Q, Fator de Qualidade Tutorial Inclui:
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O fator de qualidade ou ‘Q’ de um indutor ou ajustada circuito é frequentemente utilizado para dar uma indicação de seu desempenho em um circuito ressonador. O fator Q ou qualidade é um número adimensional e descreve o amortecimento no circuito. Ele também fornece uma indicação da largura de banda do ressonador em relação à sua frequência central.
valores para Fator de qualidade são frequentemente citados e podem ser usados na definição do desempenho de um indutor, capacitor ou circuito sintonizado.
o fator Q ou qualidade é usado com muitos circuitos sintonizados RF ou elementos para indicar o seu desempenho em um oscilador ou outra forma de circuito ressonante.
fórmulas simples relacionam as perdas e largura de banda com a Q.
Q, fator de qualidade básico
O conceito de Q, Fator de Qualidade, foi o primeiro previstas por um engenheiro chamado K. S. Johnson, do Departamento de Engenharia da Western Electric Company, NOS eua. Ele estava avaliando o desempenho e a qualidade de diferentes bobinas. Ao longo de suas investigações, desenvolveu o conceito de Q. Curiosamente sua escolha da letra Q foi feita porque todas as outras letras do alfabeto foram tomadas e não por causa do fator de qualidade do termo, embora com retrospectiva a escolha da letra Q para Fator de qualidade não poderia ter sido melhor.
factor de qualidade é um conceito que é aplicável em muitas áreas da física e engenharia. É denotado pela letra Q e pode ser referido como o fator Q.
o fator Q é um parâmetro adimensional que indica as perdas de energia dentro de um elemento ressonante que pode ser qualquer coisa a partir de um pêndulo mecânico, um elemento em uma estrutura mecânica, ou dentro de um circuito eletrônico, como um circuito ressonante. Embora o factor Q de um elemento esteja relacionado com as perdas, este liga-se directamente à largura de banda de um ressonador em relação à sua frequência central.
o Q indica perda de energia em relação à quantidade de energia armazenada no sistema. Assim, quanto maior o Q, menor a taxa de perda de energia e, portanto, oscilações irá reduzir mais lentamente, ou seja, eles terão um baixo nível de amortecimento e eles vão tocar por mais tempo.
Para circuitos eletrônicos, as perdas de energia dentro do circuito são causadas por resistência. Embora isso possa ocorrer em qualquer lugar dentro do circuito, a principal causa de resistência ocorre dentro do indutor.
definição do factor de qualidade
a definição do factor de qualidade é muitas vezes necessária para dar uma compreensão mais exacta do que esta quantidade realmente é.
Para circuitos eletrónicos, Q é definida como a razão entre a energia armazenada no ressonador e a energia fornecida por a a ele, por ciclo, para manter constante a amplitude do sinal, numa frequência em que a energia armazenada é constante com o tempo.
pode também ser definido para um indutor como a razão da sua reactância indutiva para a sua resistência numa frequência particular, e é uma medida da sua eficiência.
efeitos do factor Q
ao lidar com circuitos sintonizados RF, existem muitas razões pelas quais o factor Q é importante. Normalmente um alto nível de Q é benéfico, mas em algumas aplicações um nível definido de Q Pode ser o que é necessário.
algumas das considerações associadas com Q em circuitos sintonizados RF são resumidas a seguir:
- largura de banda: com o aumento do fator Q ou do fator de qualidade, então a largura de banda do filtro de circuito sintonizado é reduzida. À medida que as perdas diminuem, o circuito sintonizado torna-se mais nítido à medida que a energia é armazenada melhor no circuito.
pode ser visto que à medida que o Q aumenta, a largura de banda de 3 dB diminui e a resposta global do circuito sintonizado aumenta. Em muitos casos, é necessário um factor Q elevado para garantir o grau de selectividade exigido. - largura de banda larga: em muitas aplicações RF há um requisito para operação de largura de banda larga. Algumas formas de modulação requerem uma largura de banda larga, e outras aplicações requerem filtros fixos para fornecer uma cobertura de banda larga. Embora possa ser necessária uma elevada rejeição de sinais indesejados, existe um requisito concorrente para larguras de banda largas. Assim, em muitas aplicações, o nível de Q necessário deve ser determinado para fornecer o desempenho global necessário para satisfazer os requisitos de largura de banda larga e rejeição adequada de sinais indesejados.
- ruído de fase oscilador: qualquer oscilador gera o que é conhecido como ruído de fase. Isto inclui mudanças aleatórias na fase do sinal. Isso se manifesta como ruído que se espalha para fora do porta-aviões principal. Como seria de esperar, este ruído não é desejado, pelo que tem de ser minimizado. O design do oscilador pode ser adaptado para reduzir isso em uma série de maneiras, sendo o principal aumentando o Q, fator de qualidade do circuito sintonizado oscilador.
- sinais espúrias Gerais: circuitos e filtros sintonizados são frequentemente usados para remover sinais espúrias. Quanto mais afiado o filtro e maior o nível de Q, melhor o circuito será capaz de remover os sinais espúrios.
- Toque: à medida que o Q de um circuito ressonante aumenta, as perdas diminuem. Isto significa que qualquer oscilação estabelecida dentro do circuito levará mais tempo para morrer. Em outras palavras, o circuito tenderá a “tocar” mais. Isto é realmente ideal para uso dentro de um circuito oscilador porque é mais fácil de configurar e manter uma oscilação como menos energia é perdida no circuito sintonizado.
fórmulas do factor Q
a fórmula básica do factor Q ou do factor de qualidade é baseada nas perdas de energia dentro do indutor, circuito ou outra forma de componente.
da definição do factor de qualidade acima apresentada, o factor Q Pode ser expresso matematicamente na fórmula do factor Q abaixo.:
Quando se olha para a largura de banda de RF circuito ressonante, isto traduz-se para o factor Q fórmula:
Dentro de qualquer RF ou outro circuito, cada componente pode contribuir para o Q ou fator de qualidade do circuito rede como um todo. O Q dos componentes, tais como indutores e capacitores, é frequentemente citado como tendo um determinado fator Q ou fator de qualidade.
factor de qualidade e amortecimento
um aspecto do factor Q Que é importante em muitos circuitos é o amortecimento. O Fator de qualidade, Q, determina o comportamento qualitativo dos osciladores de amortecimento simples e afeta outros circuitos, como a resposta dentro dos filtros, etc.
existem três regimes principais que podem ser considerados quando se refere ao fator de amortecimento e Q.
- sub-dampado (Q > 1/2) : Um sistema sub-dampado é aquele em que o fator Q é maior que metade. Aqueles sistemas onde o fator Q é apenas pouco mais de metade podem oscilar uma ou duas vezes quando um impulso de passo é aplicado antes que a oscilação caia. À medida que o Fator de qualidade aumenta, as quedas de amortecimento e as oscilações serão sustentadas por mais tempo. Em um sistema teórico onde o fator Q é infinito, a oscilação seria mantida indefinidamente sem a necessidade de adicionar qualquer estímulo adicional. Nos osciladores algum sinal é alimentado de volta para fornecer um estímulo adicional, mas um fator Q elevado normalmente produz um resultado muito mais limpo. Níveis mais baixos de ruído de fase estão presentes no sinal.
- sobre-dampado( Q < 1/2): um sistema sobre-dampado tem um fator Q Que é inferior a 1/2. Neste tipo de Sistema, as perdas são elevadas e o sistema não tem excesso. Em vez disso, o sistema irá decair exponencial, aproximando-se do valor do estado estacionário assintoticamente após um impulso de passo é aplicado. À medida que o fator Q ou o Fator de qualidade é reduzido, os sistemas respondem mais lentamente a um impulso de passo.
- Criticamente amortecido (Q = 1/2) : O criticamente amortecida do sistema tem um fator Q de 0,5 e, como um sobre-amortecida do sistema, a saída não oscilam, e não ultrapassar o seu estado constante de saída. O sistema se aproximará da assintote em estado estacionário no tempo mais rápido, sem qualquer excesso.
em muitos sistemas ressonantes RF, são necessários altos níveis de fator Q. Para os filtros é necessária seletividade suficiente, mas não muito, e para os osciladores altos níveis de Q resultam em maior estabilidade e menor ruído de fase. Em muitos sistemas, o fator Q não deve ser muito alto, pois pode resultar em larguras de banda de filtros serem muito estreitas e os osciladores não serem capazes de rastrear a faixa necessária. No entanto, os níveis do factor Q tendem a ser elevados e não Baixos.
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