困惑了很久的串聯/並聯諧振電路詳解

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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，若調節電路參數或電源頻率使電流與電源電壓同相，電路呈電阻性，稱這時電路的工作狀態為諧振。

 

諧振現象是正弦交流電路的一種特定現象，它在電子和通訊工程中得到廣泛應用，但在電力系統中，發生諧振有可能破壞系統的正常工作。

 

諧振一般分串聯諧振和並聯諧振。顧名思義，串聯諧振就是在串聯電路中發生的諧振。並聯諧振就是在並聯電路中發生的諧振。

串聯諧振

簡介

在電阻、電感及電容所組成的串聯電路內，當容抗XC與感抗XL相等時，即XC=XL，電路中的電壓U與電流I的相位相同，電路呈現純電阻性，這種現象叫串聯諧振。當電路發生串聯諧振時電路中總阻抗最小，電流將達到最大值。

 

串聯諧振發生的條件

一個串聯電路中，要想發生諧振，需要滿足一定的條件。

  

當，即：時，，這時，電壓與電流同相,電路中發生串聯諧振。

 

由，可得，則諧振頻率就是。

串聯諧振電路特點

● 總阻抗值最小

● 電源電壓一定時，電流最大

● 電路呈電阻性，電容或電感上的電壓可能高於電源電壓

電路向電源吸收的 Q=0 ，諧振時電路能量交換在電路內部的電場與磁場間進行。電源只向R提供能量。

高電壓可能會損壞設備。在電力系統中應避免發生串聯諧振。而串聯諧振在無線電工程中有廣泛應用。

串聯諧振電路的應用

利用串聯諧振產生工頻高電壓，應用在高電壓技術中，為變壓器等電力設備做耐壓試驗，可以有效的發現設備中危險的集中性缺陷，是檢驗電氣設備絕緣強度的最有效和最直接的方法。應用在無線電工程中，常常利用串聯諧振以獲得較高的電壓。

 

在收音機中，常利用串聯諧振電路來選擇電臺信號，這個過程叫做調諧，下圖即為其典型電路。

 

當各種不同頻率信號的電波在天線上產生不同頻率的電信號，經過線圈1L感應到線圈2L。如果振蕩電路對某一信號頻率發生諧振時，迴路中該信號的電流最大，則在電容器兩端產生一高於此信號電壓Q倍的電壓CU。而對於其它各種頻率的信號，因為沒有發生諧振，在迴路中電流很小，從而被電路抑制掉。所以，可以改變電容C，以改變迴路的諧振頻率來選擇所需耍的電臺信號。

並聯諧振

簡介

在電感和電容並聯的電路中，當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，叫作並聯諧振。

並聯諧振是一種完全的補償，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，電路的總電流最小，而支路的電流往往大於電路的總電流，因此，並聯諧振也稱為電流諧振。

發生並聯諧振時，在電感和電容元件中流過很大的電流，因此會造成電路的熔斷器熔斷或燒毀電氣設備的事故；但在無線電工程中往往用來選擇信號和消除幹擾。

並聯諧振發生條件

在以下兩類電路中

 

發生並聯諧振時，

 

（a）

由，

可得，

則諧振頻率就是

 

（b）

 

可得：

一般情況下，線圈電阻R遠遠小於XL,因此，忽略R得到，即得諧振頻率。

● 電壓一定時，諧振時電流最小

● 總阻抗最大

● 電路呈電阻性，支路電流可能會大於總電流

LC並聯諧振迴路在通信電子電路中的應用由它的特點決定。具體來說，主要包括三大類，其一是工作於諧振狀態，作為選頻網絡應用，此時呈現為大的電阻，在電流的激勵下輸出較大的電壓；其二是工作於失諧狀態，此時呈現為感性或容性，與電路中其他電感和電容一起，滿足三點式振蕩電路的振蕩條件，形成正弦波振蕩器；其三是工作於失諧狀態，即工作於幅頻特性曲線或相頻特性曲線的一側，實現幅頻變換、頻幅變換以及頻相變換、相頻變換，構成角度調製與解調電路。

1、用作選頻匹配網絡的LC並聯諧振迴路

選頻即從輸入信號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並聯諧振迴路作為選頻網絡而使用是最普遍的，它廣泛地應用於高頻小信號放大器、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是：LC諧振迴路不僅是一種選頻網絡，通過變壓器連接方式，還起到阻抗變換的作用，減小放大管或負載對諧振迴路的影響，可獲得較好的選擇性。

高頻小信號選頻放大器用來從眾多的微弱信號中選出有用頻率信號加以放大，並對其他無用頻率信號予以抑制，它廣泛應用於通信設備的接收機中。單調諧放大器電路及交流通路如下圖所示。

 

上圖中，LC並聯諧振迴路作為電晶體集電極負載，它調諧於放大器的中心頻率。在聯接方式上，LC迴路通過自耦變壓器與本級集電極電路進行聯接，與下一級的聯接則採用變壓器耦合。

2、作為電容構成泛音晶體振蕩器的LC並聯諧振迴路

 

在外加交變電壓的作用下，石英晶片產生的機械振動中，除了基頻的機械振動外，還有許多奇次頻率的泛音。當需要工作頻率很高的晶體振蕩器時，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迴路一起構成三點式振蕩器，根據三點式振蕩器的組成原則(射同它異)，L1C1諧振迴路應呈容性。假定圖中石英晶體工作在5次泛音頻率上，標稱頻率為5 MHz，為了抑制基頻和3次泛音的寄生振蕩，L1C1迴路應調諧在3次和5次泛音頻率之間，即3～5 MHz之間。由圖(b)所示的L1C1諧振迴路電抗特性曲線可知，對於5次泛音頻率5 MHz，L1C1迴路呈容性，電路滿足三點式振蕩條件，可以振蕩。對於小於L1C1迴路諧振頻率的基波和3次諧波，迴路呈電感特性，不符合射同它異的組成原則，不能產生振蕩。對於7次及7次以上的泛音，雖然L1C1迴路也呈容性，但此時的等效電容過大，振幅起振條件不能滿足，振蕩也無法產生。

 

3、實現幅頻變換和頻相轉換功能的LC並聯諧振迴路

LC並聯諧振迴路阻抗的相頻特性是一條具有負斜率的單調變化曲線，利用曲線中，線性部分可以進行頻率與相位的線性轉換，這主要應用在相位鑑頻電路中；同樣，LC並聯諧振迴路阻抗的幅頻特性曲線中的線性部分也可以進行頻率與幅度的線性轉換，因而在斜率鑑頻電路中也得到了應用。

 

以斜率鑑頻器為例，如圖所示，圖(a)是諧振迴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)為單失諧迴路鑑頻器原理圖。

 

調頻信號的電流是等幅、頻率隨調製信號變化的電流。當此電流通過斜率鑑頻器的頻率一振幅變換網絡時，由於LC並聯諧振網絡的中心頻率為f0，輸入的高頻信號使LC網絡一直處於失諧狀態，即工作於諧振曲線上以A為中心的BC之間的區域。當輸入信號頻率增大時，工作點由A向C移動，對應的輸出電壓由Uma減小為Umc；反之，當輸入信號頻率減小時，工作點由A向B移動，對應的輸出電壓由Uma增大為Umb。當輸入信號最大頻偏△f變化不大時，線段BC很短，可近似看作直線，因此它所產生的頻率-振幅變換作用是線性，輸出電壓振幅的變化與輸入信號頻率的變化呈線性關係。因此網絡可以將等幅的調頻信號變成調幅-調頻信號，該信號再經過二極體包絡檢波器就能夠解調出輸出信號。

參考自21ic電子網