐振电路的特点 1 . 谐振阻抗、感抗、容抗 谐振阻抗、感抗、
Z0 = R —— 最小(与非谐振状态比) 最小(与非谐振状态比)
ω0L =
式中
1 L L = = =ρ ω0C C LC
ρ = L C 称为特性阻抗 。
2 . 谐振电流、电压 谐振电流、
I0 =
• • • •
US US • • = —— 最大, I 0 与 U S 同相 最大, Z0 R
f0 = 1 1 = Hz −3 −12 2π LC 2π 4×10 ×160×10 = (199×103 ) Hz =199 kHz
U 2.5 = A = 0.05 A = 50 m A R 50
L R C
+
u
-
I0 =
1 L 1 4×10−3 Q= = = =100 −12 R R C 50 160×10 UC0 = QU = (100×2.5) V = 250 V
电路呈感性; 电路为纯感性, 电路呈感性; ω→ ∞ 时, ϕ = π 2 电路为纯感性, Z = ∞ 。
Z(ω)
XL (ω)
ϕ(ω)
π
2
X (ω)
R
ω0
XC (ω)
ω
0
ω0
ω

π
2
容性 感性
二. 电流幅频特性 1. 电流幅频特性 I ~ω、谐振曲线 、 RLC串联电路中电流有效值 串联电路中电流有效值
ρ
大大超过了外加电压。 可见 UC0 大大超过了外加电压。 时的串联谐振电路, 下两图所示为接有负载 RL 时的串联谐振电路,
R C R L C RL
+ -
+
Zi
L RL
-
Zi
分析时,应从谐振条件出发,即令输入阻抗 Zi 的虚部为零,由 分析时,应从谐振条件出发, 的虚部为零, 此即可求得谐振时的情况。 此即可求得谐振时的情况。
当端口的输入电流 i 与输入电压 u 同相时, u 、 i 同时起伏,电路的这一工作 同相时, 同时起伏, 状态称为谐振。 状态称为谐振。 谐振电路:能发生谐振的选频电路称为谐振电路。 谐振电路:能发生谐振的选频电路称为谐振电路。 , 同相, 说明 交流电路提高功率因数使 cos =1,这时也有 u 、 i 同相,但不称 为谐振电路,因为其功能不在选频。 为谐振电路,因为其功能不在选频。 3 . 谐振电路的分类 (1)串联谐振;( )并联谐振。 )串联谐振;(2)并联谐振。 ;(
—— 串联谐振电路的品质因数
串联谐振电路的 3 . 品质因数
,因此串联谐振又称为电压谐振
谐振电路品质因数的定义是 Q= 谐振时 L 或C 的无功功率绝对值 谐振时电路损耗的有功功率
2
根据此定义, 根据此定义,RLC串联谐振电路的品质因数为 串联谐振电路的品质因数为
1 I0 ω0L ω0L Q= 2 = = R ω0CR I0 R
式中 X = ωL −1 ωC 。 当 X=0 时,Z =R,U 与 I 同相 —— 谐振 。 = , 1. 串联谐振条件 串联谐振的条件是输入阻抗的电抗部分为零: = 串联谐振的条件是输入阻抗的电抗部分为零: X=0 即


ωL =
1 ωC
ω 表示, 谐振时的角频率和频率分别用 0 、f0 表示,于是有



I0

UC0
例 9-1 将一电感 L=4 mH、电阻 R=50 - = 、 =
的线圈
的正弦电源上。 与 C=160 pF 的电容器串联接在 U=2.5 V的正弦电源上。 = = 的正弦电源上 电源频率为多少时电路发生谐振, 电源频率为多少时电路发生谐振,此时电路中电流 I0 和 各为多少? 电容电压 UC0各为多少? 解 该题电路如右图所示
ωL'
RS + R'
=
50 = 4.167 12

Q=
1 = 4.167 ' (RS + R )ωC
UC = QUS = 4.167×0.8333 = 42.5 V UL = Z ' I = 51×0.8333 = 42.5 V
由图( ) 由图(a) IL =
UL 42.5 = = 0.8173 A ωL 52 U 42.5 IR = L = = 0.1635 A R 260
QUS ω ω 1+ Q2 − 0 ω ω 0
2
—— 电感电压频率特性
2.
UC UC0 ~
ω ω ω0 、UC ~ ω0
1 ω ω 1+ Q2 − 0 ω ω 0
2
ω I ω0 UC I ωC = = = UC0 I0 ω0C ω0 I0 ω
2
=
1 f f 1+ Q2 − 0 f 0 f
2
—— 相对电流幅频特性
ω I0 ~ ω0 曲线 —— 通用谐振曲线
I
I I0
1
通用谐振曲线如右图所示。 通用谐振曲线如右图所示。
0 1
ω ω0
谐振曲线呈山峰状,曲线的陡度取决于 值的大 谐振曲线呈山峰状,曲线的陡度取决于Q值的大 愈大( 愈高),曲线愈尖锐。 小,Q愈大(习惯称 愈高),曲线愈尖锐。由谐振曲线可以看出,当输入信号 愈大 习惯称Q愈高),曲线愈尖锐 由谐振曲线可以看出, 是一群大小相等而频率不同的电压时,它们在电路中产生的电流大小不等。 是一群大小相等而频率不同的电压时,它们在电路中产生的电流大小不等。频 及其附近值的信号在电路中产生的电流大, 率为 ω0 及其附近值的信号在电路中产生的电流大,而远离 ω0 的信号产生的电流 信号的能力, 小。由此可见,串联谐振电路有选择 ω0及其附近信号而抑制远离 ω0 由此可见, 信号的能力, 这一特性称为选择性。显然, 值愈高 选择性愈好。 值愈高, 这一特性称为选择性。显然,Q值愈高,选择性愈好。
U 三. UL 、 C 的频率特性
UL UL0 ~
1.
ω ω ω0 、UL ~ ω0
1 ω ω 1+ Q2 − 0 ω ω 0
2
UL ωLI ω I ω = = = UL0 ω0LI0 ω0 I0 ω0
UL = UL0 ×
UL U ω = QUS ⋅ L = UL0 UL0 ω0
RLC串联谐振电路 §9-1 RLC串联谐振电路
下图所示为 R、L、C 串联谐振正弦电路的相量模型。 、 、 串联谐振正弦电路的相量模型。

I

R
jωL
+ -
+

-
+

US
Z
UR
UL
−j 1 ωC
+

UC
-
一 . RLC 串联电路的谐振条件
1 Z = R + jωL − = R + jX 见图中所示), 分析输入阻抗 Z (见图中所示), ωC
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