Q, quality Factor Tutorial innehåller:
Q, quality factor basics induktor Q RLC network Q
kvalitetsfaktorn eller ’Q’ för en induktor eller avstämd krets används ofta för att ge en indikation på dess prestanda i en resonatorkrets. Q-eller kvalitetsfaktorn är ett dimensionslöst tal och beskriver dämpningen i kretsen. Det ger också en indikation på resonatorns bandbredd i förhållande till dess mittfrekvens.
värden för kvalitetsfaktor ses ofta citerade och kan användas för att definiera prestanda för en induktor, en kondensator eller avstämd krets.
Q-eller kvalitetsfaktorn används med många RF-inställda kretsar eller element för att indikera deras prestanda i en oscillator eller annan form av resonanskrets.
enkla formler relaterar förlusterna och bandbredden till Q.
Q, quality factor basics
begreppet Q, Quality Factor förutsågs först av en ingenjör som heter ks Johnson från Engineering Department of Western Electric Company i USA. Han utvärderade prestanda och kvalitet hos olika spolar. Under sina undersökningar utvecklade han begreppet Q. Intressant nog gjordes hans val av bokstaven Q eftersom alla andra bokstäver i alfabetet togs och inte på grund av termen kvalitetsfaktor, även om valet av bokstaven Q för kvalitetsfaktor med efterhand inte kunde ha varit bättre.
kvalitetsfaktor är ett koncept som är tillämpligt inom många områden inom fysik och teknik. Den betecknas med bokstaven Q och kan kallas Q-faktorn.
Q-faktorn är en dimensionslös parameter som indikerar energiförlusterna inom ett resonanselement som kan vara allt från en mekanisk pendel, ett element i en mekanisk struktur eller inom elektronisk krets såsom en resonanskrets.
medan Q-faktorn för ett element hänför sig till förlusterna, kopplas detta direkt till bandbredden hos en resonator med avseende på dess mittfrekvens.
Q indikerar energiförlust i förhållande till den mängd energi som lagras i systemet. Ju högre Q desto lägre är energiförlusten och därmed kommer oscillationerna att minska långsammare, dvs de kommer att ha en låg dämpningsnivå och de kommer att ringa längre.
för elektroniska kretsar orsakas energiförluster i kretsen av motstånd. Även om detta kan inträffa var som helst inom kretsen, förekommer den främsta orsaken till motstånd inom induktorn.
Kvalitetsfaktordefinition
definitionen av kvalitetsfaktor behövs ofta för att ge en mer exakt förståelse för vad denna kvantitet faktiskt är.
för elektroniska kretsar definieras Q som förhållandet mellan den energi som lagras i resonatorn och den energi som tillförs av A till den, per cykel, för att hålla signalamplituden konstant, vid en frekvens där den lagrade energin är konstant med tiden.
det kan också definieras för en induktor som förhållandet mellan dess induktiva reaktans och dess motstånd vid en viss frekvens, och det är ett mått på dess effektivitet.
effekter av Q-faktor
vid hantering av RF-inställda kretsar finns det många anledningar till att Q-faktor är viktig. Vanligtvis är en hög nivå av Q fördelaktig, men i vissa applikationer kan en definierad nivå av Q vara vad som krävs.
några av de överväganden som är förknippade med Q i RF-inställda kretsar sammanfattas nedan:
- bandbredd: med ökande Q-faktor eller kvalitetsfaktor reduceras bandbredden för det inställda kretsfiltret. När förlusterna minskar så blir den inställda kretsen skarpare när energi lagras bättre i kretsen.
det kan ses att när Q ökar, så minskar 3 dB bandbredd och det totala svaret på den inställda kretsen ökar. I många fall behövs en hög Q-faktor för att säkerställa att den erforderliga graden av selektivitet uppnås. - bred bandbredd: i många RF-applikationer finns det ett krav på bred bandbredd. Vissa former av modulering kräver en bred bandbredd, och andra applikationer kräver fasta filter för att ge bredbandstäckning. Medan hög avstötning av oönskade signaler kan krävas, finns det ett konkurrerande krav på breda bandbredd. Följaktligen måste i många applikationer den nivå av Q som krävs bestämmas för att ge den övergripande prestanda som behövs för att uppfylla kraven för bred bandbredd och adekvat avvisning av oönskade signaler.
- Oscillatorfasbrus: varje oscillator genererar det som kallas Fasbrus. Detta innefattar slumpmässiga skift i signalens fas. Detta manifesterar sig som ljud som sprider sig från huvudbäraren. Som man kan förvänta sig är detta buller inte önskat och måste därför minimeras. Oscillatordesignen kan skräddarsys för att minska detta på ett antal sätt, den främsta är genom att öka Q, kvalitetsfaktorn för oscillatorns inställda krets.
- allmänna falska signaler: inställda kretsar och filter används ofta för att ta bort falska signaler. Ju skarpare filtret och ju högre nivå Q, desto bättre kommer kretsen att kunna ta bort de falska signalerna.
- ringer: när Q för en resonanskrets ökar så minskar förlusterna. Detta innebär att varje svängning som ställs in i kretsen tar längre tid att dö bort. Med andra ord tenderar kretsen att ”ringa” mer. Detta är faktiskt idealiskt för användning inom en oscillatorkrets eftersom det är lättare att ställa in och upprätthålla en svängning eftersom mindre energi går förlorad i den inställda kretsen.
Q-faktorformler
den grundläggande Q-eller kvalitetsfaktorformeln är baserad på energiförlusterna i induktorn, kretsen eller annan form av komponent.
från definitionen av kvalitetsfaktor som anges ovan kan Q-faktorn matematiskt uttryckas i q-faktorformeln nedan:
när man tittar på bandbredden för en RF-resonanskrets översätts detta till Q-faktorformeln:
inom någon RF eller annan krets, kan varje enskild komponent bidra till Q eller kvalitetsfaktorn för kretsnätet som helhet. Q av komponenterna såsom induktorer och kondensatorer citeras ofta som en viss Q-faktor eller kvalitetsfaktor.
kvalitetsfaktor och dämpning
en aspekt av Q-faktorn som är av betydelse i många kretsar är dämpningen. Kvalitetsfaktorn, Q bestämmer det kvalitativa beteendet hos enkla dämpade oscillatorer och påverkar andra kretsar såsom svaret inom filter etc.
det finns tre huvudregimer som kan beaktas när man hänvisar till dämpningen och Q-faktorn.
- Underdämpad (Q > 1/2) : Ett underdämpat system är ett där Q-faktorn är större än hälften. De system där Q-faktorn bara är drygt hälften kan svänga en eller två gånger när en stegimpuls appliceras innan svängningen faller bort. När kvalitetsfaktorn ökar, så dämpningen faller och svängningar kommer att upprätthållas längre. I ett teoretiskt system där Q-faktorn är oändlig, skulle oscillationen bibehållas på obestämd tid utan att behöva lägga till ytterligare stimulans. I oscillatorer matas en viss signal tillbaka för att ge ytterligare stimulans, men en hög Q-faktor ger normalt ett mycket renare resultat. Lägre nivåer av Fasbrus finns på signalen.
- Överdämpad (Q < 1/2): ett överdämpat system har en Q-faktor som är mindre än 1/2. I denna typ av system är förlusterna höga och systemet har ingen överskridning. Istället kommer systemet exponentiellt förfall, närmar sig steady state-värdet asymptotiskt efter att en stegimpuls applicerats. När Q-faktorn eller kvalitetsfaktorn reduceras, så svarar systemen långsammare på en stegimpuls.
- kritiskt dämpad (Q = 1/2): Det kritiskt dämpade systemet har en Q-faktor på 0,5 och som ett överdämpat system svänger inte utgången och överskrider inte dess steady-state-utgång. Systemet kommer att närma sig steady-state asymptote på snabbast tid utan överskridande.
i många RF-resonanssystem behövs höga nivåer av Q-faktor. För filter behövs tillräcklig selektivitet, men inte för mycket, och för oscillatorer resulterar höga nivåer av Q i förbättrad stabilitet och lägre Fasbrus. I många system bör Q-faktorn inte vara för hög eftersom det kan leda till att filterbandbredder är för smala och oscillatorer inte kan spåra över det önskade intervallet. Q-faktornivåerna måste dock vara höga snarare än låga.
mer grundläggande elektronik begrepp:
Spänningsström Effektmotstånd kapacitans induktans transformatorer Decibel, dB Kirchoff lagar Q, kvalitetsfaktor RF-brus
återgå till grundläggande elektronik begrepp meny . . .