Resonansi adalah salah satu fenomena fisik yang paling umum di alam. Fenomena resonansi dapat diamati dalam sistem mekanik, listrik dan bahkan termal. Tanpa resonansi, kita tidak akan memiliki radio, televisi, musik, dan bahkan ayunan taman bermain, belum lagi sistem diagnostik paling efektif yang digunakan dalam pengobatan modern. Salah satu jenis resonansi yang paling menarik dan berguna dalam rangkaian listrik adalah resonansi tegangan.
Elemen rangkaian resonansi
Fenomena resonansi dapat terjadi pada apa yang disebut rangkaian RLC yang mengandung komponen berikut:
- R - resistor. Perangkat ini, terkait dengan apa yang disebut elemen aktif dari rangkaian listrik, mengubah energi listrik menjadi energi panas. Dengan kata lain, mereka menghilangkan energi dari sirkuit dan mengubahnya menjadi panas.
- L - induktansi. Induktansi dalamsirkuit listrik - analog massa atau inersia dalam sistem mekanis. Komponen ini tidak terlalu terlihat di sirkuit listrik sampai Anda mencoba membuat beberapa perubahan padanya. Dalam mekanika, misalnya, perubahan seperti itu adalah perubahan kecepatan. Dalam rangkaian listrik, perubahan arus. Jika itu terjadi karena alasan apa pun, induktansi akan melawan perubahan ini dalam mode rangkaian.
- C adalah sebutan untuk kapasitor, yang merupakan perangkat yang menyimpan energi listrik dengan cara yang sama seperti pegas menyimpan energi mekanik. Induktor memusatkan dan menyimpan energi magnet, sedangkan kapasitor memusatkan muatan dan dengan demikian menyimpan energi listrik.
Konsep rangkaian resonansi
Elemen kunci dari rangkaian resonansi adalah induktansi (L) dan kapasitansi (C). Resistor cenderung meredam osilasi, sehingga menghilangkan energi dari rangkaian. Ketika mempertimbangkan proses yang terjadi dalam rangkaian osilasi, untuk sementara kita mengabaikannya, tetapi harus diingat bahwa, seperti gaya gesekan dalam sistem mekanik, hambatan listrik dalam rangkaian tidak dapat dihilangkan.
Resonansi tegangan dan resonansi arus
Tergantung pada bagaimana elemen-elemen kunci dihubungkan, rangkaian resonansi dapat seri dan paralel. Ketika rangkaian osilasi seri dihubungkan ke sumber tegangan dengan frekuensi sinyal yang bertepatan dengan frekuensi alami, dalam kondisi tertentu, resonansi tegangan terjadi di dalamnya. Resonansi pada rangkaian listrik yang dihubungkan paralelelemen reaktif disebut resonansi arus.
Frekuensi alami rangkaian resonansi
Kita dapat membuat sistem berosilasi pada frekuensi alaminya. Untuk melakukan ini, pertama-tama Anda harus mengisi kapasitor, seperti yang ditunjukkan pada gambar atas di sebelah kiri. Ketika ini selesai, kunci dipindahkan ke posisi yang ditunjukkan pada gambar yang sama di sebelah kanan.
Pada saat "0", semua energi listrik disimpan dalam kapasitor, dan arus dalam rangkaian adalah nol (gambar di bawah). Perhatikan bahwa pelat atas kapasitor bermuatan positif sedangkan pelat bawah bermuatan negatif. Kita tidak dapat melihat osilasi elektron dalam rangkaian, tetapi kita dapat mengukur arus dengan ammeter, dan menggunakan osiloskop untuk melacak sifat arus versus waktu. Perhatikan bahwa T pada grafik kita adalah waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan satu getaran, yang dalam teknik elektro disebut "periode getaran".
Arus mengalir searah jarum jam (gambar di bawah). Energi ditransfer dari kapasitor ke induktor. Sepintas, mungkin tampak aneh bahwa induktansi mengandung energi, tetapi ini mirip dengan energi kinetik yang terkandung dalam massa yang bergerak.
Aliran energi kembali ke kapasitor, tetapi perhatikan bahwa polaritas kapasitor sekarang telah terbalik. Dengan kata lain, pelat bawah sekarang memiliki muatan positif dan pelat atas muatan negatif (Gambarbawah).
Sekarang sistem sepenuhnya terbalik dan energi mulai mengalir dari kapasitor kembali ke induktor (gambar di bawah). Hasilnya, energi kembali sepenuhnya ke titik awalnya dan siap untuk memulai siklus lagi.
Frekuensi osilasi dapat diperkirakan sebagai berikut:
F=1/2π(LC)0, 5,
di mana: F - frekuensi, L - induktansi, C - kapasitansi.
Proses yang dipertimbangkan dalam contoh ini mencerminkan esensi fisik dari resonansi tegangan.
Studi Resonansi Stres
Dalam rangkaian LC nyata, selalu ada sejumlah kecil resistansi, yang mengurangi peningkatan amplitudo arus dengan setiap siklus. Setelah beberapa siklus, arus berkurang menjadi nol. Efek ini disebut "redaman sinyal sinusoidal". Tingkat di mana arus meluruh ke nol tergantung pada jumlah hambatan di sirkuit. Namun, resistansi tidak mengubah frekuensi osilasi dari rangkaian resonansi. Jika resistansi cukup tinggi, tidak akan ada osilasi sinusoidal di sirkuit sama sekali.
Jelas, di mana ada frekuensi osilasi alami, ada kemungkinan eksitasi dari proses resonansi. Kami melakukan ini dengan memasukkan catu daya arus bolak-balik (AC) secara seri, seperti yang ditunjukkan pada gambar di sebelah kiri. Istilah "variabel" berarti bahwa tegangan keluaran sumber berfluktuasi denganfrekuensi. Jika frekuensi catu daya sesuai dengan frekuensi alami rangkaian, resonansi tegangan terjadi.
Kondisi kejadian
Sekarang kita akan mempertimbangkan kondisi terjadinya resonansi tegangan. Seperti yang ditunjukkan pada gambar terakhir, kami telah mengembalikan resistor ke loop. Dengan tidak adanya resistor di rangkaian, arus dalam rangkaian resonansi akan meningkat ke nilai maksimum tertentu yang ditentukan oleh parameter elemen rangkaian dan kekuatan sumber daya. Meningkatkan resistansi resistor dalam rangkaian resonansi meningkatkan kecenderungan arus dalam rangkaian untuk meluruh, tetapi tidak mempengaruhi frekuensi osilasi resonansi. Sebagai aturan, mode resonansi tegangan tidak terjadi jika resistansi rangkaian resonansi memenuhi kondisi R=2(L/C)0, 5.
Menggunakan resonansi tegangan untuk mengirimkan sinyal radio
Fenomena resonansi tegangan bukan hanya fenomena fisik yang aneh. Ini memainkan peran luar biasa dalam teknologi komunikasi nirkabel - radio, televisi, telepon seluler. Pemancar yang digunakan untuk mengirimkan informasi secara nirkabel harus mengandung sirkuit yang dirancang untuk beresonansi pada frekuensi tertentu untuk setiap perangkat, yang disebut frekuensi pembawa. Dengan antena pemancar yang terhubung ke pemancar, ia memancarkan gelombang elektromagnetik pada frekuensi pembawa.
Antena di ujung lain jalur transceiver menerima sinyal ini dan memasukkannya ke sirkuit penerima, yang dirancang untuk beresonansi pada frekuensi pembawa. Jelas, antena menerima banyak sinyal di berbagaifrekuensi, belum lagi kebisingan latar belakang. Karena adanya sirkuit resonansi pada input perangkat penerima, disetel ke frekuensi pembawa dari sirkuit resonansi, penerima memilih satu-satunya frekuensi yang benar, menghilangkan semua yang tidak perlu.
Setelah mendeteksi sinyal radio termodulasi amplitudo (AM), sinyal frekuensi rendah (LF) yang diambil darinya diperkuat dan diumpankan ke perangkat reproduksi suara. Ini adalah bentuk transmisi radio yang paling sederhana dan sangat sensitif terhadap noise dan interferensi.
Untuk meningkatkan kualitas informasi yang diterima, metode transmisi sinyal radio lain yang lebih maju telah dikembangkan dan berhasil digunakan, yang juga didasarkan pada penggunaan sistem resonansi yang disetel.
Modulasi frekuensi atau radio FM memecahkan banyak masalah transmisi radio AM, tetapi hal ini menyebabkan sistem transmisi menjadi sangat rumit. Di radio FM, suara sistem di jalur elektronik diubah menjadi perubahan kecil dalam frekuensi pembawa. Peralatan yang melakukan konversi ini disebut "modulator" dan digunakan dengan pemancar.
Oleh karena itu, demodulator harus ditambahkan ke penerima untuk mengubah sinyal kembali menjadi bentuk yang dapat diputar melalui pengeras suara.
Lebih banyak contoh penggunaan resonansi tegangan
Resonansi tegangan sebagai prinsip dasar juga tertanam dalam rangkaian berbagai filter yang banyak digunakan dalam teknik listrik untuk menghilangkan sinyal berbahaya dan tidak perlu,menghaluskan riak dan menghasilkan sinyal sinusoidal.
