Q, Quality Factor Tutorial omvat:
Q, quality factor basics Inductor Q RLC network Q
de quality factor of’ Q ‘ van een inductor of een afgestemd circuit wordt vaak gebruikt om een indicatie te geven van zijn prestaties in een resonator circuit. De Q of kwaliteitsfactor is een dimensieloos getal en beschrijft de demping in het circuit. Het geeft ook een indicatie van de bandbreedte van de resonator ten opzichte van de centrumfrequentie.
waarden voor de kwaliteitsfactor worden vaak geciteerd en kunnen worden gebruikt bij het bepalen van de prestaties van een inductor, een condensator of een afgestemd circuit.
de Q – of kwaliteitsfactor wordt gebruikt bij veel RF-afgestelde circuits of elementen om hun prestaties in een oscillator of een andere vorm van resonantiekring aan te geven.
eenvoudige formules relateren de verliezen en de bandbreedte aan de Q.
Q, quality factor basics
het concept van Q, Quality Factor werd voor het eerst overwogen door een ingenieur genaamd K. S. Johnson van de Engineering Department of the Western Electric Company in de VS. Hij evalueerde de prestaties en kwaliteit van verschillende spoelen. In de loop van zijn onderzoek ontwikkelde hij het concept van Q. Interessant is dat zijn keuze voor de letter Q werd gemaakt omdat alle andere letters van het alfabet werden genomen en niet vanwege de term kwaliteitsfactor, hoewel achteraf gezien de keuze van de letter Q voor kwaliteitsfactor niet beter had kunnen zijn.
kwaliteitsfactor is een begrip dat op vele gebieden van de fysica en engineering van toepassing is. Het wordt aangeduid met de letter Q en kan worden aangeduid als de factor Q.
de Q-factor is een dimensieloze parameter die de energieverliezen binnen een resonantelement aangeeft, die van alles afkomstig kunnen zijn van een mechanische slinger, een element in een mechanische structuur of binnen een elektronisch circuit zoals een resonantiekring.
terwijl de Q-factor van een element betrekking heeft op de verliezen, verbindt deze direct met de bandbreedte van een resonator ten opzichte van zijn centrumfrequentie.
de Q Geeft het energieverlies aan in verhouding tot de hoeveelheid energie die in het systeem is opgeslagen. Dus hoe hoger de Q hoe lager de snelheid van het energieverlies en dus oscillaties zal langzamer afnemen, dat wil zeggen ze zullen een laag niveau van demping hebben en ze zullen langer ring.
Voor elektronische schakelingen worden energieverliezen binnen de schakeling veroorzaakt door weerstand. Hoewel dit overal binnen de kring kan voorkomen, treedt de belangrijkste oorzaak van weerstand binnen de inductor op.
kwaliteitsfactor definitie
de definitie van kwaliteitsfactor is vaak nodig om een nauwkeuriger inzicht te geven in wat deze hoeveelheid eigenlijk is.
Voor elektronische schakelingen wordt Q gedefinieerd als de verhouding tussen de in de resonator opgeslagen energie en de energie die door a aan de resonator wordt geleverd, per cyclus, om de signaalamplitude constant te houden, op een frequentie waarbij de opgeslagen energie constant is in de tijd.
het kan ook worden gedefinieerd voor een inductor als de verhouding van zijn inductieve reactantie tot zijn weerstand bij een bepaalde frequentie, en het is een maat voor zijn efficiëntie.
effecten van Q-factor
bij RF-afgestelde circuits zijn er vele redenen waarom Q-factor belangrijk is. Gewoonlijk is een hoog niveau van Q voordelig, maar in sommige toepassingen kan een bepaald niveau van Q Zijn wat vereist is.
enkele overwegingen in verband met Q in RF tuned circuits worden hieronder samengevat.:
- bandbreedte: met toenemende Q-factor of kwaliteitsfactor, zodat de bandbreedte van het afgestelde circuit filter wordt verminderd. Naarmate de verliezen afnemen, wordt het afgestelde circuit scherper naarmate de energie beter in het circuit wordt opgeslagen.
als de Q toeneemt, neemt de bandbreedte van 3 dB af en neemt de totale respons van het afgestelde circuit toe. In veel gevallen is een hoge Q-factor nodig om ervoor te zorgen dat de vereiste mate van selectiviteit wordt bereikt. - brede bandbreedte: in veel RF-toepassingen is er een vereiste voor brede bandbreedte. Sommige vormen van modulatie vereisen een brede bandbreedte, en andere toepassingen vereisen vaste filters om een brede banddekking te bieden. Hoewel een hoge afwijzing van ongewenste signalen nodig kan zijn, is er een concurrerende eis voor brede bandbreedtes. Dienovereenkomstig moet in veel toepassingen het vereiste Q-niveau worden bepaald om de algemene prestaties te leveren die nodig zijn om te voldoen aan de vereisten voor brede bandbreedte en adequate afwijzing van ongewenste signalen.
- faseruis: elke oscillator genereert wat bekend staat als faseruis. Dit omvat willekeurige verschuivingen in de fase van het signaal. Dit manifesteert zich als geluid dat zich verspreidt vanuit de hoofddrager. Zoals te verwachten valt, is dit lawaai niet gewenst en moet het daarom tot een minimum worden beperkt. Het ontwerp van de oscillator kan worden aangepast om dit op een aantal manieren te verminderen, de belangrijkste is door het verhogen van de Q, kwaliteit factor van de oscillator tuned circuit.
- algemene onechte signalen: afgestelde circuits en filters worden vaak gebruikt om onechte signalen te verwijderen. Hoe scherper het filter en hoe hoger het niveau van Q, hoe beter het circuit in staat zal zijn om de valse signalen te verwijderen.
- Ringvorming: naarmate de Q van een resonantiekring toeneemt, nemen de verliezen af. Dit betekent dat een oscillatie ingesteld binnen het circuit langer zal duren om weg te sterven. Met andere woorden het circuit zal de neiging om “ring” meer. Dit is eigenlijk ideaal voor gebruik binnen een oscillatorcircuit omdat het gemakkelijker is om een oscillatie op te zetten en te handhaven omdat er minder energie verloren gaat in het afgestelde circuit.
Q factorformules
de basisformule Q of kwaliteitsfactor is gebaseerd op de energieverliezen binnen de inductor, het circuit of een andere vorm van het onderdeel.
uit de hierboven gegeven definitie van kwaliteitsfactor kan de Q-factor wiskundig worden uitgedrukt in de Q-factorformule hieronder:
wanneer we kijken naar de bandbreedte van een RF-resonantiekring vertaalt dit zich naar de formule van de Q-factor:
binnen een RF-of ander circuit kan elk afzonderlijk onderdeel bijdragen tot de Q-of kwaliteitsfactor van het netwerk van het circuit als geheel. De Q van de componenten zoals smoorspoelen en condensatoren worden vaak geciteerd als met een bepaalde Q-factor of kwaliteitsfactor.
kwaliteitsfactor en demping
een aspect van de Q-factor dat in veel circuits van belang is, is de demping. De kwaliteitsfactor Q bepaalt het kwalitatieve gedrag van eenvoudige gedempte oscillatoren en beïnvloedt andere circuits zoals de respons binnen filters, enz.
er zijn drie hoofdregimes die in aanmerking kunnen worden genomen wanneer wordt verwezen naar de dempings-en Q-factor.
- ondergedompeld (Q > 1/2) : Een ondergedompeld systeem is een systeem waarbij de Q-factor groter is dan de helft. Systemen waarbij de Q-factor slechts iets meer dan de helft is, kunnen een of twee keer oscilleren wanneer een stapimpuls wordt toegepast voordat de oscillatie wegvalt. Naarmate de kwaliteitsfactor toeneemt, zal de demping dalen en oscillaties langer aanhouden. In een theoretisch systeem waar de Q-factor oneindig is, zou de oscillatie oneindig worden gehandhaafd zonder de noodzaak om verdere stimulus toe te voegen. In oscillatoren wordt enig signaal teruggekoppeld om een extra stimulus te geven, maar een hoge Q-factor produceert normaal gesproken een veel schoner resultaat. Lagere niveaus van fase ruis zijn aanwezig op het signaal.
- Overgedempt (Q < 1/2): een overgedempt systeem heeft een Q-factor die kleiner is dan 1/2. In dit type systeem zijn de verliezen hoog en heeft het systeem geen overshoot. In plaats daarvan zal het systeem exponentieel verval, het naderen van de steady state waarde asymptotisch na een stap impuls wordt toegepast. Naarmate de Q-factor of de kwaliteitsfactor wordt verminderd, reageren de systemen langzamer op een stapimpuls.
- kritisch gedempt (Q = 1/2) : het kritisch gedempt systeem heeft een Q-factor van 0,5 en net als een overgedempt systeem schommelt de uitgang niet en overschrijdt de steady-state uitgang niet. Het systeem zal de stationaire asymptoot in de snelste tijd benaderen zonder enige overschrijding.
in veel RF-resonantiesystemen zijn hoge niveaus van Q-factor nodig. Voor filters is voldoende selectiviteit nodig, maar niet te veel, en voor oscillatoren hoge niveaus van Q resulteren in verbeterde stabiliteit en lagere fase ruis. In veel systemen mag de Q-factor niet te hoog zijn, omdat dit kan leiden tot een te smalle filterbandbreedte en oscillatoren niet in staat zijn om het vereiste bereik te volgen. De Q factor niveaus moeten echter eerder hoog dan laag zijn.
meer Basiselektronicaconcepten:
spanningsstroom Vermogensweerstand Capacitieve Inductantietransformatoren Decibel, dB Kirchoff ‘ s Laws Q, quality factor RF noise
terug naar het menu Basiselektronicaconcepten . . .