(整理)谐振详解.

1、精品文档精品文档第5章谐振电路谐振是正弦交流电路中可能发生的一种特殊现象。研究电路的谐振，对于强电类专业来 讲，主要是为了避免过电压与过电流现象的出现，因此不需研究过细。但对弱电类(电子、自 动化控制类)专业而言，谐振现象广泛应用于实际工程技术中，例如收音机中的中频放大器， 电视机或收音机输入回路的调谐电路，各类仪器仪表中的滤波电路、LC振荡回路，利用谐振特性制成的Q表等。因此，需要对谐振电路有一套相应的分析方法。本章学习的重点：串联谐振与并联谐振的概念及其发生的条件；谐振电路的基本特征和谐振电路的通频带； 交流电路中最大功率的传输条件。5. 1串联谐振1、学习指导(1)谐振条件11串联谐振的

2、条件是：1H0L=，,由谐振条件导出了谐振时的电路频率f°=Z0c2 二 LC(2)串联谐振特征电路发生串联谐振时，电路中阻抗最小，且等于谐振电路中线圈的铜耗电阻R;若串谐电路中的电压一定，由于阻抗最小，因此电流达到最大，且与电压同相位；串谐发生时，在 L和C两端出现过电压现象，即 Ulo= Uco= QUs2、学习检验结果解析(1) RLC串联电路发生谐振的条件是什么？如何使RLC串联电路发生谐振？解析：RLC串联电路发生谐振的条件是：GO0L =1,即串联电路的电抗为零。使 RLC - -oC串联电路发生谐振的方法有：调整信号源的频率， 使之等于电路的固有频率；信号源的频率不变时

3、，可以改变电路中的 L值或C值的大小，使电路的固有频率等于信号源的频率。(2)串联谐振电路谐振时的基本特性有哪些？解析：串联谐振电路谐振时的基本特性有：对信号源呈现的阻抗最小，且为电阻特性；串联回路中的电流最大，且与外加电压同相； 串谐时电感和电容两元件的电抗值相等，且等于电路的特性阻抗； 电感和电容元件两端的电压大小相等、相位相反，且数值等于输入电压的Q倍(其中Q是串联谐振回路的品质因数)。(3)串联谐振电路的品质因数解析：串联谐振电路的品质因数Q与电路的频率特性曲线有什么关系？是否影响通频带？1 LQ =-J-是分析谐振电路时常用到的一个重要的性能指R C标。根据教材中公式(5.14）二=

4、可知,01 q2（： -；0）2电流相对值随频率相对值变 10图5.3 13谐振曲线化的关系仅仅取决于电路的品质因数Q。由教材中图5.3也可看出，Q值对谐振曲线尖锐程度的影响 很大：当频率偏离谐振频率不多时，电流值也偏离谐振电流，Q值越高，谐振曲线的顶部越尖锐，即电流衰减得越厉害，说明 Q 值大的电路对不是谐振频率的其它频率的信号抑制能力很强，即 信号的选频性能好；而 Q值越小，谐振曲线的顶部越圆钝，即电 流偏离谐振电流时衰减不多，说明电路对不是谐振频率的其它频 率的信号抑制能力较差，电路的选频性能差。而通频带则是指以电流衰减到谐振电流I0的0.707倍为界限时的一段频率范围。显然Q值越高，谐

5、振曲线越尖锐，电路的选择性越好，但电路的通频带会因此变窄，从而容易造成传输信号的失真；而Q值越低，谐振曲线越平滑，电路的选择性能将因此而变差，但通频带越宽，传输的信号越不容易失真。(4)已知RLC串联电路的品质因数 Q=200,当电路发生谐振时，L和C上的电压值均大于回路的电源电压，这是否与基尔霍夫定律有矛盾？。解析：由于品质因数高的缘故而使储能元件两端在串谐发生时出现过电压现象是谐振电路的特征之一，与基尔霍夫定律并无矛盾。因为根据基尔霍夫定律，L和C两端的电压虽然很大，但它们大小相等、相位相反，达到完全补偿而不需要电源电压再对它们提供能量，电源电 压全部供给电路中的电阻 R, 4个电压绕串联

6、谐振回路一周，其代数和仍然为零，显然符合基 尔霍夫定律。5 . 2并联谐振1、学习指导（1）并联谐振的条件在小损耗条件下，并谐电路的谐振频率与串谐电路的谐振频率计算公式相同。 （2）并谐电路的基本特征电路呈高阻抗特性；由于电路呈高阻抗，因此路端电压一定时，电路总电流最小；在L和C两支路中出现过电流现象，即Ilo= Ico= QI。（3）能量交换平衡当电路发生谐振时，说明具有L和C的电路中出现了电压、电流同相的特殊现象，电源和谐振电路之间没有电磁能量的交换，电路中的无功功率Q=0。但储能元件L和C之间的能量交换始终在进行，而且任一时刻，两元件上的电能与磁能之和恒等于电能（或磁能）的最大 值，这种

7、情况我们称元件之间的能量交换得到平衡。（4）品质因数讨论谐振电路的问题，单纯从L和C上的电压（或电流）有效值大小不足以说明谐振电路的性能好坏，因为，当电路参数确定之后，谐振时的电感电压（或电感支路的电流）、电容电压（或电容支路的电流）有效值与外加信号源电压（或电路总电流）的大小有关，外加信号源的电压（或供给电路的总电流）有效值越大，谐振时储能元件两端的电压（或支路电流）有 效值相应增大，用谐振时储能元件两端电压（或支路电流）有效值与信号源电压（或总电流）有效值之比，可以表征一个谐振电路的性能，我们把这一比值称为谐振电路的品质因数，用Q表不即c UlooL :Q U RR串联回路中的品质因数 Q

8、值等于谐振时感抗co oL与回路总电阻R的比值，注意和线圈上 的品质因数 Ql值的区别，线圈的品质因数Ql值是线圈的感抗coL与线圈的铜耗电阻 R之比值，其感抗3 L中的角频率3理论上可以是任意频率下的值。谐振电路的品质因数Q,可以用来反映谐振电路选择性能的好坏，Q值越大，电路的选择性越好，反之则差。（5）通频带谐振电路的性能不仅可以由品质因数Q值来反映，还可以用通频带来反映。当实际信号作用在谐振电路时，要保持信号不产生幅度失真，需要求谐振电路对信号频带内的各频率分量的响应是一样的。电子技术中通常把电路电流 I >O.7O7Io的一段频率范围称为谐振电路的通频 带。电路通频带与回路参数间

9、的关系为显然品质因数高的电路通频带窄，工程实际中如何兼顾二者之间的关系，应具体情况具 体分析。(6)电压谐振和电流谐振串联谐振电路适用于低内阻的信号源，因为信号源的内阻与谐振电路相串联，对回路的 有载Q值影响很大；并联谐振电路适用于高内阻的信号源，其内阻与谐振电路相并联，内阻 越大对电路的品质因数 Q值影响越小。在小损耗条件下，并联谐振电路的条件基本上与串联 谐振电路相同，其中品质因数和通频带的概念也是相同的。 所不同的是，串联谐振电路呈低电 阻性质，并联谐振电路呈高阻抗特性；串谐电路中在储能元件两端有过电压现象，因此称为电压谐振，而并谐电路在储能元件支路中出现过电流现象，的以也称为电流谐振。

10、2、学习检验结果解析(1)如果信号源的频率大于、小于及等于并联谐振回路的谐振频率，问回路将呈现何种 性质？解析：信号源的频率大于并联谐振回路的谐振频率时，电感支路的阻抗增加， 使得支路电流减小，电容支路的阻抗减少而使得电容支路的电流增大，因此回路呈现电容特性； 信号源的频率小于并联谐振回路的谐振频率时情况相反，电路呈电感特性；当信号源的频率等于并联谐振回路的谐振频率时，电路发生并联谐振，电路呈现电阻特性。(2)为什么称并联谐振为电流谐振？相同 Q值的并联谐振电路，在长波段和短波段，通 频带是否相同？解析：并联谐振时在支路中将出现过电流现象，即支路电流为电路总电流的Q倍，因此,通常把并联谐振也称

11、为电流谐振。相同Q值的并联谐振电路，由于在长波段和短波段中的谐振频率fo不同，因此，通频带 B=&也各不相同。Q(3) RLC并联谐振电路的两端并联一个负载电阻Rl时，是否会改变电路的 Q值？解析：RLC并联谐振电路的两端并联一个负载电阻Rl时，将改变电路的 Q值。因为并联R/ R Rl后而变为：Q =-,显然Q值变- 'oLR谐振电路的品质因数 Q=，由于并联了一个电阻 - 'oL小，选择性变差，通频带相应变宽。5. 3正弦交流电路中的最大功率传输XL- -XSRl = Rs1、学习指导(1)正弦交流电路中负载上获得的最大功率条件与直流电路有所不同:(2)负载获取的最

12、大功率为:c U2、»+PL =，注意和直流电路的不同点。4Rs2、学习检验结果解析(1)在电源内阻抗不同的条件下，负载获得最大功率的条件各是什么？解析：在电源内阻抗不同的条件下，负载获得最大功率的条件相同，即:ZL =ZS即XL = XS和RL =RS(2)当电源内阻抗为感性阻抗而负载为纯电阻时，怎样才能使负载电阻获得最大的功率?解析：当负载为纯电阻时，用上述同样的方法可使负载获得最大功率，即：RL = R RS + XS = ZS第5章章后习题解析5.1在RLC串联回路中，电源电压为 上的电压以及回路的品质因数。解：RLC串联回路的谐振频率为5mV,试求回路谐振时的频率、谐振时元

13、件12 二 LC谐振回路的品质因数为Q 二2R谐振时元件L和C上的电压为5 LU l =Uc =5QmV : . 一mVR，C5.2 在RLC串联电路中，已知L=100mH, R=3.4Q ,电路在输入信号频率为 400Hz时发 生谐振，求电容 C的电容量和回路的品质因数。解：电容C的电容量为-11C =丁 = 1.58F(2 二 f0)2L631014.4回路的品质因数为Q )任 F8 400 °：-743.45.3试求R、解:5.4电感量L和电容量C分别为PL 二 10C =100二0.1H1000二10午一个线圈与电容串联后加 1V的正弦交流电压，当电容为 100pF时，电容两

14、端的电压为100V且最大，此时信号源的频率为100kHz ,求线圈的品质因数和电感量。解：据题意可知，在频率为100KHz时电路发生串联谐振，则线圈的品质因数为近二亚二100线圈的电感量为.02C(6.28 100 103)2 100 1042:25.4mH一个串联谐振电路的特性阻抗为100，品质因数为100,谐振时的角频率为1000rad/s,L和C的值。根据特性阻抗和品质因数的数值可得1 005.5 有L=100pH, R= 20的线圈和一电容 C并联，调节电容的大小使电路在720kHz发生谐振，问这时电容为多大？回路的品质因数为多少？解：电容量C的数值为13-Z6 ： 489pF(6.2

15、8 720 103)2 100 10回路的品质因数为Q 二26.28 720 103 100 10-6 22.6205.6 一条RiL串联电路和一条 R2c串联电路相并联， 其中Ri=10Q, R2=20" L=10mH,C= 10科F,求并联电路的谐振频率和品质因数Q值。解：并谐电路的回路总电阻为R=Ri+R2= 10 + 20= 30Q ,并谐电路的谐振频率约为1103f0 ：-： :- ： ：504Hz2二，LC 6.280.01 10品质因数约为c R30Q - = - 0.95.0L 2 二 504 0.015.7 在题5.6的并联电路中，若电容所在的支路中又串入一个10m

16、H的电感，这时电路的谐振频率为多少？解：如果在电容所在支路又串入一个10mH的电感，则并谐回路中的总电感量为20mH,这时电路的谐振频率约为r 1103f0 ： : 356Hz2二.L'C 6.28 . 0.02 105.8 一个正弦交流电源的频率为1000Hz, U = 10V, Rs=20Q ,Ls=10mH,问负载为多大时可以获得最大的功率？最大功率为多少？解：当负载阻抗等于电源内阻抗的共轲复数时，负载可获得最大功率，因此XS = j2 fL = j6.28 1000 0.01 =j628ZL =20-j62.8)最大功率为PmaxUs2Rl(Rs Rl)22_102 20(20

17、 20)2=1.25W5.9 一个电阻为12的电感线圈，品质因数为 125,与电容器相联后构成并联谐振电路, 当再并上一只100k的电阻，电路的品质因数降低为多少？解：根据题目中已知量可求得谐振电路的特征阻抗为, 'oL,L =RQ =12 125 =1500，】 C把电路化为R，LC相并联的形式，其中 R，的数值为L ( 0L)215002R'=188KllRC R 12精品文档R' / RLQ')L- oL其当再并上一只100k的电阻后，电路的品质因数为:43.5188/100 仙3101500计算结果表明，当并谐电路中再并入一个电阻时，电路的品质因数降低，

18、选择性变差。5.10 一个R=13.7Q , L=0.25mH的电感线圈，与 C=100pF的电容器分别接成串联和并联 谐振电路，求谐振频率和两种谐振情况下电路呈现的阻抗。解：串联谐振时，电路的谐振频率为1106f0 ： ： 1MHz2 二.LC 6.28 . 0.25 10 4 100对串谐电路所呈现的阻抗为Z =R =13.7并联谐振时，电路的谐振频率约为1106f0 三=三 1MHz2 二.LC 6.28 . 0.25 104 100并谐电路的所呈现的阻抗为Z0LCR一一 一二0.25 10100 1042 13.7：182.5K第5章试题库、填空题（建议较易填空每空 0.5分，较难填空

19、每空 1分） 1、在含有L、C的电路中，出现总电压、电流同相位，这种现象称为 。这种现象若 发生在串联电路中， 则电路中阻抗 ,电压一定时电流 ,且在电感和电容两端 将出现;该现象若发生在并联电路中，电路阻抗将 ,电压一定时电流 则，但在电感和电容支路中将出现 现象。2、谐振发生时，电路中的角频率 0 0 =, f0 =。3、串联谐振电路的特性阻抗 P=,品质因数Q =。4、理想并联谐振电路谐振时的阻抗Z =，总电流等于 。5、实际应用中，并联谐振电路在未接信号源时，电路的谐振阻抗为R,接入信号源后，电路谐振时的阻抗变为,电路的品质因数也由Q0 = 而变为 Q =,从而使并联谐振电路的选择性变

20、 ,通频带变。6、交流多参数的电路中，负载获取最大功率的条件是 ;负载上获取的最大功率 精品文档Pl =o7、谐振电路的应用，主要体现在用于 ,用于 和用8、品质因数越 ,电路的 性越好，但不能无限制地加大品质因数，否则将造成 变窄，致使接收信号产生失真。二、判断下列说法的正确与错误（建议每小题1分）1、串联谐振电路不仅广泛应用于电子技术中，也广泛应用于电力系统中。（ ）2、谐振电路的品质因数越高，电路选择性越好，因此实用中Q值越大越好。 （ ）3、串联谐振在L和C两端将出现过电压现象，因此也把串谐称为电压谐振。（）4、并联谐振在L和C支路上出现过流现象，因此常把并谐称为电流谐振。（）5、串谐

21、电路的特性阻抗 P在数值上等于谐振时的感抗与线圈铜耗电阻的比值。（）6、理想并联谐振电路对总电流产生的阻碍作用无穷大，因此总电流为零。（）7、无论是直流还是交流电路，负载上获得最大功率的条件都是Rl = Ro。（）8、RLC多参数串联电路由感性变为容性的过程中，必然经过谐振点。（）9、品质因数高的电路对非谐振频率电流具有较强的抵制能力。（）10、谐振状态下电源供给电路的功率全部消耗在电阻上。（）三、单项选择题（建议每小题2分）1、RLC并联电路在fo时发生谐振，当频率增加到 2fo时，电路性质呈（）A、电阻性B、电感性C、电容性2、处于谐振状态的 RLC串联电路，当电源频率升高时，电路将呈现出（）A、电阻性B、电感性C、电容性3、下列说法中，（）是正确的。A、串谐时阻抗最小B、并谐时阻抗最小4、下列说法中，（）是不正确的。A、并谐时电流最大B、并谐时电流最小5、发生串联谐振的电路条件是（）八oL1A、VB、fo=TLC6、正弦交流电路中，负载上获得最大功率的条件是（A、R = RoB、ZL =ZSC、C、理想并谐时总电流为零C、00)C、Zl1LC*=Zs四、简答题（建议每小题35分）1、何