Rangkaian LC (juga dikenal sebagai filter LC atau jaringan LC) didefinisikan sebagai rangkaian listrik yang terdiri dari elemen-elemen pasif rangkaian yaitu induktor (L) dan kapasitor (C) yang dihubungkan bersama. Rangkaian ini juga disebut rangkaian resonansi, rangkaian tangki, atau rangkaian yang ditunai.
Karena tidak adanya resistor dalam bentuk ideal rangkaian, rangkaian LC tidak mengonsumsi energi. Ini berbeda dengan bentuk ideal dari rangkaian RC, rangkaian RL, atau rangkaian RLC, yang mengonsumsi energi karena adanya resistor.
Namun, dalam rangkaian praktis, rangkaian LC akan selalu mengonsumsi beberapa energi karena adanya hambatan yang tidak nol dari komponen-komponen dan kabel penghubungnya.
Tindakan rangkaian ini seperti tindakan yang disetel, dikenal secara matematis sebagai osilator harmonis, yang mirip dengan ayunan berayun bolak-balik atau air mengalir bolak-balik dalam tangki; karena alasan ini, rangkaian ini disebut rangkaian yang disetel atau rangkaian tangki.
Rangkaian ini dapat berfungsi sebagai resonator listrik dan menyimpan energi yang berosilasi pada frekuensi yang disebut frekuensi resonansi.
Dalam rangkaian LC seri, induktor dan kapasitor keduanya dihubungkan secara seri seperti yang ditunjukkan dalam gambar.
Karena dalam rangkaian seri arus adalah sama di seluruh rangkaian, maka aliran arus sama dengan arus melalui induktor dan kapasitor.
Sekarang tegangan total di antara terminal-terminal sama dengan jumlah tegangan di kapasitor dan tegangan di induktor.
Ketika frekuensi meningkat, magnitudo reaktansi induktif juga meningkat
dan magnitudo reaktansi kapasitif menurun.
Sekarang pada kondisi resonansi, magnitudo reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif menjadi sama.
Sekarang impedansi rangkaian LC seri diberikan oleh
Sekarang pada kondisi resonansi, magnitudo reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif menjadi sama.
Di mana,
adalah frekuensi sudut resonan (radian per detik).
Sekarang frekuensi sudut resonan adalah
, maka impedansi menjadi
Oleh karena itu, pada kondisi resonan ketika
impedansi listrik total Z akan nol yang berarti XL dan XC saling menghapus. Oleh karena itu, arus yang disuplai ke rangkaian LC seri mencapai maksimum (
).
Oleh karena itu, rangkaian LC seri, ketika dihubungkan secara seri dengan beban, akan berfungsi sebagai band-pass filter dengan impedansi nol pada frekuensi resonan.
Pada frekuensi di bawah frekuensi resonan yaitu
,
. Oleh karena itu, rangkaian bersifat kapasitif.
Pada frekuensi di atas frekuensi resonan yaitu
,
. Oleh karena itu, rangkaian bersifat induktif.
Pada frekuensi resonan yaitu
,
. Arus mencapai maksimum dan impedansi minimum. Dalam keadaan ini, rangkaian dapat berfungsi sebagai rangkaian penerima.
Dalam rangkaian LC paralel, induktor dan kapasitor keduanya dihubungkan secara paralel seperti yang ditunjukkan dalam gambar.
Tegangan di setiap terminal elemen yang berbeda dalam rangkaian paralel adalah sama. Oleh karena itu, tegangan di antara terminal-terminal tersebut sama dengan tegangan di induktor dan tegangan di kapasitor.
Sekarang arus total yang mengalir melalui rangkaian LC paralel sama dengan jumlah arus yang mengalir melalui induktor dan arus yang mengalir melalui kapasitor.
Pada kondisi resonansi ketika reaktansi induktif (
) sama dengan reaktansi kapasitif (
), arus cabang reaktif adalah sama dan berlawanan. Oleh karena itu, mereka saling menghilangkan untuk memberikan arus minimum dalam rangkaian. Dalam keadaan ini, impedansi total mencapai maksimum.
Frekuensi resonansi diberikan oleh
Sekarang Impedansi rangkaian LC paralel diberikan oleh
Frekuensi resonan sudut sekarang adalah
, maka impedansi menjadi
Jadi pada kondisi resonansi ketika
impedansi listrik total Z akan menjadi tak terhingga dan arus yang disuplai ke rangkaian LC paralel adalah minimum (
).
Oleh karena itu, rangkaian LC paralel, ketika dihubungkan secara seri dengan beban akan berfungsi sebagai filter band-stop dengan impedansi tak terhingga pada frekuensi resonansi. Rangkaian LC paralel yang dihubungkan secara paralel dengan beban akan berfungsi sebagai filter band-pass.
Pada frekuensi di bawah frekuensi resonansi yaitu f<f0, XL >> XC. Oleh karena itu, rangkaian bersifat induktif.
Pada frekuensi di atas frekuensi resonansi yaitu f>f0, XC >> XL. Oleh karena itu, rangkaian bersifat kapasitif.
Pada frekuensi resonansi yaitu f = f0, XL = XC, arus adalah minimum dan impedansi adalah maksimum. Dalam keadaan ini, rangkaian dapat berfungsi sebagai rangkaian penolak.
Pada kondisi awal:
Pada osilasi:
Rangkaian LC dapat berfungsi sebagai resonator listrik dan menyimpan energi yang bergetar antara medan listrik dan medan magnet pada frekuensi yang disebut frekuensi resonansi. Karena setiap sistem osilasi mencapai kondisi steady-state pada suatu waktu, yang dikenal sebagai waktu penyetelan.
Waktu yang diperlukan untuk respons menurun dan menjadi stabil pada nilai steady-statenya dan tetap di dalam rentang +- 2% dari nilai akhirnya disebut waktu penyetelan.
Anggap
adalah arus instan yang mengalir melalui rangkaian. Beda potensial di seberang induktor dinyatakan dalam istilah arus
dan beda potensial di seberang kapasitor adalah
, di mana Q adalah muatan yang tersimpan pada plat positif kapasitor.
Sekarang, menurut hukum tegangan Kirchhoff, jumlah penurunan potensial di berbagai komponen dalam loop tertutup sama dengan nol.
Dengan membagi persamaan di atas oleh L dan mendiferensiasikannya terhadap t, kita mendapatkan
Sekarang arus dalam osilasi harmonik sederhana diberikan oleh:
Di mana
dan
adalah konstanta.
Masukkan nilai dari persamaan (5) ke dalam (4) kita dapatkan,
Dengan demikian dari persamaan di atas, kita dapat mengatakan bahwa rangkaian LC adalah rangkaian osilasi dan berosilasi pada frekuensi yang disebut frekuensi resonansi.
Sekarang menurut persamaan (3), tegangan yang diinduksi pada induktor adalah minus tegangan pada kapasitor.
Masukkan persamaan arus dari persamaan (5), kita dapat
Dengan kata lain, tegangan mencapai maksimum ketika arus mencapai nol dan sebaliknya. Amplitudo osilasi tegangan adalah osilasi arus dikalikan dengan
.
Fungsi transfer dari tegangan input ke tegangan pada kapasitor adalah
Dengan cara yang sama fungsi transfer dari tegangan input ke tegangan di seberang induktor adalah
Misalkan kapasitor pada awalnya sepenuhnya terisi dan saklar (K) dibuka untuk waktu yang sangat lama dan ditutup pada t=0.
Pada t=0– saklar K terbuka
Ini adalah kondisi awal sehingga kita dapat menulis,
Karena arus melalui induktor dan tegangan di seberang kapasitor tidak dapat berubah secara instan.
Untuk semua t>=0+ saklar K ditutup
Sekarang sumber tegangan diperkenalkan ke dalam rangkaian. Oleh karena itu menerapkan HUKUM KIRCHHOFF ARUS (KVL) ke rangkaian, kita mendapatkan,
Di sini tegangan di seberang kapasitor dinyatakan dalam istilah arus.
Persamaan di atas disebut persamaan integro-diferensial. Dengan mendiferensialkan kedua sisi dari persamaan di atas terhadap t, kita mendapatkan,
Persamaan (7) menunjukkan persamaan diferensial orde kedua dari rangkaian LC.
Gantikan
dengan s2, kita peroleh,
Sekarang akar-akar dari persamaan di atas adalah
Di sini
adalah frekuensi alami osilasi.
Menggunakan metode Impedansi: Persamaan umum untuk sistem tanggapan frekuensi adalah
Anggaplah bahwa tegangan keluaran terjadi di antara terminal kapasitor, terapkan aturan pembagi potensial pada rangkaian di atas
Di mana,
Impedansi kapasitor ![]()
Impedansi induktor ![]()
Substitusikan ke dalam persamaan (9), kita dapatkan
Anggap bahwa tegangan output terjadi di seberang induktor, terapkan aturan pembagi potensial pada rangkaian di atas
Substitusikan nilai
dan
dalam persamaan di atas, kita dapat
Persamaan (10) dan (12) menunjukkan respons frekuensi dari rangkaian L-C dalam bentuk kompleks.
Persamaan di atas disebut persamaan integro-diferensial. Di sini tegangan pada kapasitor dinyatakan dalam istilah arus.
Sekarang, dengan mendiferensialkan persamaan di atas terhadap t, kita mendapatkan,
Persamaan di atas menunjukkan persamaan diferensial orde kedua dari rangkaian LC.
Gantikan
dengan s2, kita mendapatkan,
Sekarang,
oleh karena itu,
, masukkan ke dalam persamaan di atas kita mendapatkan,
Dalam rangkaian LC, induktor dan kapasitor keduanya merupakan elemen penyimpan energi, yaitu induktor menyimpan energi dalam medan magnet (B), tergantung pada arus yang melewatinya, dan kapasitor menyimpan energi dalam medan listrik (E) antara plat konduktifnya, tergantung pada tegangan yang ada di antaranya.
Anggaplah bahwa awalnya, kapasitor mengandung muatan q, dan kemudian semua energi sirkuit disimpan awalnya dalam medan listrik kapasitor. Energi yang disimpan dalam kapasitor adalah
Sekarang jika sebuah induktor dihubungkan ke kapasitor yang terisi, tegangan pada kapasitor akan menyebabkan arus mengalir melalui induktor, yang menghasilkan medan magnet di sekitar induktor, kapasitor mulai mengosongkan dan tegangan pada kapasitor berkurang menjadi nol saat muatan digunakan oleh aliran arus (
).
Sekarang kapasitor telah sepenuhnya kosong dan semua energi disimpan dalam medan magnet induktor. Pada saat ini, arus mencapai nilai maksimumnya dan energi yang disimpan dalam induktor diberikan oleh (
.
Karena tidak adanya resistor, tidak ada energi yang hilang dalam sirkuit. Dengan demikian, energi maksimum yang disimpan dalam kapasitor sama dengan energi maksimum yang disimpan dalam induktor.
Pada saat ini, energi yang tersimpan dalam medan magnet di sekitar induktor menginduksi tegangan pada kumparan sesuai dengan hukum faraday tentang induksi elektromagnetik (
). Tegangan yang diinduksi ini menyebabkan arus mengalir melalui kapasitor dan kapasitor mulai mengisi ulang dengan tegangan polaritas yang berlawanan.
Proses pengisian dan pengosongan ini akan dimulai lagi, dengan arus mengalir dalam arah yang berlawanan melalui induktor seperti sebelumnya.
Dengan demikian, pengisian dan pengosongan rangkaian LC dapat terjadi secara siklik dan energi berayun bolak-balik antara kapasitor dan induktor hingga tahanan internal membuat getaran tersebut hilang.
Gambar menunjukkan gelombang tegangan dan arus saat pengisian dan pengosongan.
Aplikasi rangkaian LC mencakup:
Aplikasi rangkaian LC terutama melibatkan banyak perangkat elektronik, khususnya peralatan radio seperti pemancar, penerima radio, dan penerima TV, amplifier, osilator, filter, tuner, dan mixer frekuensi.
Rangkaian LC juga digunakan untuk menghasilkan sinyal pada frekuensi tertentu atau menerima sinyal dari sinyal yang lebih kompleks pada frekuensi tertentu.
Tujuan utama rangkaian LC biasanya adalah untuk bergetar dengan redaman minimum, sehingga tahanan dibuat sekecil mungkin.
Rangkaian resonansi seri menyediakan perbesaran tegangan.
Rangkaian resonansi paralel menyediakan perbesaran arus.
Redaman adalah penurunan amplitudo dari getaran atau gerakan gelombang seiring waktu. Resonansi adalah peningkatan amplitudo seiring dengan berkurangnya redaman.
Pernyataan: Hormati aslinya, artikel bagus layak dibagikan, jika ada pelanggaran hak cipta silakan hubungi untuk dihapus.