谐振电路
虽然电感器最为重要的应用是组成谐振电路,但在电感器用做其它用途时确定谐振频率和施加阻尼也很重要。
有些时候,识别有害的共振是很重要的,有时借助于频率测量仪能很容易地判定未知电感器的值。
当一个电感器和一个电容如下图那样连接在一起,就组成一个谐振电路。电能将在电感和电容之间像钟摆运动一样来回‘摆动’。由于这种电路具有特定的谐振频率,在被一个短的电流脉冲激励后,电路将按下式给定的频率自由振荡。
谐振电路常用于存在有一系列不同频率的电路及混频电路中,能够按照其谐振频率识别出其相应的电流和电压。并联谐振电路具有复数阻抗Z,其峰值出现在谐振频率fo。在此频率时RC=RL,而通过电感和电容的电流由于具有180度的相位差而完全抵消了。一个不带阻尼的理想的并联谐振电路在其谐振频率上具有无限大的阻抗。而实际上,由于线圈的电阻及电感器磁芯中的磁损和辐射总会使能量发生损失,而谐振电路阻抗保持限定值,因此振荡会逐渐减弱。为简化起见,电路中这些损耗可以看作振荡器内部并联的等效损耗电阻,如下图中所示。
对于振荡电路来说,确定其品质系数(又称Q系数,或Q值)十分重要。Q值与振荡电路的带宽成反比。Q值无量纲,可以通过取电路中等效损耗电阻R与谐振电路的感抗RL=2π fL或容抗Rc=l/(2πfC)之比获得。
即:Q=RL/R=Rc/R如果谐振电路被一个固定振幅,频率变化的交变电流I(如一个高内阻的交流信号发生器)所激励,则通过振荡电路的电压将与复数阻抗Z的大小成正比。在谐振频率上,这一电压达到极大值。在共振时,电压的增量与振荡中所受到的阻尼所引起的能量损耗成反比,而与谐振电路的Q值成正比。在谐振频率的两侧都可以找到一个点,在这一点上电压降到最大值的1/&raDIC;2=0.707倍(-3dB)。这两点之间的频率差被定义为这一电路的频带宽BW。
一个电路的频宽BW与谐振频率fo和Q值之间的关系是:
BW-3 dBl=fo/Q
下图给出了对应于一系列不同的Q值的振荡曲线。Q=50的电路( BWl)比Q=110( BW2)的电路具有更大的带宽。还可以看到:随着Q值的增大,振荡峰值增高,意味着电路在谐振频率处的振荡更强。相比之下,不同的电路在远离谐振频率处显示几乎相同的特性。
实际上,电路的阻尼和与之相关的Q值几乎都是由电路中串联或并联的电阻所引起的。串联电阻来自于制作线圈的导线,称为“铜损”。由于“趋肤效应”,在确定的频率下的交流阻抗大于电感器的直流电阻,而并联电阻决定于电路中的匹配阻抗,同时铁芯和铁氧体磁芯的损耗也以并联电阻的形式表现出来,称为“铁损”。当电感值确定时,由于带磁芯的电感器需要的圈数较少,“铜损”较少。但是却增加了一些“铁损”。
在高频频段(高于100MHz),使用空心线圈。采用粗的镀银导线来绕制可以得到最好的效果。在中频段(约10MHz).使用封闭磁芯,例如环型磁芯能够得到最好的Q值。而空心线圈也可以用于低达1MHz的频段中,与之相反,用于低频段的电感器和变压器则几乎总是需要铁芯的。结构良好的线圈谐振电路的Q值可以达到100,当然由于连接电路和天线也会产生阻尼。这种阻尼可以通过在谐振电路上使用去耦电路来抵消,例如使用小的辅助绕组、线圈抽头或适当的电容。如果谐振电路要连接放大器,要求放大器有很高的内阻,以使阻尼最小化