Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 49 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
49
Dung lượng
805,5 KB
Nội dung
Mạchdaođộng bộ giáo dục vàđào tạo Trờng đại học vinh -------- Luận văn tốt nghiệp Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Đề tài: Mạchdaođộngvàứngdụngcủanótrongcácsơđồđiệntử Ngời hớng dẫn: KS. Dơng Thị hải tuyết Ngời thực hiện: Nguyễn Công Nhuần Vinh 5-2002 Vinh 5/2002 1 Mạchdaođộng lời mở đầu Ngày nay kỷ thuật điệntử đã trở thành phơng tiện quen thuộc với chúng ta. Trongđómạchdaođộng là bộ phận không thể thiếu đợc trongcácsơđồđiệntử .Với vai trò là sinh viên ngành vật lý chúng ta không thể không quan tâm đến lĩnh vực này ,hay nói đúng hơn nhằm trang bị cho sinh viên một số kiến thức cơ bản về mạchdaođộng cũng nh những ứngdụngcủanó .Với đề tài Mạchdaođộng tôi mong rằng ngoài những kiến thức ít ỏi mà sinh viên nói chung và sinh viên ngành vật lý nói riêng đã đợc trang bị ở nhà trờng thì với đề tài này sẽ giúp ích cho chúng ta phần nào đó vốn kiến thức trong lĩnh vực này. Đề tài này bao gồm 2 phần chính: Phần I : Cơ sở lý thuyết của hệ daođộng . Phần II: ứngdụngcủa hệ daođộngtrong một số tầng của máy thu Trong quá trình thực hiện đề tài chắc chắn không tránh khỏi những khiếm khuyết tôi rất mong các thầy giáo , cô giáo cùng các bạn góp ý và bổ sung thêm để đề tài đợc tốt hơn. Phần I : Hệ daođộng Vinh 5/2002 2 Mạchdaođộng I- Hệ daođộng có thông số tập trung Mạchdaođộng là bộ phận không thể thiếu đợc trongcácsơđồ vô tuyến điện.Chúng ta thờng gặp mạchdaođộng có thông số tập trung. Nó gồm các yếu tố L(cuộn dây),C(tụ điện) ,R(điện trở thuần).L tập trung năng lợng từ , C tập trung năng lợng điệntừ . R có thể là một điện trở hoạt động thông thờng (thờng là điện trở của cuộn dây) nó cũng có thể đặc trng cho sự nung nóng chất điện môi , ma sát của phần tửđiện môi dới tác dụngcủađiệntrờng biến thiên hoặc đặc trng cho sự nung nóng các lõi sắt từ , bức xạ sóng điệntừ ra ngoài không gian v.v. Tóm lại hệ đợc coi là có thông số tập trung khi thoả mãn hai điều kiện: - Giá trị các thông số tập trung lớn hơn nhiều so với giá trị thông sốcác dây nối vàcác thông số ký sinh. - Kích thớc hình học của hệ bé hơn nhiều so với bớc sóng (nói cách khác khi bớc sóng đủ dài ). Hệ có thông số tập trung bức xạ rất ít nên còn đợc gọi là hệ kín. II- Daođộng riêng Các đại l ợng đặc trng cho mạchdao động: Hãy xét hiện tợng xảy ra trong một mạchdaođộng riêng rẽ (đơn) nào đó (hình vẽ) .Khi chuyển mạch K ở vị trí 1,tụ điện đợc tích điện , giữa bản tụ có hiệu điện thế 0 U và hệ tích luỹ một năng lợng điện xác định. Khi K chuyển sang vị trí 2 tụ bắt đầu phóng điệnvàtrongmạch xuất hiện daođộngđiệntừ , có sự chuyển hoá năng lợng điện thành năng lợng từvà ngợc lại. Khi điện trở R =0 ( trờng hợp mạch lý tởng) trongmạch có daođộngđiệntừ duy trì ( không tắt ).Thực tế điện trở bao giờ cũng khác không ( trờng hợp mạch thực ) nên năng lợng trongmạch tiêu hao dần vàdaođộngtrong hệ là tắt dần .Dao động xảy ra không có sự tham gia của tác dụng bên ngoài nên đợc gọi là daođộng riêng hay daođộngtự do. (Hình 1-1) Phơng trình vi phân diễn tả quá trình daođộng cần tìm có dạng: 02 2 0 2 2 =++ u dt du dt ud (1.1) Trongđó u là hiệu điện thế giữa 2 bản tụ ở thời điểm t , L R LC == 2; 1 2 0 Vinh 5/2002 3 Mạchdaođộng thực tế điện trở R củamạch là nhỏ nên: 2 0 2 << (1.2) Nghiệm của phơng trình (1.1) có dạng: u=Aexp(- t)cos( 1 t+ ) (1.3) Trong đó: 1 = 22 0 (1.4) khác với tần sốdaođộng khi không tắt ( 0 ) Các hằng số A và đợc xác định từcác điều kiện ban đầu: Lúc t=0 thì U= 0 U , i=0 Dođó A= 0 U , =0 . Nh vậy ta tìm đợc kết quả . u= 0 U Aexp(- t) cos( 1 t) i=c L C U dt du 0 = exp(- t)cos( 1 t+ ) 2 (1.5) Điều kiện (1.5 ) cho phép ta xem 1 0 =2 LC f 1 0 = Kết quả (1.5)cho thấy rõ daođộngđiệntừtrongmạch là tắt dần. Độ tắt dần xác định bởi = L R 2 .Trong trờng hợp mạch lý tởng ( =0 hay R=0 ) daođộngtrongmạch là daođộng điều hoà. Chu kỳ daođộng riêng : T= = 0 T LC 2 2 0 = Đó là công thức thomson.Bớc sóng điện t tơng ứng là: 0 cT :Trong đó c là vận tốc ánh sáng Trờng hợp tắt dần lớn ( 2 0 2 > ) quá trình trongmạch là không daođộng ít gặp trong kỷ thuật vô tuyến điện nên ta không xét ở đây Ta hãy tìm hệ thức giữa điện áp vàdòngđiện khi trongmạch có daođộng tắt dần . Từ (1.5) ta có hệ thức sau đây giữa biên độdòngđiệnvà biên độđiện áp. m m U L C UI == 0 với C L = Vì 0 = LC 1 nên biểu thức của cũng có thể viết C L = =L 0 = 0 1 C (1.6) Vinh 5/2002 4 Mạchdaođộng Đại lợng có thứ nguyên điện trở,đợc gọi là điện trở sóng củamạch ; là một đặc trng cơ bản củamạch ,điện trở thuần R không ảnh hởng đến tỷ số giữa m U và m I mà chỉ xác định độ tắt dần củamạchdaođộng .Chỉ có xác định mối quan hệ giữa m U và m I . Để đặc trng cho độ tắt dần daođộng nghĩa là đặc trng cho vận tốc giảm biên độ theo thời gian , ngời ta còn đa vào khái niệm về hệ số phẩm chất Q củamạch , đợc định nghĩa nh sau: Năng lợng daođộng cực đại Q=2 Năng lợng mất mát trong 1 chu kỳ Q= 2 0 0 0 2 2 2 2 TRR L TRI LI m m === (1.7) (Hệ số 2 đa vào ở đây để cho tiện tính toán ) Nghịch đảocủa Q đợc gọi là hệ số tắt dần d củamạch . d= R Q = 1 (1.8) Trờng hợp Q càng lớn thì phẩm chất củamạch càng tốt tuy nhiên nh sau này nói rõ ,trong ứngdụng kỷ thuật không phải bao giờ hệ số phẩm chất lớn cũng tốt ,trên hình vẽ (1-2) biểu diễndaođộng tắt dần có cùng chu kỳ với các hệ số phẩm chất khác nhau ( 4321 QQQQ >>> ) Vinh 5/2002 5 Mạchdaođộng (Hình 1-2) III- Daođộng cỡng bức- Sự cộng hởng: Trongsơđồ vô tuyến điện , cácmạch thờng daođộng dới tác dụngcủa sức điện ngoài .Sức điệnđộng này hoặc đợc mắc nối tiếp hoặc đợc mắc song song với mạch. 1.Trờng hợp mạch nối tiếp cộng hởng điện áp: Xét mạch nối tiếp Giả sử nguồn sức điệnđộng ngoài là điều hoà vàđiện trở nội i R rất bé bỏ qua đợc . e= cos m E t ; i R =0 Bây giờ trongmạch có daođộng cỡng bức .Phơng trình diễn tả daođộngtrong mạch: cos2 2 0 2 2 LC E u dt du dt ud m =++ t (1.9) Nh đã biết từ lý thuyết phơng trình vi phân, nghiệm của (1.9) gồm 2 phần: Nghiệm tổng quát của phơng trình vế phải bằng không và nghiệm riêng của phơng trình có vế phải (Hình 1-3) i= )cos() 2 cos()exp( 0 ' ++ tIttI mm (1.10) (Để cho gọn chúng ta viết ngay biểu thức của i) Số hạng thứ nhất biểu diễndaođộng riêng tắt dần , số hạng thứ 2 biểu diễndaođộng cỡng bức với tần sốcủa sức điệnđộng ngoài. Sau giai đoạn quá độ ,số hạng thứ nhất không còn vai trò gì nữa (đã tắt ) nên chỉ còn số hạng thứ 2. i= )cos( tI m Vinh 5/2002 6 Mạchdaođộng Biên độ m I vàđộ lệch pha đợc xác định từcác biểu thức: m I = 22 ) 1 ( C LR E m + ; tg = R C L 1 (1.11) Trong đó: 22 ) 1 ( C LR + =Z ; L C 1 =X (1.12) Là tổng trở (trở kháng) vàđiện kháng củamạch . Chúng ta nhận thấy rằng dòngđiện cỡng bức đạt giá trị cực đại khi X=0 hay 0 = (suy từ biểu thức của X). Khi đó ta nói rằng trongmạch xuất hiện cộng hởng .Rõ ràng khi cộng hởng thì : - Không có sự lệch pha giữa dòngđiệnvàđiện áp ,theo (1.11): tg 00 == . - Trở kháng củamạch là cực tiểu và bằng điện trở thuần R: RZ Ch = (1.13) Cộng hởng trongmạch nối tiếp đợc gọi là cộng hởng nối tiếp. Nếu xét biên độ hiệu điện thế trên tụđiệnvà trên cuộn dây thì khi cộng h- ởng chúng ta có m m mL QEL R E LIU === 0 0 RC E C I U mm c == = m QE Ta thấy chúng bằng nhau và lớn hơn biên độ sức điệnđộng ngoài Q lần. vì vậy trờng hợp này cộng hởng dợc gọi là cộng hởng điện áp. 2. Đờng cong cộng hởng giải thông củamạch . Đờng cong cộng hởng biểu diển sự phụ thuộc của trở kháng, biên độdòng điện, biên độđiện áp vàđộ lệch pha vào tần sốcủamạchvà thay đổi tần sốcủa sđđ ngoài cũng có thể gặp trờng hợp nguồn ngoài có tần số không đổi mà thay đổi thông sốcủamạch (nh dò đài trong máy thu chẳng hạn). ở đây giới hạn xét trờng hợp thứ nhất và cũng chỉ nêu đờng cong diển hình nhất: Đó là đờng cong cộng hởng đối với dòngdiện )( fI m = . Nó dợc xác định theo (1.11) nhng thờng khi nghiên cứu ta xét về tỷ số: )()()( 0 2 max ff I I m == với 0 = Nh vậy: Q 2 2 CR L = ; R E ax m = Im Dođó ta có: 1 222 max ) 1 (1)( += Q I I m (1.14) Điều cần thiết là xét miền gần cộng hởng, khi đó xét biểu thức (1.14) có dạng đơn giản hơn. Thật vậy miền gần cộng hởng thì: += 0 ; 0 << Vinh 5/2002 7 MạchdaođộngDođó có thể biến đổi: 0 0 0 21 = Nh vậy (1.14) đợc viết lại: 1 2 0 2 max ) 2 (1)( += f Q I I m (1.15) Hình vẽ (1.4) đã vẽ cácđờng cong cộng hởng ứng với các giá trị khác nhau của Q (Hình 1-4) . Ta thấy khi giảm hệ số phẩm chất đờng cong cộng hởng mở rộng ra, ít nhọn hơn nghĩa là biên độdaođộng thay đổi ít hơn khi tần số thay đổi . ngời ta nói mạch lọc lựa kém. Thờng ngời ta quy ớc rằng truyền quanhững daođộng có tần sốtrong khoảng )( 0 đến )( 0 + hay khoảng )( 0 ff đến )( 0 ff + trongđó 0 f và tần số riêng của mạch, f là độ biến thiên của tần sốứng với khi 2/1)( 2 max = I I m tức là khi biên độdòngđiện bằng 2 1 biên độcủa nó, khi cộng hởng : 2 max I I m = trong công thức (1.15) đặt 2/1)( 2 max = I I m , chúng ta có giá trị độ rộng đờng cong cộng hởng, ký hiệu là Q f f h /1 2 0 = = (1.16) Lợng )(2 hayf tơng ứng đợc gọi là giải thông củamạch Q f f 0 2 = (1.17) ý nghĩa vật lý của giải thông thể hiện ở chổ: Nếu mạch chịu tác độngcủa nhiều daođộng ngoại có tần sốtừ 0 thì chỉ cácdaođộng có tần số nằm trong khoảng giải thông f 2 mới gây ra trongmạch những daođộng có biên Vinh 5/2002 8 Mạchdaođộngđộ đáng kể 2 ( max I I m ). một cách hình ảnh ngời ta nói rằng mạch cho cácdaođộngđó thông qua. Còn cácdaođộng khác không thông qua đợc. Cần nói thêm rằng, hệ số phẩm chất Q có vai trò quan trọng, nó xác định tính lọc lựa củamạchdao động. Khi Q tăng giải thông f 2 hẹp từ (1.17). Mạch lọc lựa tốt hơn tuy nhiên trong nhiều trờng hợp giải thông hẹp quá cũng không đợc, vì bao giờ mạch cũng cần một giải thông nhất định tuỳ theo yêu cầu của thiết bị vô tuyến điện mà ta sẽ đề cập sau này. Theo(1.17) khi cần tăng giải thông mà không làm giảm Q thì ta phải tăng 0 f . Đó là lý do vì sao trong việc truyền hình ảnh ngời ta phải dùngcác sóng có tần số rất cao. 3- Trờng hợp mạch song song- cộng hởng dòng điện. Mạchdaođộng cỡng bức song song cũng thờng gặp trongcácsơđồ vô tuyến điện. Trớc hết, giả sử điện trở nội i R của nguồn suất điệnđộng lớn )( i R về hiện tợng ở đây cũng có quá trình daođộng cỡng bức và xuất hiện sự cộng h- ởng. ở đây không nghiên cứu chi tiết dạng dao động, chúng ta chỉ tìm tần sốvà trở kháng củamạch khi cộng hởng vàđó là những đại lợng cần biết. để đơn giản tính toán chúng ta dùng phơng pháp số phức. Đặt: L jXRLjRZ +=+= 1 C jX C j Z == 2 Trở kháng tơng đơngcủamạch là: )( )( 21 21 CL CL td XXjR jXjXR ZZ ZZ Z ++ + = + = = 22 2 2 22 2 )( )( )( CL CLLC CL C XXR XXXRX j XXR RX ++ ++ + ++ (1.18) Để tìm tần số cộng hởng, chúng ta dùng nguyên tắc dã biết : Khi cộng h- ởng thì không có sự lệch pha giữa dòngđiệnvàđiện áp trongmạch , trở kháng tơng đơngcủamạch phải thực , từ (1.18) ta có. 0)( 2 2 =++ CLLC XXXRX Phơng trình này cho kết quả cần tìm: Hoặc : X c =0 o C 0 nghiệm buồng Vinh 5/2002 9 Mạchdaođộng Hoặc 0 2 2 =++ CLL XXXR hay L CL X R XX 2 =+ (1.19) Tần số cộng hởng: L R C L chch ch 2 1 = chú ý rằng: LC 1 0 = và C L = 2 chúng ta đợc L CR LC L R LC ch 2 2 2 2 1( 11 == ) 2 0 2 2 2 0 2 )1( <= R Ch (1.20) Thờng gặp trờng hợp R bé khi đó : 0 Ch (1.21) Khi cộng hởng , theo (1.18) trở kháng củamạch là; 22 2 )( CL C Ch XXR RX Z ++ = Nếu R bé thay CL XX = theo (1.19) ta có RCR L RC R L R X R X Z L C Ch 2 22 0 22 0 2 2 1 ====== RQQ R Z Ch 2 2 === (1.22) Vậy khi cộng hởng tần số cộng hởng gần bằng tần số riêng củamạch ,trở kháng cộng hởng cực đại (xét 1.18 ) và lớn hơn điện trở sóng Q lần .Dòng điện tổng cộng trongmạch là cực tiểu . Để tính dòngđiệntrongcác nhánh chúng ta để ý rằng công suất toả ra từ nguồn bằng công suất tiêu thụ trongmạch 22 2 1 2 1 nCCh RIIZ = . Trongđó C I là dòngđiệntrongmạch chính , n I là dòngđiệntrongcác nhánh (coi dòngđiệntrongcác nhánh bằng nhau ) ,từ đó: 2 2 2 22 CC Ch n I R I R Z I == Hay n I =Q C I (1.23 ) Vậy dòngđiệntrongcác nhánh lớn hơn dòngđiệntrongmạch chính Q lần .Vì thế trờng hợp này ngời ta nói có sự cộng hởng song song hay cộng hởng dòngđiện Vinh 5/2002 10 . 5/2002 5 Mạch dao động (Hình 1-2) III- Dao động cỡng bức- Sự cộng hởng: Trong sơ đồ vô tuyến điện , các mạch thờng dao động dới tác dụng của sức điện ngoài. là mạch ghép). Nói cách khác ,hai mạch đợc gọi là liên kết nếu dao động xảy ra trong mạch này có tác dụng lên mạch kia và gây ra trong nó quá trình dao động