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共振回路

共振回路は誘導性および容量性のインピーダンスが回路上にある状態を指します.
共振回路は大きく2つあり,それは直列共振並列共振になります.

共振回路は電気回路の中でも基本的な理論です.LやCが無い回路というのは基本的にはあり得ません.
特に,動作周波数が非常に高速なコンピュータのボードはディジタル回路の理論だけでは解けないものになりつつあります.
動作周波数が速くなればなるほど,分布定数回路的な考え方が必要になりますし,電気回路理論はそのための基礎的な分野です.
特に共振回路はインピーダンスの周波数特性に関わる部分です.


直列共振


下図のような抵抗 R,インダクタンス L,静電容量 C が直列に接続された場合,そのリアクタンス χ

χ = ωL - 1/(ωc)

で表されます.

 +-----+
 |     |
 |    |R|
(・E)  |L|
 |    |C|
 |     |
 +-----+
この時,ω = 1/ √(LC) ,別の表現をすれば f = 1/ 2π√(LC) となります.
これを図示すると以下の様になります.

ここで,ωo より左側,つまり,低い周波数のときは回路は容量性であり,ωo より右側,つまり,高い周波数の時には誘導性となり,ωo のときリアクタンスχは0になります.
このωo の部分は誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスが打ち消し合い,この状態の時を直列共振といいます.
そして,この時の周波数 fo を共振周波数といいます.

この回路のインピーダンスの大きさは抵抗,自己インダクタンス及び静電容量よりなる回路 と同じであり,共振状態になるとその大きさは最小になるので,Rと等しくなります.
電流
共振状態においてはインピーダンスはRしかないので,電流は最大となります.(下図参照)

この時の電流 Io は

Io = E/R

となります.


Q (Quality factor)


共振時の電流 Io の大きさはRだけで決まるが,ωに対する電流 I と共振時の電流 Io との関係(比)を考えます.

I = E/Z , Io = E/R

より,



  I     E/Z     R                R
 --- = ----- = --- = --------------------------
  Io    E/R     Z     √{ R^2+(ωL- 1/(ωC)^2 }


                            1
     = ------------------------------------------
          {     ( ω   ωoL    ωo     1   )2 }
        √{ 1 + ( ---・----  - ---・------ )  }
          {     ( ωo   R       ω  ωoCR  )  }


       ωoL    1     1
ここで ---- = ---・----  = Q
        R      R   ωoC

とおきます.そして,

  ω     f
 ---- = --- = n
  ωo    fo

とすると,

  I                 1
 ---- = -------------------------
  Io    √{ 1 + (n-1/n)^2・Q^2 }

このとき, I/Io を縦軸に,n を横軸にとると,共振状態の電流と周波数とをそれぞれ1になる共振曲線ができます.(下図参照)
この時,曲線は尖鋭になります.この尖鋭さをあらわすものがで,共振回路のQと言われています.
Qは Quality factor の頭字をとったもので,英語でも単にQとよばれています.


並列共振


下図のようにインダクタンス L,静電容量 C が並列に接続された場合を並列共振回路といいます.
 +------------+
 |            |
 |         +--+--+
 |         |     |
 |     ・ |R|    |  ・
(・E)   Y1  |    |C| Y2
 |        |L|    |
 |         |     |
 |         +--+--+
 |            |
 +------------+
さて,ここで全体のインピーダンスを考えます.
         1
・Z = ------ 
       ・Y

このとき,アドミタンス ・Y は

・Y = ・Y1 + ・Y2

であり,それぞれは以下の様になります.

            1             R                       ωL
・Y1 = ----------- = ----------------- - j・----------------
         R + jωL     R^2 + ω^2・L^2        R^2 + ω^2・L^2


・Y2 = jωC

よって,並列共振の周波数は

         ωoL
 -----------------  =  ωo・C
  R^2 + ωo^2・L^2
を満足する ωo となります.これは誘導サセプタンスと容量サセプタンスとが互いにうち消し合う状態になります.(サセプタンスはリアクタンスの逆数を意味します)
具体的に ωo は,
          (   1      R^2  )
 ωo = √ ( ---- - ------ )
          (  LC      L^2  )

となります.ちなみに,ωo = 2πfo なので,

                (   1      R^2  )
 fo = ---- ・√ ( ---- - ------ )
       2π      (  LC      L^2  )

となります.この時の電流 I の大きさは,

                 R                   C
  I = E -------------------  =  ER・---
          R^2 + ωo^2・L^2           L
となります.
これは R が小さければ I も小さくなるということです.(下図参照)

この時,並列共振のQは

      ωoL
 Q = ------
       R
で表すことができます.


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