劉藝柱，安 彤，孫天航，邱美艷

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

0 引言

LC諧振是高等院校電工基礎(chǔ)、電工電子技術(shù)、電路基礎(chǔ)以及高頻電子電路等課程中都涉及的一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)和授課難點(diǎn)[1]. LC諧振包括串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振，不少教材中對(duì)于串聯(lián)諧振的講解相對(duì)詳細(xì)，并聯(lián)諧振相對(duì)較少[2]，并聯(lián)諧振的應(yīng)用更是很少提及. 教材中大多僅限于公式推導(dǎo)和理論講解，沒(méi)有相應(yīng)的配套實(shí)驗(yàn)裝置可以清晰直觀地給學(xué)生演示和實(shí)驗(yàn)練習(xí). 教學(xué)中教師基本采用講授的模式，理論抽象，不便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解. 目前高校電路實(shí)驗(yàn)中關(guān)于RLC并聯(lián)諧振電路的實(shí)驗(yàn)研究很少[3]，或只是采用Multisim工具進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[4]，學(xué)生對(duì)這一知識(shí)的掌握基本停留在公式上，對(duì)并聯(lián)諧振的現(xiàn)象、意義和應(yīng)用比較模糊. 本文介紹的一套電磁感應(yīng)式無(wú)線傳能實(shí)驗(yàn)裝置，能較好地解決上述問(wèn)題，降低教師的授課難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳能實(shí)驗(yàn)裝置(如圖1)主要由能量發(fā)射回路和能量接收回路兩部分組成. 其中，能量發(fā)射部分主要由電源、振蕩源、功率放大及發(fā)射線圈等部分組成，能量接收回路由接收線圈、整流電路、負(fù)載等部分組成. 本實(shí)驗(yàn)裝置中，直流電源選用手機(jī)USB充電器，振蕩源選用TCE7702信號(hào)發(fā)生器，可輸出頻率范圍50HZ～5MHZ的方波、正弦波、三角波等波形，功率放大電路選用N溝道MOS管IRF540，整流電路選用二極管1N4148，將接收的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量驅(qū)動(dòng)負(fù)載，負(fù)載選用1 W的LED.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置框

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置原理

發(fā)射和接收兩部分中的線圈L1、L2采用平面螺旋式繞法，線徑1 mm，線圈內(nèi)徑75 mm，測(cè)得電感0.8 uH，與可變電容C1、C2形成并聯(lián)諧振電路，可通過(guò)調(diào)節(jié)電容得到實(shí)驗(yàn)要求的諧振頻率.

2 LC并聯(lián)諧振的教學(xué)實(shí)施

2.1 頻率計(jì)算

2.2 電路搭建

運(yùn)用串聯(lián)電阻的調(diào)試方法，串聯(lián)一個(gè)電阻進(jìn)行分壓，使其幅值最大可以通過(guò)改變信號(hào)發(fā)生器給出的頻率，來(lái)找到諧振最大值. 把四個(gè)線圈調(diào)到諧振點(diǎn)，要注意串聯(lián)同一大小的電阻，且阻值不要太大，一般選200 Ω左右. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要學(xué)生動(dòng)手連接信號(hào)源及示波器等設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以直觀看到能量傳輸效果，同時(shí)體現(xiàn)LC并聯(lián)諧振可以實(shí)現(xiàn)的功能和作用，讓學(xué)生直觀感受到LC并聯(lián)諧振的應(yīng)用，如圖3所示.

圖3 LC諧振參數(shù)調(diào)試示意圖

通過(guò)搭建電路測(cè)得振蕩前后輸出波形及數(shù)據(jù)如表1所示.

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率，觀測(cè)發(fā)射線圈兩端的波形，記錄不同頻率下得到的不同電流和對(duì)應(yīng)的振幅，如表2和圖4所示.

從圖4可以看出，在LC并聯(lián)諧振電路中，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率f為3.0 MHz，最接近電路的固有頻率(2.8 MHz)時(shí)，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，此時(shí)電路的阻抗最大，且為純阻性，總電路電流最小. 通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率，觀察輸出波形的變化，學(xué)生對(duì)并聯(lián)諧振的現(xiàn)象有了清晰直觀的認(rèn)識(shí)； 通過(guò)尋找諧振點(diǎn)，學(xué)生也培養(yǎng)了調(diào)節(jié)諧振電路的能力.

表1 振蕩前后測(cè)試數(shù)據(jù)及波形

表2 調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器測(cè)試的電流和電壓值

圖4 測(cè)試數(shù)據(jù)整理圖

2.4 現(xiàn)象分析

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于或者低于諧振頻率時(shí)，LC并聯(lián)諧振電路失諧，阻抗迅速減小，信號(hào)電流明顯增大. 并聯(lián)諧振電路在高頻電路中使用較多[6], 為了衡量它的濾波性能 ,即幅頻特性是否陡峭，引入了品質(zhì)因數(shù)，但一般的教材都是直接給出，而通過(guò)圖5也可以觀察出：電路的品質(zhì)因數(shù) Q值愈大，則帶寬愈窄，幅頻特性愈尖銳，即選頻特性愈好； 同時(shí)在幅度相同且頻率為諧振頻率的電流源作用下，諧振回路兩端獲得的電壓幅度愈大. 此實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以加深學(xué)生對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q的理解.

2.5 功能展示

觀察實(shí)驗(yàn)裝置負(fù)載臺(tái)燈的亮滅，感受能量傳遞的過(guò)程. 圖5為無(wú)線傳能實(shí)際效果，臺(tái)燈的亮滅反映了能量的傳輸與否，臺(tái)燈的亮度也能反映能量傳輸?shù)亩嗌?，?dāng)臺(tái)燈最亮?xí)r，即為發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生耦合諧振時(shí)，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了能量傳輸?shù)淖畲蠡? 通過(guò)負(fù)載的變化，學(xué)生對(duì)并聯(lián)諧振電路應(yīng)用有了更新的認(rèn)識(shí)，也解決了不知所學(xué)有何用的困惑.

圖5 無(wú)線傳能效果展示

3 教學(xué)效果

實(shí)踐教學(xué)是加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)教育，增加學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生探索精神、科學(xué)思維、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要綜合訓(xùn)練環(huán)節(jié)[9]. 無(wú)線傳能實(shí)驗(yàn)裝置給學(xué)生學(xué)習(xí)LC并聯(lián)諧振提供了實(shí)踐的平臺(tái). 不少學(xué)生表示，原本晦澀難懂的諧振理論，通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置的演示實(shí)驗(yàn)和親手調(diào)試，給了他們形象、生動(dòng)的感性認(rèn)識(shí)，使他們對(duì)LC諧振理論有了更深刻的理解，從直觀上解決了只知理論、不知應(yīng)用的困惑. 此外，學(xué)生對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置項(xiàng)目表現(xiàn)出更為濃厚的興趣，希望能參與到親手制作實(shí)驗(yàn)裝置的過(guò)程中來(lái). 將本實(shí)驗(yàn)裝置作為學(xué)生的學(xué)習(xí)拓展項(xiàng)目，帶動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍.

4 結(jié)語(yǔ)

利用無(wú)線傳能裝置，從頻率計(jì)算、電路調(diào)試、現(xiàn)象分析及功能展示幾個(gè)方面進(jìn)行LC 并聯(lián)諧振電路的教學(xué)實(shí)施，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且符合理論分析. 這種方法適用于應(yīng)用技術(shù)型院校中電工基礎(chǔ)、電工電子技術(shù)、電路基礎(chǔ)以及高頻電子電路等課程中LC并聯(lián)諧振的實(shí)驗(yàn)教學(xué). 該實(shí)驗(yàn)裝置可以讓學(xué)生形象地掌握 LC 并聯(lián)諧振電路的基本特性和應(yīng)用，同時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法進(jìn)行分析. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置清晰直觀地解決了理論抽象的問(wèn)題，學(xué)生從實(shí)驗(yàn)練習(xí)中掌握了并聯(lián)諧振的現(xiàn)象、意義及應(yīng)用，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)習(xí)興趣.