对串联谐振和并联谐振的学习、实验、再认识、再疑惑

changwanren

                                                对串联谐振和并联谐振的学习、实验、再认识、再疑惑
一、        关于概念和定义：
      网上收索到的定义和特点
说法1：
      串联谐振
      在电阻、电感和电容的串联电路中，出现电路的端电压和电路总电流同相位的现象，叫做串联谐振。 串联谐振的特点是：电路呈纯电阻性，端电压和总电流同相，此时阻抗最小，电流最大，在电感和电容上可能产生比电源电压大很多倍的高电压，因此串联谐振也称电压谐振。
     并联谐振
    在电感线圈与电容器并联的电路中，出现并联电路的端电压与电路总电流同相位的现象，叫做并联谐振。 并联谐振电路总阻抗最大，因而电路总电流变得最小，但对每一支路而言，其电流都可能比总电流大得多，因此电流谐振又称电流谐振。
说法2
      串联谐振
      在电阻、电容、电感串联电路中，出现电源、电压、电流同相位现象，叫做串联谐振，其特点是：电路呈纯电阻性，电源、电压和电流同相位，电抗X等于0，阻抗Z等于电阻R，此时电路的阻抗最小，电流最大，在电感和电容上可能产生比电源电压大很多倍的高电压，因此串联谐振也称电压谐振。
      并联谐振       
      谐振电压与原电压叠加，并联谐振：在电阻、电容、电感并联电路中，出现电路端电压和总电流同相位的现象，叫做并联谐振，其特点是：并联谐振是一种完全的补偿，电源无需提供无功功率，只提供电阻所需要的有功功率，谐振时，电路的总电流最小，而支路电流往往大于电路中的总电流，因此，并联谐振也叫电流谐振。
      从定义中看出是通过电源的电压、电流与谐振回路中的电流、电压相位的比较来定义的。所以对此定义的理解：串联谐振和并联谐振都是对信号源而言，说的是信号源、谐振回路的压流的相位关系，与调谐回路负载无关，负载只能改变回路电感、电容、电阻的数值。
典型电流链接形式

      关于负载中的电感电容会影响谐振频率发生改变，略谈。纯阻性负载，会使谐振回路Q值发生改变。谈一下谐振回路Q值。
      谐振回路有自身的损耗电阻，设为Rr，与回路串联，负载电阻连接在电感或电容两端，与回路并联，设为RL，采用电感抽头或电容串联分压的负载，其并联等效电阻可可按匝数比或串联电容比求出。

      回路中有两个电阻，一个串联在回路中，一个并联在回路中，不好计算Q值，可以通过变换，将其转换成一个等效的串联电阻或并联电阻。
   Q值的计算公式等效电阻转换公式见下图

例如，L=260uH  C=340p    Rr=5Ω，RL=120kΩ
计算：f0=1/2π根号下        LC=535.6KHz
      ρ=2πf0L=2π×535.6×103×260×10-6=875Ω
      r1=ρ2/RL=8752/120000=6.38Ω
      r等效=Rr+r1=5+6.38=8.38
    Q=ρ/ r等效=875/11.38=76.88

changwanren

二、        关于磁耦合谐振回路的测试
     测量连接示意图

       关于磁棒天线的谐振回路是串联回路还是并联谐振，论坛中有的认为是并联谐振，有的认为是串联谐振。由于信号源（发射台）无导线连接，所以无法通过连接方式进行判断，关于谐振回路是否升压，还无法测量信号源电压是多少，由于无法知道信号源（发射台）的电压电流，无法采用电压电流的相位判断，所以给判断带来困难。
     有的坛友认为电压产生在谐振线圈的两端，所以是并联谐振。疑问：既然电源加在线圈的两端，若拿掉谐振电容，收音机接收的信号强度不会衰减，于是有的坛友解释为：发射台是恒流源，磁棒天线是并联谐振，所以，当接收频率等于谐振频率时，输出电压对大，假设与得到的结果理论上是正确的。但是还有疑问：天线线圈若是负载，谐振时与不谐振时，负载电阻的变化，影响输出电压。但此线圈不是负载，它是电源，线圈两端的电动势Em=nBSω，
     电动势大小正比于匝数、磁感应强度，线圈包围面积，频率，此电动势与线圈阻抗大小无关。
磁棒天线是通过磁耦合得到能量的，我们就把信号源通过磁耦合把能量传给磁棒进行实验，可以测量谐振回路输出电压能否升高，通过信号源发射功放管电流的大小等或许能够判断是串联谐振还是并联谐振。但此做法还与发射台不同，由于信号源功率的关系，耦合线圈不能与磁棒天线太远。
    1：判断谐振时磁棒线圈两端电压能否高出信号源电压
实验1：
  
      测试条件：连接信号源的空心线圈为65匝，信号源连接此线圈后，输出电压4.4伏。磁棒线圈共80匝，断开磁棒调谐回路的可变电容，调整信号源空心线圈与磁棒的距离，在磁棒线圈两端测得12.1毫伏电压，等于0.0121伏，信号源工作频率600KHz。。连接可变电容，（此时处于谐振），磁棒线圈两端电压升高到2.39伏，没有高出信号源电压。
   此次测量磁棒线圈谐振时与不谐振电压升高2.39/0.0121=197倍。磁棒线圈匝数80，信号源线圈匝数65，80/65=1.23倍，若信号源线圈的磁通量100%通过磁棒线圈的话，磁棒线圈电压应为4.4×1.23=5.4伏，可不可以这样认为：5.4/0.0121=446倍，耦合比为446：1
  实验2：

     在实验1的条件下，将信号源线圈移近磁棒，在磁棒线圈不接可变电容的条件下，测得线圈两端电压为105毫伏，等于0.105伏，接上可变电容，谐振时线圈两端电压为9.19伏，谐振电压高出信号源电压，谐振时与不谐振电压升高9.19/0.105=87倍。
    实验3：

       实验条件与实验2的基础上，将信号源线圈再移近磁棒，利用扫频仪扫频，设置扫频频率380-700KHz，扫频图像的Y轴不是磁棒线圈两端的电压，是信号源发射管的工作电流。
      扫频结果，磁棒谐振回路谐振时，发射管的工作电流最大，说明谐振回路阻抗最小
    结合实验2和实验3，谐振电压可高出信号源电压，谐振回路阻抗最小。判断为是串联谐振。

     实验4：

     实验条件与实验3相同，不同的是断开可变电容，将磁棒线圈短路，扫频结果，发射管电流随频率的增加而减小。

zhke

从原理上说磁棒谐振时初级必须电流最大。至于是串联还是并联谐振俺也蒙圈了！

changwanren

三、        关于电容耦合谐振回路的测量
      测量连接示意图

     1、判断线圈两端电压能否高出信号源电压
实验5

   测量条件 信号源频率600KHz，输出电压4.4伏，与磁棒调谐回路通过30p电容耦合，测量结果：谐振时线圈两端电压26.3伏。谐振时线圈两端电压大于信号源电压。
    由于没有直接测量谐振时可变电容的数值，估算余下，设线圈电感260uH，谐振频率600KHz，算得可变电容为270p，270/30=9，所以断开电感线圈，可变电容两端电压为0.44伏，26.3/0.44=59.8倍，故谐振时与不谐振时电压升高59.8倍。
2、        判断电容耦合是谐振回路的阻抗
    实验6

       测量条件 信号源扫频频率500-700KHz，与磁棒调谐回路通过30p电容耦合，扫频结果
磁棒谐振回路谐振时，发射管的工作电流最大，说明谐振回路阻抗最小
      结合实验5和实验6，谐振电压可高出信号源电压，谐振回路阻抗最小。判断为是串联谐振。

changwanren

zhke 发表于 2021-7-13 07:50
从原理上说磁棒谐振时初级必须电流最大。至于是串联还是并联谐振俺也蒙圈了！

       我扫频的频率与电流的关系，此电流不是谐振线圈初级电流，是信号源发射部分的电流，此电流在不接负载时，工作电流是2.8毫安，当连接负载时，随负载电阻的减小，电流而增大，最大可达40毫安。为了避免直流产生影响，输出有隔直电容。谢谢关注，我还会发并联谐振的扫频特性的帖子，敬请关注。至于是串联谐振还是并联谐振，我现在的初步认识是串联谐振，但不能绝对叫真。继续实验，采用双踪示波器，测量二者的电流和电压的相位关系，这样会直接与定义对号。

qlzh

好实验，楼主能介绍一下在电脑上使用的高频扫频仪等仪器吗？

LAOSUN123

这个实验很有意义。比脑补强多了 。

changwanren

qlzh 发表于 2021-7-13 09:12
好实验，楼主能介绍一下在电脑上使用的高频扫频仪等仪器吗？

了解此扫频仪请看我在第十二届DIY大赛参赛的统调检测仪的帖子，网址：
http://www.crystalradio.cn/forum ... =1909576&extra=

LAOSUN123

这个应该是近场测量，就是测试回路对发射回路有影响，真实的发射台距离接受机的距离很远，接受回路任何变化应该不影响发射方， 等效耦合电容远远小于1皮法，  上述测试结果及推论还是有疑问。
  

LAOSUN123

假设发射天线到接收机的等效电容为1皮法，则耦合电容与谐振回路的等效电感要大于2300uh,这简直不可实现，

真实场景的等效耦合电容要比这个低很多， 等效串联谐振回路是怎样组成的？

changwanren

四、关于直接耦合谐振回路的测量
         测量连接示意图

实验7

拿掉信号源的空心线圈，将信号源并联在磁棒线圈的1/2抽头和对地两点间。是典型的并联谐振。扫频结果，在谐振点处，发射管电流最小，说明谐振阻抗最大，是并联谐振。从曲线上看，曲线波形不尖锐，说明此谐振Q值非常低，是由信号源内阻太小造成的，为了证实，将次级8匝线圈也加入初级，抽头匝数比为11：1，扫频曲线见下图。

    在谐振点上，信号源发射管电流最小
   结论：信号源发射管电流最小，谐振回路阻抗最大，是并联谐振。

zhke

changwanren 发表于 2021-7-13 08:06
我扫频的频率与电流的关系，此电流不是谐振线圈初级电流，是信号源发射部分的电流，此电流在不接 ...

等结果了                              

changwanren

LAOSUN123 发表于 2021-7-13 10:01
假设发射天线到接收机的等效电容为1皮法，则耦合电容与谐振回路的等效电感要大于2300uh,这简直不可实现，
...

      若讨论电容耦合是以接收电场的能量接收信号的，对于磁棒天线应该把磁棒调谐回路屏蔽，需外加天线，我认为此电容耦合不是发射天线和接收天线间的电容，是接收天线自身的对地电容，当接收天线小于1/4波长时，天线呈容性，其电容的大小随天线的长度增长而增大。
     对于调谐谐振回路的谐振，电容耦合，谐振电容不只是耦合电容，数值是耦合电容+可变电容。不是你计算的那样谐振电容只是耦合电容。
     外接天线可以直接接在调谐回路的热端上，但天下太长导致耦合电容过大，会影响高端统调，所以还要串联一只小电容与调谐回路的热端连接。
     振子天线接收电磁波好多教科书上形象解释为掰开的电容器。

L北斗

有仪器就是好，直观，感性，有利于学习实践。

changwanren

aaa555000 发表于 2021-7-13 13:23
看见常老师的速效救心丸了！ 上了年纪心脏总有不适，多保重身体哟！
我也是把这神药当随身之物，以防不 ...

       有冠心病已有十余年了，自己发现胸闷气短，就含上几粒，二十多分钟见效。
       学无止境，觉得真是老了，力不从心了。尤其是折腾单片机程序，电脑软件编写，对于英语零基础的我，有时确实弄得晕头转向，咱们的这种业余爱好，不都是非常叫真吗，但我不固执。
       我的职业是初中物理教师，很多人对于教师有这样的评价：教师总是把自己的观点强迫别人接受。在论坛中，我只是一个业余爱好，一些初浅的电子理论知识，只是通过业余学习得到的，对于自己的认识正确与否，确实不敢叫真，但有求真的愿望。在论坛中，经常告诫自己，自己只是一个学生，不能把自己的认识让别人也认同，至于有没有“教师总是把自己的观点强迫别人接受”的影子，自己就觉察不到了。