Quality Factor / Q Factor; formule ed equazioni

Q, Quality Factor Tutorial Include:
Q, quality factor basics Induttore Q RLC network Q

Il fattore di qualità o ‘Q’ di un induttore o circuito sintonizzato è spesso usato per dare un’indicazione delle sue prestazioni in un circuito risonatore. Il fattore Q o qualità è un numero adimensionale e descrive lo smorzamento nel circuito. Fornisce anche un’indicazione della larghezza di banda del risonatore rispetto alla sua frequenza centrale.

I valori per il fattore di qualità sono spesso citati e possono essere utilizzati per definire le prestazioni di un induttore, un condensatore o un circuito sintonizzato.

Il fattore Q o qualità viene utilizzato con molti circuiti sintonizzati RF o elementi per indicare le loro prestazioni in un oscillatore o altra forma di circuito risonante.

Le formule semplici mettono in relazione le perdite e la larghezza di banda con la Q.

Q, quality factor basics

Il concetto di Q, Quality Factor è stato inizialmente previsto da un ingegnere di nome K. S. Johnson del Dipartimento di ingegneria della Western Electric Company negli Stati Uniti. Stava valutando le prestazioni e la qualità delle diverse bobine. Nel corso delle sue indagini ha sviluppato il concetto di Q. È interessante notare che la sua scelta della lettera Q è stata fatta perché tutte le altre lettere dell’alfabeto sono state prese e non a causa del termine fattore di qualità, anche se con il senno di poi la scelta della lettera Q per fattore di qualità non avrebbe potuto essere migliore.

Il fattore di qualità è un concetto applicabile in molte aree della fisica e dell’ingegneria. È indicato con la lettera Q e può essere indicato come il fattore Q.

Il fattore Q è un parametro adimensionale che indica le perdite di energia all’interno di un elemento risonante che potrebbe essere qualsiasi cosa, da un pendolo meccanico, un elemento in una struttura meccanica o all’interno di un circuito elettronico come un circuito risonante.

Mentre il fattore Q di un elemento si riferisce alle perdite, questo si collega direttamente alla larghezza di banda di un risonatore rispetto alla sua frequenza centrale.

La Q indica la perdita di energia relativa alla quantità di energia immagazzinata all’interno del sistema. Quindi più alto è il Q più basso è il tasso di perdita di energia e quindi le oscillazioni si ridurranno più lentamente, cioè avranno un basso livello di smorzamento e suoneranno più a lungo.

Per i circuiti elettronici, le perdite di energia all’interno del circuito sono causate dalla resistenza. Sebbene ciò possa verificarsi ovunque all’interno del circuito, la causa principale della resistenza si verifica all’interno dell’induttore.

Definizione del fattore di qualità

La definizione di fattore di qualità è spesso necessaria per dare una comprensione più esatta di ciò che questa quantità è effettivamente.

Per i circuiti elettronici, Q è definito come il rapporto tra l’energia immagazzinata nel risonatore e l’energia fornita da a ad esso, per ciclo, per mantenere costante l’ampiezza del segnale, ad una frequenza in cui l’energia immagazzinata è costante nel tempo.

Può anche essere definito per un induttore come il rapporto tra la sua reattanza induttiva e la sua resistenza ad una particolare frequenza, ed è una misura della sua efficienza.

Effetti del fattore Q

Quando si tratta di circuiti sintonizzati RF, ci sono molte ragioni per cui il fattore Q è importante. Di solito un alto livello di Q è utile, ma in alcune applicazioni un livello definito di Q può essere ciò che è richiesto.

Alcune delle considerazioni associate a Q nei circuiti sintonizzati RF sono riassunte di seguito:

• Larghezza di banda: con l’aumento del fattore Q o del fattore di qualità, quindi la larghezza di banda del filtro del circuito sintonizzato viene ridotta. Man mano che le perdite diminuiscono, il circuito sintonizzato diventa più nitido mentre l’energia viene immagazzinata meglio nel circuito.
  Si può vedere che all’aumentare della Q, la larghezza di banda di 3 dB diminuisce e la risposta complessiva del circuito sintonizzato aumenta. In molti casi è necessario un elevato fattore Q per garantire il raggiungimento del grado di selettività richiesto.
• Larghezza di banda larga: in molte applicazioni RF è richiesto un funzionamento a larghezza di banda larga. Alcune forme di modulazione richiedono un’ampia larghezza di banda e altre applicazioni richiedono filtri fissi per fornire una copertura a banda larga. Mentre può essere richiesto un elevato rifiuto di segnali indesiderati, esiste un requisito concorrente per ampie larghezze di banda. Di conseguenza, in molte applicazioni, il livello di Q richiesto deve essere determinato per fornire le prestazioni complessive necessarie per soddisfare i requisiti di ampia larghezza di banda e un adeguato rifiuto di segnali indesiderati.
• Rumore di fase dell’oscillatore: qualsiasi oscillatore genera ciò che è noto come rumore di fase. Questo comprende spostamenti casuali nella fase del segnale. Questo si manifesta come rumore che si diffonde dal vettore principale. Come ci si potrebbe aspettare, questo rumore non è voluto e quindi deve essere ridotto al minimo. Il design dell’oscillatore può essere adattato per ridurlo in diversi modi, il principale è aumentando il Q, fattore di qualità del circuito sintonizzato dell’oscillatore.
• Segnali spuri generali: circuiti sintonizzati e filtri sono spesso utilizzati per rimuovere i segnali spuri. Più nitido è il filtro e più alto è il livello di Q, migliore sarà il circuito in grado di rimuovere i segnali spuri.
• Squillo: quando il Q di un circuito risonante aumenta, le perdite diminuiscono. Ciò significa che qualsiasi oscillazione impostata all’interno del circuito richiederà più tempo per estinguersi. In altre parole il circuito tenderà a” suonare ” di più. Questo è in realtà ideale per l’uso all’interno di un circuito oscillatore perché è più facile da impostare e mantenere un’oscillazione come meno energia viene persa nel circuito sintonizzato.

Formule del fattore Q

La formula di base del fattore Q o di qualità si basa sulle perdite di energia all’interno dell’induttore, del circuito o di altre forme di componente.

Dalla definizione di fattore di qualità di cui sopra, il fattore Q può essere matematicamente espresso nella formula del fattore Q di seguito:

Quando si guarda la larghezza di banda di RF circuito risonante questo si traduce per il fattore Q formula:

all’Interno di qualsiasi RF o altro circuito, ogni singolo componente può contribuire a Q o fattore di merito del circuito della rete nel suo insieme. La Q dei componenti come induttori e condensatori è spesso citata come avente un certo fattore Q o fattore di qualità.

Fattore di qualità e smorzamento

Un aspetto del fattore Q che è importante in molti circuiti è lo smorzamento. Il Fattore di qualità, Q determina il comportamento qualitativo dei semplici oscillatori smorzati e influenza altri circuiti come la risposta all’interno dei filtri, ecc.

Ci sono tre regimi principali che possono essere considerati quando si fa riferimento allo smorzamento e al fattore Q.

• Sotto-smorzato (Q > 1/2) : Un sistema sotto-smorzato è quello in cui il fattore Q è maggiore della metà. Quei sistemi in cui il fattore Q è solo poco più della metà possono oscillare una o due volte quando viene applicato un impulso a gradino prima che l’oscillazione cada. Con l’aumentare del fattore di qualità, le cadute di smorzamento e le oscillazioni saranno sostenute più a lungo. In un sistema teorico in cui il fattore Q è infinito, l’oscillazione sarebbe mantenuta indefinitamente senza la necessità di aggiungere ulteriori stimoli. Negli oscillatori qualche segnale viene alimentato indietro per fornire uno stimolo aggiuntivo, ma un alto fattore Q normalmente produce un risultato molto più pulito. Livelli più bassi di rumore di fase sono presenti sul segnale.
• Sovra-smorzato (Q < 1/2): Un sistema sovra-smorzato ha un fattore Q inferiore a 1/2. In questo tipo di sistema, le perdite sono elevate e il sistema non ha overshoot. Invece il sistema decadrà esponenziale, avvicinandosi al valore dello stato stazionario in modo asintotico dopo l’applicazione di un impulso di passo. Come il fattore Q o fattore di qualità è ridotto, così i sistemi risponde più lentamente ad un impulso di passo.
• Smorzato criticamente (Q = 1/2) : Il sistema smorzato criticamente ha un fattore Q di 0,5 e, come un sistema sovra-smorzato, l’uscita non oscilla e non supera la sua uscita allo stato stazionario. Il sistema si avvicinerà all’asintoto allo stato stazionario nel tempo più veloce senza alcun superamento.

In molti sistemi risonanti RF, sono necessari alti livelli di fattore Q. Per i filtri è necessaria una sufficiente selettività, ma non troppo, e per gli oscillatori alti livelli di Q determinano una migliore stabilità e un minore rumore di fase. In molti sistemi il fattore Q non dovrebbe essere troppo alto in quanto potrebbe comportare larghezze di banda del filtro troppo strette e oscillatori non essere in grado di monitorare oltre la gamma richiesta. Tuttavia i livelli di fattore Q devono tendono ad essere alti piuttosto che bassi.

Più concetti di elettronica di base:
Tensione Corrente Potenza Resistenza Capacità Induttanza Trasformatori Decibel, dB Leggi di Kirchoff Q, fattore di qualità Rumore RF
Torna al menu Concetti di elettronica di base . . .