background image

 
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i 
Informatyki 

 

Laboratorium Teorii Obwodów 

Przedmiot: Elektrotechnika teoretyczna 

 

 

Numer ćwiczenia: 

 

Temat: Obwody rezonansowe (rezonans 
prądów i napięć)
 

 
 
I.   Wprowadzenie 

O  rezonansie  w  pasywnym  obwodzie  elektrycznym  RLC  mówimy  wówczas,  gdy  jego 

reaktancja (X

L

 – X

C

 = 0) lub susceptancja (B

C

 – B

L

 = 0) wypadkowa jest równa zeru. 

Wówczas napięcie i prąd występujący na zaciskach obwodu są zgodne w fazie, a moc układu 
jest równa mocy czynnej. 

Częstotliwość,  dla  której  występuje  w  obwodzie  zjawisko  rezonansu,  nazywana  jest 

częstotliwością  rezonansową.  W  przypadku,  gdy  elementy  RLC  są  połączone  szeregowo, 
występuje  rezonans  napięć  (szeregowy),  w  przeciwnym  razie  występuje  rezonans  prądów 
(równoległy). 

Rezonans napięć 

 

 
 

Dany  jest  szeregowy  obwód  RLC  (rysunek  1).  Impedancja  tego  obwodu  jest  dana 

zależnością: 

,

1

C

L

jX

jX

R

C

j

L

j

R

Z

 

a napięcie: 

.

)

1

(

)

1

(

C

L

R

U

U

U

I

C

L

j

I

R

I

C

j

L

j

R

U

 

 

Jeżeli w obwodzie wystąpi rezonans, tzn. gdy 

Im(Z)= 0 => = 0 => X

L

 – X

C

  = 0 => X

L

 = X

C,

 

to  napięcie  U  zasilania  układu  jest  równe  spadkowi  napięcia  na  rezystancji,  a  suma 
geometryczna napięć na indukcyjności i na pojemności jest równa zeru. Obrazuje to wykres 
wskazowy  przedstawiony  na  rysunku  2,  uzyskany  dla  częstotliwości  rezonansowej  obwodu 
RLC przedstawionego na rysunku 1.  

U

C

 

C 

U

L

 

U

R

 

U 

R 

L 

I 

X

L

 – X

C

 = 0 => X

L

 = X

C

 => 

 
ω

0

L = 1/(ω

0

C) => f

= 1/(2π (LC)

1/2

 
 
 

Rysunek 1 Szeregowe połączenie elementów pasywnych RLC.

 

background image

 

 
 

Jednym  z  parametrów  charakteryzujących  obwód  rezonansowy  jest  dobroć  obwodu 

rezonansowego. W przypadku obwodu szeregowe (rezonans napięć) dobroć wyraża stosunek 
napięcia na elemencie reaktancyjnym do napięcia na rezystancji. 

.

1

0

0

RC

R

L

U

U

U

U

Q

R

C

R

L

 

 

Rezonans prądów 

 

 
 

Dany  jest  równoległy  obwód  RLC  (rysunek  3).  Admitancja  tego  obwodu  jest  dana 

zależnością: 

,

1

L

C

jB

jB

G

L

j

C

j

G

Y

 

a prąd: 

.

)

1

(

)

1

(

L

C

G

I

I

I

U

L

C

j

U

G

U

L

j

C

j

G

I

 

 

Jeżeli  w  obwodzie  wystąpi rezonans,  tzn.  gdy Im(Y)=  0  =>  B  =  0  =>  B

C

  –  B

L

    =  0  =>  

B

C

  =  B

L

  to  prąd  I  wpływający  do  układu  jest  równy  prądowi  przepływającemu  przez  gałąź 

rezystancji,  a  suma  geometryczna  prądu  płynącego  przez  indukcyjność  i  pojemność  jest 
równa  zeru.  Obrazuje  to  wykres  wskazowy  przedstawiony  na  rysunku  4,  uzyskany  dla 
częstotliwości rezonansowej obwodu RLC przedstawionego na rysunku 3.  

 

 
 
 

Dobroć równoległego obwodu rezonansowego RLC wyraża stosunek prądu na elemencie 

reaktancyjnym do prądu na rezystancji. 

.

1

0

0

GL

G

C

I

I

I

I

Q

R

C

R

L

 

I·R=U

R

=

jωL = U

I · -j/(ωC) = U

Rysunek 2 Wykres wskazowy obwodu szeregowego RLC w stanie rezonansu.

 

C 

L 

I

I

I

I 

B

C

 – B

L

 = 0 => B

C

 = B

L

 => 

 
ω

0

C = 1/(ω

0

L) => f

= 1/(2π (LC)

1/2

 
 
 

I·G = U

G

 = 

I

I = I

I

Rysunek 3 Równoległe połączenie elementów pasywnych RLC.

 

Rysunek 4 Wykres wskazowy obwodu równoległego RLC w stanie rezonansu.

 

background image

 

II. Przebieg ćwiczenia 
 

Celem  ćwiczenia  jest  praktyczna  ilustracja  rezonansu  napięć  i  prądu  występująca  w 

obwodach RLC. 

Rezonans napięć 

Schemat  układu  pomiarowego  wykorzystywanego  podczas  ćwiczenia  przedstawiono  na 

rysunku 5. Układ badawczy należy połączyć ze wskazanych przez prowadzącego przyrządów 
pomiarowych  i  dekad,  a  przed  przystąpieniem  do  realizacji  zadania  ustawić  przewidywany 
zakres i podstawę czasu na oscyloskopie, a amplitudę napięcia zasilającego nastawić na 2V. 
Po podłączeniu układu należy poprosić prowadzącego o sprawdzenie poprawności połączeń. 
Układ  pokazany  na  rysunku  umożliwia  obserwowanie  przebiegu  napięcia  oraz    przebiegu 
prądu płynącego w obwodzie (poprzez spadek napięcia na rezystancji  R

d

). 

 

 
 

Przed  przystąpieniem  do  realizacji  ćwiczenia  należy  nastawić  na  dekadzie  indukcyjnej 

wartość  L  =  50  mH  i  obliczyć  wartość  pojemności    C  jaką  trzeba  nastawić  na  dekadzie 
pojemnościowej by w układzie wystąpił rezonans przy częstotliwości f

0

 = 10kHz.  

W trakcie ćwiczenia należy:  

 

obliczoną wartość C nastawić na dekadzie pojemności; 

 

obliczyć  rezystancję  obwodu  dla  dobroci:  10,    20,    100.  Nastawić  odpowiednią 
wartość  na  oporniku  dekadowym    R

d

  (uwzględniając  rezystancję  generatora    i 

przyjmując rezystancję indukcyjności za zerową). 

 

regulując  częstotliwość  w  pobliżu  f  =  10  kHz  doprowadzić  układ  do  rezonansu. 
Dla  częstotliwości  rezonansowej  f  =  f

0

  nastawić  amplitudę  napięcia  zasilania 

U

a

=2V, 

 

odczytać  amplitudę  spadku  napięcia  na  oporniku  dekadowym  w  stanie 
rezonansu(U

Rd0

),  

 

wyznaczyć amplitudę prądu: 

d

Rd

R

U

I

0

0

 

gdzie  R

d

  jest  rezystancją  nastawioną  na  oporniku  dekadowym  dla  odpowiedniej 

dobroci. 

 

wyznaczyć  charakterystykę  I(f)  dla  wszystkich  dobroci  (przy  stałej  wartości  
napięcia zasilania). 

I 

U

L

 

U

Rd 

U 

R

L 

Generator 

funkcyjny 

 

U

a

 = 2V 

Oscyloskop 

U

C

 

C 

Rysunek 5 Układ pomiarowy rezonansu napięć. 

 

background image

  zmierzyć  przesunięcie  fazowe  dla  Q=10  i  częstotliwości:    f = 0,5 f

o

;    f = f

o

;  

f = 1,5 f

o

 

 

przedstawić wyniki w tabelach 1, 2 i 3. 

 

 

W sprawozdaniu należy wykreślić charakterystyki rezonansowe 

)

(

0

f

f

I

I

g

o

  dla różnych 

dobroci oraz określić 3-dB szerokość pasma przepuszczania. 
 

Rezonans prądów 
Rezonans  prądów  (rezonans  równoległy)  zachodzi  w  obwodach  elektrycznych  o 

równolegle połączonych gałęziach R, L,  C lub  R, L i  R,  C, jeżeli  wypadkowa susceptancja 
obwodu  jest  równa  zeru.  Schemat  układu  pomiarowego  wykorzystywanego  podczas 
ćwiczenia  przedstawiono  na  rysunku  6.  Układ  badawczy  należy  połączyć  ze  wskazanych 
przez prowadzącego przyrządów pomiarowych i dekad, a przed przystąpieniem do realizacji 
zadania ustawić przewidywany zakres i podstawę czasu na oscyloskopie, a amplitudę napięcia 
zasilającego  nastawić  na  5V.  Po  podłączeniu  układu  należy  poprosić  prowadzącego  o 
sprawdzenie poprawności połączeń.  

 

 
 

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia należy nastawić: 

  L = 50 mH, 
  R = 1000 Ω, 
  C =  0,5 μF, 
  U

= 5 V, 

  R

= 100 Ω, 

a  następnie  obliczyć  wartość  częstotliwości  rezonansowej  f

0

  i  impedancję  wypadkową 

obwodu - wynik zapisać.  

0

1

2

f

LC

…………[kHz], Z = R

1

+R=.......[Ω]. 

 

W trakcie ćwiczenia należy:  

 

zmieniając częstotliwość dostroić układ do rezonansu,  

  zmierzyć częstotliwość i amplitudę prądu. 

 

f

0

 = .........[kHz],  U

R1

 =...... [cm],       c =.......[V/cm],        U

R1 

=........[V],     I =......[mA]. 

 

I 

U

L

 

U

R1 

U 

R

L 

Generator 

funkcyjny 

 

U

a

 = 2V 

Oscyloskop 

U

C

 

C 

U

R

 

Rysunek 6 Układ pomiarowy rezonansu prądów. 

 

background image

  obserwować zmianę prądu przy zmianach częstotliwości,  
 

zanotować spostrzeżenia i wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową.  

 

zapisać wyniki pomiarów w tabeli 4. 

 

W sprawozdaniu należy wykreślić charakterystyki oraz obliczyć dobroć. 

 

Jeżeli  przyjmiemy,  że  dekada  pojemności  jest  zbliżona  do  idealnego  kondensatora,  to 

równolegle  połączoną  indukcyjność  i  rezystancję  można  przyjąć  jako  równoległy  schemat 
zastępczy cewki rzeczywistej (rys.7a). 

  
 

 Dla  danej  częstotliwości  znając  parametry  układu  równoległego  R  i  L  (rysunek  7a) 

można wyznaczyć wartości R’i L’ równoważnego układu szeregowego (rysunek 7b): 

}

Im{

'

},

Re{

'

Z

L

Z

R

L

j

R

L

j

R

Z

 

 

Dokonując takiej zamiany, zamiast układu z rysunku 6, otrzymamy układ przedstawiony 

na rys.8. 

 

 

Dla układu z rysunku 8 częstotliwość rezonansowa wynosi: 

2

0

1

1

'

2

'

'

R

f

L C

L

 , 

a impedancja przy częstotliwości rezonansowej ma wartość: 

0

1

1

'

Z

R

R C

 

W trakcie drugiej części ćwiczenia należy: 

  obliczyć:  

I 

U

L

 

U

R1 

U 

R

L 

Generator 

funkcyjny 

 

U

a

 = 5V 

Oscyloskop 

U

C

 

C 

U

R

 

R 

L 

I 

L=50 [mH] 
R=1000 [Ώ] 
 
 

R

' 

L

' 

I 

a) 

b) 

Rysunek 7.  Modyfikacja układu.

 

Rysunek 8 Zmodyfikowany układ pomiarowy rezonansu prądów. 

 

background image

  parametry  równoważnego  szeregowego  schematu  zastępczego  cewki  dla 

ω = ω

0

  

 

 

 

 

 

R’=........[Ω]   

L’=.......[mH], 

 

 

częstotliwość rezonansową dla układu z rys.8    f

0

=............[kHz]  

 

 

impedancję dla tego układu przy częstotliwości rezonansowej    Z

0

= .........[Ώ] 

 

 

oraz amplitudę prądu dla częstotliwości rezonansowej przy napięciu zasilania 

U

a

=5V  

 
 

 

 

I

m0

  =.........[mA]. 

 

  połączyć  układ    przedstawiony  na  rys.8,  nastawić  na  poszczególnych  elementach 

odpowiednie wartości i regulując częstotliwość dostroić układ do rezonansu. 

  zmierzyć częstotliwość i amplitudę prądu. 

 
 

 

 

f

0

=........kHz,   

                     I

m0

=..........mA , 

 

   Porównać wartości obliczone z wynikami zmierzonymi. 
 

Wyciągnąć wnioski.  

 

III. Uwagi do sprawozdania 

 

Na  podstawie  przeprowadzonych  pomiarów  należy  wykonać  sprawozdanie  z 

wykonanego ćwiczenia. W sprawozdaniu należy zawrzeć: 

1.  Cel i metodykę ćwiczenia. 

2.  Schematy  układów  pomiarowych  wraz  z  dokładnym  opisem  elementów  układu  i 

parametrami urządzeń pomiarowych. 

3.  Przedstawić wyniki pomiarowe w tabelach. 

4.  Przeprowadzić analizę błędu pomiarowego. 

5.  Narysować charakterystyki i przedstawić obliczenia wykonane w toku ćwiczeń. 

6.  Sformułować i przedstawić wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 

 
IV. Zagadnienia teoretyczne 
 

1.  Omów cel ćwiczenia. 
2.  Przedstaw  schematy  układów  pomiarowych  wykorzystywanych  w  ćwiczeniu  do 

obserwacji  rezonansu  napięć  i  prądu.  Omów  w  jaki  sposób  będzie  obserwowane 
zjawisko  rezonansu  w  układach  podczas  realizacji ćwiczenia  –  mierzone  wielkości  i 
sposób ich pomiaru. 

3.  Kiedy zachodzi rezonans w obwodzie RLC? 
4.  Co to jest dobroć układu i w jaki sposób zależy od elementów reaktancyjnych? 

 
V. Literatura 

1.  M. Krakowski, Elektrotechnika teoretyczna, tom I Obwody liniowe i nieliniowe, PWN. 

2.  S. Bolkowski, Teoria obwodów elektrycznych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, aa 

Warszawa, Wydanie V 

 

background image

 

f

0

 = ......[kHz], U

Rd0

 = ..... [cm], c =.......[V/cm], U

Rd0

 = ..... [V] 

Tabela 1 Tabela pomiarowa rezonansu napięć dla Q = 10. 

Lp. 

 [kHz] 

U

Rd

 

[cm] 

c 

[V/cm] 

U

Rd

  

[V] 

f/f

0

 

U

Rd

/

U

Rdo

 

 [cm] 

 [cm] 

φ  

[º] 

Uwagi 

1.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.  

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.  

11 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.  

12 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.   

13 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.   

14 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12.   

15 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.   

18 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
f

0

 = ......[kHz], U

Rd0

 = ..... [cm], c =.......[V/cm], U

Rd0

 = ..... [V] 

Tabela 2 Tabela pomiarowa rezonansu napięć dla Q = 20. 

Lp. 

 [kHz] 

U

Rd

 

[cm] 

c 

[V/cm] 

U

Rd

  

[V] 

f/f

0

 

U

Rd

/

U

Rdo

 

 [cm] 

 [cm] 

φ  

[º] 

Uwagi 

1.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.  

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.  

11 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.  

12 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.   

13 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.   

14 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12.   

15 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.   

18 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
f

0

 = ......[kHz], U

Rd0

 = ..... [cm], c =.......[V/cm], U

Rd0

 = ..... [V] 

Tabela 3 Tabela pomiarowa rezonansu napięć dla Q = 100. 

Lp. 

 [kHz] 

U

Rd

 

[cm] 

c 

[V/cm] 

U

Rd

  

[V] 

f/f

0

 

U

Rd

/

U

Rdo

 

 [cm] 

 [cm] 

φ  

[º] 

Uwagi 

1.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.  

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.  

11 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.  

12 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.   

13 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.   

14 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12.   

15 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.   

18 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
Podpis prowadzącego: 

background image

 

Tabela 4 Tabela pomiarowa rezonansu prądów. 

Lp. 

 [kHz] 

U

Rd

  

[cm] 

c  

[V/cm] 

U

Rd

  

[V] 

f/f

0

 

U

Rd

/

U

Rdo

 

Q 

Uwagi 

1.  

 

 

 

 

 

 

 

2.  

 

 

 

 

 

 

 

3.  

 

 

 

 

 

 

 

4.  

 

 

 

 

 

 

 

5.  

 

 

 

 

 

 

 

6.  

 

 

 

 

 

 

 

7.  

10 

 

 

 

 

 

 

 

8.  

11 

 

 

 

 

 

 

 

9.  

12 

 

 

 

 

 

 

 

10.   

13 

 

 

 

 

 

 

 

11.   

14 

 

 

 

 

 

 

 

12.   

15 

 

 

 

 

 

 

 

13.   

18 

 

 

 

 

 

 

 

 
    
 

 

Podpis prowadzącego: