Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

То же самое мы уже наблюдали в колеблющейся струне, для нее была введена характеристика «добротность» Q, которая как раз и показывает, от чего зависит время жизни свободных колебаний (Т-93). Подобная характеристика — добротность Q — говорит и о том, насколько бережно относится к своим запасам энергии колебательный контур. Чем больше энергии при каждом перекачивании уходит в запас, в магнитное поле или электрическое поле, и чем меньше энергии при каждом перекачивании превращается в тепло, тем больше добротность Q, тем дольше длятся свободные колебания в контуре (Р-96;7,8).

Т-169. Добротность контура тем выше, чем меньше потери энергии, чем больше индуктивность и меньше емкость. Добротность — исключительно важная характеристика колебательного контура. Когда контур используется в качестве резонансного фильтра, то именно от добротности зависит, насколько хорошо он будет справляться со своей задачей. Чем выше добротность, тем сильнее контур задавит токи соседних частот и тем лучше выделит, вытащит из аккорда ток своей собственной, резонансной частоты. Когда контур держит экзамен на роль генератора, то именно от добротности зависит, какую он при этом получит оценку, насколько долго будут длиться в контуре собственные колебания.

Но от чего же зависит сама добротность, которая столь сильно влияет на все основные таланты контура?

Можно сразу же сказать, что добротность зависит от потерь энергии в контуре: чем меньше потери, чем меньше R_к, тем выше добротность Q. Иногда потери отображаются не только последовательным резистором R_к, но еще и параллельным резистором R'_к, а бывает, что такой резистор R'_к в действительности подключен параллельно контуру, шунтирует контур, старается отвести, отобрать часть циркулирующего в контуре тока. И чем меньше R'_к, тем большая часть энергии в него уходит, тем ниже добротность.

Есть еще одна зависимость, не сразу, может быть, заметная, — добротность контура зависит от соотношения L_к и С_к. В процессе каждого перекачивания энергии вся она делится на две части, часть энергии поглощается активным сопротивлением R_к, а другую часть отбирает один из накопителей, конденсатор или катушка. То, что достается резистору R_к, пропадает безвозвратно; то, что попадает реактивному сопротивлению L_к или С_к, остается в контуре. Поэтому и оказывается, что добротность контура — не что иное, как отношение реактивного сопротивления к активному — х_L к R_к (Р-96;7) или, что то же самое, х_с к R_к (поскольку х_L = х_с на частоте f_к = f_рез).

Сделав простейшие преобразования, можно получить выражение для добротности и увидеть, что она зависит от соотношения L_к и С_к (Р-96;9). Но даже без преобразований легко прийти к выводу, что добротность Q тем больше, чем больше L_к, и тем меньше, чем больше С_к. Потому, что с увеличением L_к возрастает реактивное сопротивление x_L, которое отбирает энергию у ненасытного R_к, отбирает с тем, чтобы вскоре вернуть в контур. А с увеличением С_к емкостное сопротивление х_с уменьшается, конденсатор забирает себе меньше энергии. Более того, приходится еще и L_к уменьшать, чтобы при увеличении С_к сохранить неизменной f_к.

Зависимость добротности Q от L_к и С_к накладывает серьезные ограничения на выбор параметров контура. Конечно же, частота свободных колебаний f_к в равной мере зависит и от L_к и от С_к: одну и ту же частоту можно получить при самых разных соотношениях индуктивности и емкости подобно тому, как одну и ту же площадь прямоугольника можно получить при разных соотношениях его сторон. Если в несколько раз увеличить L_к и во столько же раз уменьшить С_к, то частота f_к не изменится. Можно как угодно менять эти параметры, лишь бы только сохранялось неизменным произведение L_кC_к, которое и определяет частоту f_к. Но если нужно не просто получить ту или иную частоту электрических колебаний, а получить ее при высокой добротности контура, то соотношение L_к и С_к уже далеко не безразлично — нужно стараться, чтобы индуктивность контура была побольше, а емкость поменьше (Р-96;9).

Т-170. Усилитель с положительной обратной связью компенсирует потери энергии в контуре. Колебательный контур сам по себе не может, к сожалению, сдать экзамен на звание электронного генератора. Как ни уменьшай потери и затраты энергии в контуре, свести их к нулю не удастся, в большей степени или в меньшей, но колебания все равно будут затухать. Правда, если поместить контур в сосуд с жидким гелием, то колебания будут существовать в нем многие дни и даже месяцы — температура жидкого гелия близка к абсолютному нулю (-273 °C), и в проводниках при такой температуре наблюдается явление сверхпроводимости: электрический ток не встречает никаких препятствий, не затрачивает энергии, не выделяет тепла. Поэтому в контуре, помещенном в жидкий гелий, почти нет потерь энергии, его добротность чрезвычайно велика.