Elektrické oscilace: druhy a charakteristiky, amplituda, frekvence a fáze oscilací
Oscilace jsou procesy, které se opakovaně nebo zhruba opakují v určitých intervalech. Fluktuační procesy jsou v přírodě a technologii velmi rozšířené.
V elektrotechnice a elektronice se musí vypořádat s nejrůznějšími druhy elektrických kmitů, tzn. kolísání napětí a proudů. v různých elektrických obvodechstejně jako mechanické vibrace, jako jsou vibrace mikrofonní membrány nebo reproduktory.
Vibrační charakteristiky
Kmity jako opakující se procesy se vyznačují především největšími odchylkami, kterých dosahuje kolísající hodnota, popř. amplituda vibrací, za druhé frekvence, s jakou dochází k opakování stejných stavů, popř frekvence vibrací, a za třetí, z jakého stavu, čeho procesní fáze odpovídá času začátku odpočítávání. Tato druhá charakteristika oscilačního procesu se nazývá „počáteční fáze“ nebo zkráceně jednoduše „fáze“.
Přesně řečeno, tyto pojmy jsou použitelné pouze pro určité typy oscilací, a to periodické a zejména sinusový… Pojmy: amplituda, frekvence a fáze se však obecně používají ve výše uvedeném smyslu pro jakoukoli vibraci obecně (viz — Základní parametry AC).
Oscilační charakteristiky (amplituda, perioda, frekvence a fáze):
Druhy vibrací
V závislosti na tom, co se stane s amplitudou, se oscilace liší:
-
stacionární nebo netlumené, jejichž amplituda se v průběhu času nemění;
-
amortizovaný, jehož amplituda s časem klesá;
-
se zvyšuje, jehož amplituda se zvyšuje s časem;
-
amplitudové modulace, jejíž amplituda se s časem zvyšuje a snižuje.
V závislosti na tom, jak se oscilace v čase opakují, se oscilace liší:
-
periodické, tedy takové, ve kterých se všechny stavy opakují přesně v určitých intervalech;
-
přibližně periodické, kdy se všechny stavy jen přibližně opakují, např. tlumené nebo frekvenčně modulované (tj. kmity, jejichž frekvence se neustále mění v určitých mezích kolem určité hodnoty).
Dívej se -Volné tlumené a nucené oscilace
V závislosti na formě se rozlišují oscilace:
-
sinusový (harmonický) nebo blízký sinusovému;
-
relaxace, jejíž tvar se výrazně liší od sinusového.
Nakonec se podle původu oscilačního procesu rozlišují:
-
přirozené nebo volné oscilace, ke kterým došlo v důsledku šoku v systému (nebo obecně porušení rovnováhy systému);
-
vynucené, vznikající v důsledku prodlouženého vnějšího oscilačního působení na systém, a samokmitů vyskytujících se v systému za nepřítomnosti vnějších vlivů, v důsledku schopnosti samotného systému udržovat v něm oscilační proces.
Elektrické vibrace — kolísání proudu, napětí, náboje, vyskytující se v elektrických obvodech, obvodech, vedeních atd. Nejběžnějším typem elektrických vibrací jsou ty obvyklé střídavý elektrický proud, ve kterých se periodicky mění napětí a proud v obvodu s frekvencí 50 Hz. Takové relativně pomalé oscilace se obvykle získají použitím Elektrické stroje na střídavý proud.
Rychlé vibrace vznikají speciálními metodami, mezi nimiž v moderních technologiích hrají největší roli elektronické generátory.
V závislosti na frekvenci je běžné dělit elektrické vibrace do dvou skupin — nízkofrekvenční, jejichž frekvence je pod 15 000 Hz, a vysokofrekvenční, jejichž frekvence je vyšší než 15 000 Hz. Tento limit byl zvolen, protože vibrace pod 15 000 Hz vyvolávají v lidském uchu pocit zvuku, zatímco vibrace nad 15 000 Hz lidské ucho neslyší.
Oscilační systémy — systémy, ve kterých se mohou vyskytovat přirozené oscilace.
Oscilátorový obvod — obvod, ve kterém může docházet k přirozeným elektrickým oscilacím, pokud je v něm narušena elektrická „rovnováha“, tedy pokud se v něm vytvoří počáteční napětí nebo proudy.
Řetěz — normálně uzavřený elektrický obvod. Tento termín však platí i pro otevřené obvody, konkrétně antény. Pro rozlišení mezi těmito dvěma typy smyček se nazývají uzavřené a otevřené.Termín "kontura" má někdy zvláštní význam. Oscilační obvod se pro stručnost často nazývá jednoduše „obvod“.
Aby se v obvodu vyskytly přirozené oscilace, musí mít kapacitu a indukčnost, ne příliš velký odpor. Frekvence vlastních kmitů v obvodu bude záviset na hodnotě kapacity C a indukčnosti L. Čím větší je kapacita a indukčnost zapojená do oscilačního obvodu, tím nižší je frekvence jeho vlastních kmitů (podrobněji viz zde — Oscilátorový obvod).
Frekvence přirozených vibrací v obvodu je určena přibližně tzv podle Thomsonova vzorce:
Protože každý obvod má odpor, kde dochází ke ztrátám energie a uvolňuje se teplo, pak budou přirozené oscilace v obvodu vždy tlumit. Jinými slovy, oscilační obvod se vrací do elektrické "rovnováhy" jako výsledek tlumeného oscilačního procesu.
Pokud je odpor obvodu velmi vysoký, pak se jedná o aperiodický obvod, ve kterém nedochází k žádným přirozeným oscilacím. Počáteční napětí a proudy vytvořené v takovém obvodu se rozpadají bez oscilací, ale monotónně. Jinými slovy, při narušení elektrické „rovnováhy“ se taková smyčka aperiodicky (tj. bez oscilací) vrací do „rovnovážné“ polohy.
Viz také k tomuto tématu:
Indukčně vázané oscilační obvody
Spojité kmitání a parametrická rezonance