Q, Qualitätsfaktor Tutorial enthält:
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Der Qualitätsfaktor oder ‚Q‘ einer Induktivität oder eines Schwingkreises wird häufig verwendet, um seine Leistung in einem Resonatorkreis anzuzeigen. Der Q- oder Qualitätsfaktor ist eine dimensionslose Zahl und beschreibt die Dämpfung in der Schaltung. Es gibt auch einen Hinweis auf die Bandbreite des Resonators relativ zu seiner Mittenfrequenz.
Werte für den Qualitätsfaktor werden häufig angegeben und können zur Definition der Leistung einer Induktivität, eines Kondensators oder eines Schwingkreises verwendet werden.
Der Q- oder Qualitätsfaktor wird bei vielen HF-Schwingkreisen oder -elementen verwendet, um deren Leistung in einem Oszillator oder einer anderen Form von Schwingkreis anzuzeigen.
Einfache Formeln beziehen die Verluste und die Bandbreite auf das Q.
Q, Qualitätsfaktorgrundlagen
Das Konzept von Q, Qualitätsfaktor wurde zuerst von einem Ingenieur namens K. S. Johnson aus der Konstruktionsabteilung der Western Electric Company in den USA ins Auge gefasst. Er bewertete die Leistung und Qualität verschiedener Spulen. Im Laufe seiner Untersuchungen entwickelte er das Konzept von Q. Interessanterweise wurde seine Wahl des Buchstabens Q getroffen, weil alle anderen Buchstaben des Alphabets genommen wurden und nicht wegen des Begriffs Qualitätsfaktor, obwohl im Nachhinein die Wahl des Buchstabens Q für Qualitätsfaktor nicht besser hätte sein können.
Qualitätsfaktor ist ein Konzept, das in vielen Bereichen der Physik und Technik anwendbar ist. Es wird mit dem Buchstaben Q bezeichnet und kann als Q-Faktor bezeichnet werden.
Der Q-Faktor ist ein dimensionsloser Parameter, der die Energieverluste innerhalb eines Resonanzelements angibt, das alles von einem mechanischen Pendel, einem Element in einer mechanischen Struktur oder innerhalb einer elektronischen Schaltung wie einem Resonanzkreis sein kann.
Während sich die Güte eines Elements auf die Verluste bezieht, hängt dies direkt mit der Bandbreite eines Resonators in Bezug auf seine Mittenfrequenz zusammen.
Das Q gibt den Energieverlust im Verhältnis zur im System gespeicherten Energiemenge an. Je höher das Q ist, desto geringer ist die Energieverlustrate, und daher werden Schwingungen langsamer abnehmen, d. H. Sie haben ein geringes Dämpfungsniveau und klingeln länger.
Bei elektronischen Schaltungen werden Energieverluste innerhalb der Schaltung durch Widerstand verursacht. Obwohl dies überall innerhalb der Schaltung auftreten kann, tritt die Hauptursache für den Widerstand innerhalb der Induktivität auf.
Definition des Qualitätsfaktors
Die Definition des Qualitätsfaktors wird oft benötigt, um ein genaueres Verständnis dafür zu erhalten, was diese Größe tatsächlich ist.
Für elektronische Schaltungen ist Q definiert als das Verhältnis der im Resonator gespeicherten Energie zu der von a ihm pro Zyklus zugeführten Energie, um die Signalamplitude konstant zu halten, bei einer Frequenz, bei der die gespeicherte Energie mit der Zeit konstant ist.
Es kann auch für eine Induktivität als das Verhältnis ihrer induktiven Reaktanz zu ihrem Widerstand bei einer bestimmten Frequenz definiert werden, und es ist ein Maß für ihre Effizienz.
Auswirkungen des Q-Faktors
Beim Umgang mit HF-Schwingkreisen gibt es viele Gründe, warum der Q-Faktor wichtig ist. Normalerweise ist ein hohes Q-Niveau vorteilhaft, aber in einigen Anwendungen kann ein definiertes Q-Niveau erforderlich sein.
Einige der mit Q in HF-Schwingkreisen verbundenen Überlegungen sind nachstehend zusammengefasst:
- Bandbreite: Mit zunehmendem Q-Faktor oder Qualitätsfaktor wird also die Bandbreite des Schwingkreisfilters reduziert. Wenn die Verluste abnehmen, wird die abgestimmte Schaltung schärfer, da Energie besser in der Schaltung gespeichert wird.
Es ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Q die 3 dB-Bandbreite abnimmt und das Gesamtverhalten des Schwingkreises zunimmt. In vielen Fällen ist ein hoher Q-Faktor erforderlich, um sicherzustellen, dass der erforderliche Grad an Selektivität erreicht wird. - Breite Bandbreite: In vielen HF-Anwendungen ist ein Betrieb mit großer Bandbreite erforderlich. Einige Formen der Modulation erfordern eine große Bandbreite, und andere Anwendungen erfordern feste Filter, um eine breite Bandabdeckung bereitzustellen. Während eine hohe Ablehnung unerwünschter Signale erforderlich sein kann, besteht eine konkurrierende Anforderung an breite Bandbreiten. Dementsprechend muss in vielen Anwendungen der erforderliche Q-Pegel bestimmt werden, um die Gesamtleistung bereitzustellen, die erforderlich ist, um die Anforderungen an eine breite Bandbreite und eine ausreichende Ablehnung unerwünschter Signale zu erfüllen.
- Oszillator-Phasenrauschen: Jeder Oszillator erzeugt ein sogenanntes Phasenrauschen. Dies umfasst zufällige Verschiebungen in der Phase des Signals. Dies äußert sich in Geräuschen, die sich vom Hauptträger ausbreiten. Wie zu erwarten, ist dieser Lärm nicht erwünscht und muss daher minimiert werden. Das Oszillatordesign kann angepasst werden, um dies auf verschiedene Arten zu reduzieren, wobei der Hauptgrund darin besteht, den Qualitätsfaktor Q des Oszillatorschwingkreises zu erhöhen.
- Allgemeine Störsignale: Schwingkreise und Filter werden häufig verwendet, um Störsignale zu entfernen. Je schärfer der Filter und je höher der Q-Pegel, desto besser kann die Schaltung die Störsignale entfernen.
- Klingeln: Wenn die Q eines Schwingkreises zunimmt, nehmen die Verluste ab. Dies bedeutet, dass jede Schwingung, die innerhalb der Schaltung aufgebaut wird, länger dauert, bis sie abklingt. Mit anderen Worten, die Schaltung neigt dazu, mehr zu „klingeln“. Dies ist eigentlich ideal für den Einsatz innerhalb eines Oszillatorkreises, da es einfacher ist, eine Schwingung einzurichten und aufrechtzuerhalten, da weniger Energie im Schwingkreis verloren geht.
Q-Faktor-Formeln
Die grundlegende Q- oder Qualitätsfaktorformel basiert auf den Energieverlusten innerhalb der Induktivität, des Schaltkreises oder einer anderen Form von Komponente.
Aus der oben angegebenen Definition des Qualitätsfaktors kann der Q-Faktor mathematisch in der folgenden Q-Faktor-Formel ausgedrückt werden:
Bei Betrachtung der Bandbreite eines HF-Schwingkreises ergibt sich daraus die Q-Faktor-Formel:
Innerhalb einer HF- oder anderen Schaltung kann jede einzelne Komponente zum Q- oder Qualitätsfaktor des Schaltungsnetzwerks als Ganzes beitragen. Die Q der Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren werden oft mit einem bestimmten Q-Faktor oder Qualitätsfaktor angegeben.
Gütefaktor und Dämpfung
Ein Aspekt des Gütefaktors, der in vielen Schaltungen von Bedeutung ist, ist die Dämpfung. Der Qualitätsfaktor Q bestimmt das qualitative Verhalten einfacher gedämpfter Oszillatoren und beeinflusst andere Schaltungen, wie z. B. das Verhalten innerhalb von Filtern usw.
Es gibt drei Hauptregime, die in Bezug auf Dämpfung und Q-Faktor berücksichtigt werden können.
- Unterdämpft (Q > 1/2) : Ein unterdämpftes System ist eines, bei dem der Q-Faktor größer als die Hälfte ist. Solche Systeme, bei denen der Q-Faktor nur knapp über der Hälfte liegt, können ein- oder zweimal schwingen, wenn ein Schrittimpuls angelegt wird, bevor die Schwingung abfällt. Wenn der Qualitätsfaktor zunimmt, sinkt die Dämpfung und Schwingungen werden länger aufrechterhalten. In einem theoretischen System, in dem der Q-Faktor unendlich ist, würde die Schwingung unbegrenzt aufrechterhalten, ohne dass ein weiterer Reiz hinzugefügt werden müsste. In Oszillatoren wird ein Signal zurückgespeist, um einen zusätzlichen Stimulus zu liefern, aber ein hoher Q-Faktor erzeugt normalerweise ein viel saubereres Ergebnis. Geringere Phasenrauschenpegel sind auf dem Signal vorhanden.
- Überdämpft (Q < 1/2): Ein überdämpftes System hat einen Q-Faktor, der kleiner als 1/2 ist. Bei dieser Art von System sind die Verluste hoch und das System hat kein Überschwingen. Stattdessen wird das System exponentiell abklingen und sich dem stationären Wert asymptotisch nähern, nachdem ein Schrittimpuls angelegt wurde. Da der Q-Faktor oder Qualitätsfaktor reduziert wird, so reagiert das System langsamer auf einen Schrittimpuls.
- Kritisch gedämpft (Q = 1/2): Das kritisch gedämpfte System hat einen Q-Faktor von 0,5 und wie ein überdämpftes System oszilliert der Ausgang nicht und überschreitet nicht seinen stationären Ausgang. Das System nähert sich der stationären Asymptote in der schnellsten Zeit ohne Überschwingen.
In vielen HF-Resonanzsystemen ist ein hoher Q-Faktor erforderlich. Für Filter ist eine ausreichende Selektivität erforderlich, aber nicht zu viel, und für Oszillatoren führen hohe Q-Werte zu einer verbesserten Stabilität und einem geringeren Phasenrauschen. In vielen Systemen sollte der Q-Faktor nicht zu hoch sein, da dies dazu führen kann, dass die Filterbandbreiten zu eng sind und Oszillatoren nicht über den erforderlichen Bereich nachverfolgen können. Die Q-Faktor-Werte müssen jedoch eher hoch als niedrig sein.
Weitere grundlegende Elektronikkonzepte:
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