LC šķēršļa tīkls (arī pazīstams kā LC filtra vai LC tīkla) tiek definēts kā elektriskais tīkls, kas sastāv no pasīvajiem tīkla elementiem - induktors (L) un kapacitors (C), kas savienoti kopā. Tas tiek arī saukts par rezonanses tīklu, rezervoāra tīklu vai stūrētu tīklu.
Tā kā ideālā tīkla formā nav pretestības elements, LC tīkls neiztērē enerģiju. Tas atšķiras no ideālajām formām RC tīkliem, RL tīkliem vai RLC tīkliem, kas iztērē enerģiju, jo satur pretestības elementu.
Tomēr praktiskajā tīklā LC tīkls vienmēr iztērē dažādu enerģiju, jo komponentu un savienojumu vadiem ir nulles pretestība.
Lādējums plūst uz un atpakaļ starp kondensatora platēm un caur induktoru. Enerģija oscilē starp kondensatoru un induktoru, līdz komponentu un savienojumu vadi iekšējais upurus pārtrauc šos oscilācijus.
Šīs shēmas darbība ir līdzīga saskaņotai darbībai, matemātiski pazīstama kā harmonisks oscilators, kas ir līdzīgs pendulam, kas svārstās uz un atpakaļ, vai ūdens, kas plūst uz un atpakaļ rezervuārā; tādēļ šo shēmu sauc par saskaņoto shēmu vai rezervuāra shēmu.
Šī shēma var darboties kā elektroenerģijas rezonators un glabā enerģiju, oscilējot ar frekvenci, ko sauc par rezonančfrekvenci.
Sērijas LC shēmā induktors un kondensors ir savienoti sērijā, kā tas ir redzams attēlā.
Kopš sērijā strāva ir vienāda visā shēmā, tad strāvas plūsma ir vienāda caur gan induktoru, gan kondensoru.
Tagad kopējā sprieguma vērtība uz kontaktiem ir vienāda ar kondensatora un induktora sprieguma summu.
Kad frekvence palielinās, induktīvā reakse lielums arī palielinās
un kapacitīvā reakse lielums samazinās.
Tagad, rezonančos stāvoklī induktīvās reakts un kapacitīvās reakts lielumi kļūst vienādi.
Tagad impedance seriālajam LC kontūrai ir dota ar
Tagad, rezonančos stāvoklī induktīvās reakts un kapacitīvās reakts lielumi kļūst vienādi.
Kur,
ir rezonācijas leņķiskā frekvence (radiāni sekundē).
Tagad leņķiskā rezonācijas frekvence ir
, tad impedansa kļūst par
Tātad, režīmā rezonāncijas, kad
kopējā elektriskā impedansa Z būs nulle, t.i., XL un XC kompensē viena otru. Tādējādi, strāva, kas piegādāta sērijveida LC shēmai, būs maksimāla (
).
Tādējādi, sērijveidīgā LC shēma, kad tā savienota sērijā ar slodzi, darbosies kā frekvenču filtrs ar daļēju pāreju, kurai ir nulles impedansa rezonācijas frekvencē.
Frekvencē zem rezonanšu frekvences, t.i.,
,
. Tādēļ šķira ir kapacitīva.
Frekvencē virs rezonanšu frekvences, t.i.,
,
. Tādēļ šķira ir induktīva.
Rezonanšu frekvencē, t.i.,
,
. Strāva ir maksimāla, un impedancija ir minimāla. Šajā stāvoklī šķira var darboties kā akceptors.
Paralēlajā LC šķirā induktors un kondensators abi ir savienoti paralēli, kā tas ir attēlots zīmējumā.
Sprieguma spriegums uz katru paralēlās shēmas elementa terminālu ir vienāds. Tāpēc spriegums uz termināliem ir vienāds ar induktora un kondensatora spriegumu.
Tagad kopējais strāva, kas plūst caur paralēlo LC shēmu, ir vienāda ar induktora un kondensatora strāvas summu.
Rezonanses stāvoklī, kad induktīvā reakts (
) ir vienāds ar kapacitīvā reakts (
), reaktīvā šūnu strāva ir vienāda un pretēja. Tāpēc tās iznīcinās viena otru, sniedzot minimālo strāvu shēmā. Šajā stāvoklī kopējā impedansa ir maksimāla.
Rezonansekas frekvence ir dota ar
Tagad paralēlā LC šķēršļa impedanci var izteikt kā
Tagad angulārā rezonančfrekvence ir
, tad impedancija kļūst
Tādējādi rezonanču stāvoklī, kad
kopējā elektriskā impēdance Z būs bezgalīga un strāva, ko piegādā paralēlajam LC tīkla, ir minimāla (
).
Tātad, ja paralēlais LC tīkls tiek savienots sērijā ar slodzes elementu, tas darbosies kā daļfrekvences filtrs, kam ir bezgalīga impēdance rezonanču frekvencē. Ja paralēlais LC tīkls tiek savienots paralēli ar slodzes elementu, tas darbosies kā daļfrekvences pārnestes filtrs.
Frekvencē zemāk nekā rezonanču frekvence, t.i., f<f0, XL >> XC. Tātad šķira ir induktīva.
Frekvencē augstāk nekā rezonanču frekvence, t.i., f>f0, XC >> XL. Tātad šķira ir kapacitīva.
Rezonanču frekvencē, t.i., f = f0, XL = XC, strāva ir minimāla, bet impēdance ir maksimāla. Šajā stāvoklī šķira var darboties kā atcelšanas šķira.
Sākotnējā stāvoklī:
Oscilācijas laikā:
LC shēma var darboties kā elektroresonators, un enerģija tiek glabāta starp elektrisku lauku un magnetisko lauku rezonančajā frekvencē. Jo īpaši, kad jebkurš oscilatorisks sistēmas sasniedz pastāvīgu stāvokli pēc noteikta laika, kas pazīstams kā iestatīšanas laiks.
Laiks, kas nepieciešams atbildes samazināšanai un pastāvīgā vērtībā noturības sasniegšanai, un saglabāšanai to robežās ±2% no galīgās vērtības, sauc par iestatīšanas laiku.
Piemēram,
ir šķidrā strāva, kas plūst caur shēmu. Induktora sprieguma nomākums tiek izteikts ar strāvas palīdzību
, un kondensatora sprieguma nomākums ir
, kur Q ir lādiņš, kas uzkrājies pozitīvajā kondensatora platā.
Tagad, saskaņā ar Kirhofa sprieguma likumu, potenciāla kritums dažādos slēgta cirkvita komponentos ir vienāds ar nulli.
Dalot šo vienādojumu ar L un diferencējot to attiecībā pret t, mēs iegūstam
Tagad strāva vienkāršās harmoniskās svārstības formā ir dota ar:
Kur
un
ir konstantes.
Ievietojot vienādojuma (5) vērtību (4) iegūstam,
Tātad, no šīs vienādojuma mēs varam secināt, ka LC shēma ir oscilējoša shēma un tā oscilē ar frekvenci, ko sauc par rezonanču frekvenci.
Tagad, saskaņā ar vienādojumu (3), inducētais spriegums pār induktoru ir pretējs spriegumam pār kondensatoru.
Ievietojot strāvas vienādojumu no vienādojuma (5), iegūstam
Citiem vārdiem sakot, spriegums sasniedz maksimumu tad, kad strāva sasniedz nulli, un otrādi. Sprieguma svārstību amplitūda ir strāvas svārstību amplitūda, reizināta ar
.
Pārneses funkcija pārneses funkcija no ieejas sprieguma līdz kondensatora spriegumam ir
Līdzīgi, pārnesuma funkcija no ieejas sprieguma uz induktora spriegumu ir
Pieņemsim, ka kondensators sākotnēji ir pilnībā izlādēts un slīdnis (K) ir atvērts ļoti ilgu laiku un tiek aizvērts laikā t=0.
Laikā t=0– slīdnis K ir atvērts
Tādēļ, ka tā ir sākuma stāvoklis, mēs varam rakstīt,
Tā kā caur induktoru esošais strāvas un kondensatora uz spriegums nevar mainīties noliktavā.
Visiem t>=0+ iekšējais slieksnis K ir aizvērts
Tagad šķīrņā tiek ieviesta sprieguma avota. Tādējādi, piemērojot Kirhoffs II likumu šim šķīrņam, mēs iegūstam,
Šeit kondensatora uz spriegums ir izteikts ar strāvas palīdzību.
Šis vienādojums tiek saukts par integrāl-diferenciālo vienādojumu. Atvasinot abas puses no šī vienādojuma attiecībā pret t, mēs iegūstam,
Vienādojums (7) norāda otrās kārtas diferenciālvienādojumu LC shēmai.
Aizvietojot
ar s2, iegūstam,
Tagad šī vienādojuma saknes ir
Šeit,
ir dabiskā svārstību frekvence.
Izmantojot impedancijas metodi: vispārīgā vienādojuma frekvenču atbildes sistēmai ir
Pieņemsim, ka izvades spriegums notiek pāri kondensatora termināļiem, piemērojam potenciālā dalītāja likumu uzrādītajam shēmai
Kur,
kondensatora impedancija ![]()
induktora impedancija ![]()
Ievietojot to (9) vienādojumā, iegūstam
Pieņemsim, ka izvades spriegums notiek uz induktora, piemērojot potenciāla dalītāja likumu šai shēmai
Aizstājot
un
vērtības iepriekšējā vienādojumā, iegūstam
Vienādojumi (10) un (12) parāda L-C tīkla frekvences atbildes kompleksu formu.
Šis vienādojums tiek saukts par integrālo-diferenciālvienādojumu. Šeit kondensatora uzspiestais spriegums ir izteikts ar strāvas palīdzību.
Tagad, diferencējot šo vienādojumu abas puses attiecībā pret t, mēs iegūstam,
Šis vienādojums norāda otro kārtas diferenciālvienādojumu LC shēmai.
Aizvietojot
ar s2, iegūstam,
Tagad,
tātad,
, ievietojot to virsā minētajā vienādojumā, iegūstam,
LC kontakta induktors un kondensators abi ir enerģijas krātveida elementi, t.i., induktors krāj enerģiju savā magnētiskajā laukā (B), atkarībā no caur to protokāja stāvokļa, un kondensators krāj enerģiju savā elektriskajā laukā (E) starp tā kontaktplāksņiem, atkarībā no tā uzspiestā sprieguma.
Piedodiet, ka sākotnēji kondensatorā atrodas lādiņš q, un tādējādi visai sistēmai sākotnēji enerģija tiek glabāta kondensatora elektriskajā laukā. Kondensatorā glabātā enerģija ir
Ja induktors tiek savienots ar uzlādētu kondensatoru, tad spriegums uz kondensatora izraisīs strāvas plūsmu caur induktoru, kas radīs magnētisku lauku ap induktoru, kondensators sāk atlādēties un spriegums uz kondensatora samazinās līdz nullei, kad uzlāde tiek izmantota strāvas plūsmā (
).
Tagad kondensators ir pilnībā atlādēts un visu enerģiju saglabā induktora magnētiskajā laukā. Šajā momentā strāva ir maksimālā vērtībā un enerģija, kas saglabāta induktorā, ir aprēķināma pēc (
.
Tā kā rezistora nav, enerģija šajā shēmā netiek izlaista. Tāpēc maksimālā enerģija, kas saglabāta kondensatorā, ir vienāda ar maksimālo enerģiju, kas saglabāta induktorā.
Šajā momentā enerģija, kas saglabāta induktora magnētiskajā laukā, izraisa spriegumu induktora spindelē saskaņā ar Fārādeja elektromagnētiskās indukcijas likumu (
). Šis izraisītais spriegums izraisa strāvas plūsmu caur kondensatoru, un kondensators sāk atkal uzlādēties ar pretējo polāritāti.
Uzlādēšanas un atlādēšanas process sāksies vēlreiz, tikai tagad strāva plūsma caur induktoru notiks pretējā virzienā salīdzinājumā ar iepriekšējo gadījumu.
Tādējādi LC ķēdes uzlādēšana un izlādēšana var notikt cikliskā veidā, un enerģija svārstās starp kondensatoru un induktīviti, līdz iekšējā pretestība iznīcina svārstības.
Attēlā parādīta uzlādēšanas un izlādēšanas sprieguma un strāvas viļņu forma.
LC ķēžu lietojumi ietver:
LC ķēžu lietojumi galvenokārt saistīti ar daudziem elektroniskiem ierīcēm, jo īpaši radioiekārtām, piemēram, raidītājiem, radioņēmējiem, TV ņēmējiem, stiprinātājiem, oscilatoriem, filtriem, tuvinātājiem un frekvenču jaukšanas ierīcēm.
LC ķēzes tiek izmantotas arī signālu ražošanai noteiktā frekvencē vai signāla pieņemšanai no sarežģītāka signāla noteiktā frekvencē.
LC ķēzes galvenais mērķis parasti ir svārstīties ar minimālu slāpēšanu, tāpēc pretestība tiek padarīta pēc iespējas zemāka.
Sērijveida rezonanses ķēde nodrošina sprieguma palielināšanu.
Paralēlā rezonanses ķēde nodrošina strāvas palielināšanu.
Slāpēšana ir svārstību vai vilnisformas amplitūdas samazināšanās laika gaitā. Rezonanse ir amplitūdas palielināšanās, kad samazinās slāpēšana.
Declarācija: Cēnīsim origiālo, labas raksti vērts dalīties, ja ir autortiesību pārkāpums, lūdzu, sazinieties, lai to dzēst.