Een LC-circuit (ook bekend als een LC-filter of LC-netwerk) wordt gedefinieerd als een elektrisch circuit dat bestaat uit de passieve schakelelementen een spoel (L) en een condensator (C) die met elkaar verbonden zijn. Het wordt ook wel een resonantiecircuit, tankcircuit of gestemd circuit genoemd.
Vanwege het ontbreken van een weerstand in de ideale vorm van het circuit, verbruikt een LC-circuit geen energie. Dit is anders dan de ideale vormen van RC-circuits, RL-circuits, of RLC-circuits, die energie verbruiken vanwege de aanwezigheid van een weerstand.
Dat gezegd hebbende, zal een LC-circuit in een praktische situatie altijd enige energie verbruiken vanwege de niet-nulde weerstand van de componenten en de verbindingsdraden.
De lading stroomt heen en weer tussen de platen van de condensator en door de spoel. De energie oscilleert tussen de condensator en de spoel totdat de interne weerstand van de componenten en verbindingsdraden ervoor zorgt dat de oscillaties wegsterven.
Het gedrag van deze schakeling is vergelijkbaar met een afgestemd gedrag, wiskundig bekend als een harmonische oscillator, wat vergelijkbaar is met een slinger die heen en weer zwaait of water dat heen en weer stroomt in een tank; daarom wordt de schakeling afgestemde schakeling of tank-schakeling genoemd.
De schakeling kan fungeren als een elektrische resonator en energie opslaan die oscilleert op de frequentie die de resonantiefrequentie wordt genoemd.
In de serie LC-schakeling zijn de spoel en de condensator in serie verbonden, zoals te zien is in de afbeelding.
Aangezien de stroom in een serie-schakeling overal in de schakeling hetzelfde is, is de stroomstroom gelijk aan de stroom door zowel de spoel als de condensator.
Nu is de totale spanning over de aansluitingen gelijk aan de som van de spanning over de condensator en de spanning over de spoel.
Wanneer de frequentie toeneemt, neemt ook de grootte van de inductieve reactantie toe.
en de grootte van de capacitieve reactantie afneemt.
Bij een resonantieconditie worden de grootte van zowel de inductieve reactantie als de capacitaire reactantie gelijk.
De impedantie van het serie LC-schakeling wordt gegeven door
Bij een resonantieconditie worden de grootte van zowel de inductieve reactantie als de capacitaire reactantie gelijk.
Waarbij
de resonante hoekfrequentie is (radialen per seconde).
De resonante hoekfrequentie is nu
, dan wordt de impedantie
Dus bij resonantie wanneer
de totale elektrische impedantie Z nul is, wat betekent dat XL en XC elkaar opheffen. Daarom is de stroom die aan een in serie geschakelde LC-kring wordt geleverd maximaal (
).
Daarom zal de in serie geschakelde LC-kring, wanneer deze in serie met de belasting is aangesloten, fungeren als een banddoorlaatfilter met nul impedantie bij de resonantiefrequentie.
Bij een frequentie onder de resonantiefrequentie, d.w.z.
,
. Daarom is het circuit capaciteit.
Bij een frequentie boven de resonantiefrequentie, d.w.z.
,
. Daarom is het circuit inductief.
Bij de resonantiefrequentie, d.w.z.
,
. De stroom is maximaal en de impedantie is minimaal. In deze staat kan het circuit als een acceptorcircuits fungeren.
In het parallelle LC-circuit zijn de spoel en de condensator parallel verbonden, zoals te zien is in de afbeelding.
De spanning over elk terminal van verschillende elementen in een parallel circuit is hetzelfde. Daarom is de spanning over de terminals gelijk aan de spanning over de spoel en de spanning over de condensator.
De totale stroom die door het parallelle LC-circuit stroomt, is gelijk aan de som van de stroom die door de spoel stroomt en de stroom die door de condensator stroomt.
Bij resonantie, wanneer de inductieve reactantie (
) gelijk is aan de capacitive reactantie (
), is de reactieve takstroom gelijk en tegengesteld. Daarom annuleren ze elkaar en geeft dit de minimale stroom in het circuit. In deze toestand is de totale impedantie maximaal.
De resonerende frequentie wordt gegeven door
De impedantie van het parallelle LC-circuit wordt gegeven door
De hoekfrequentie bij resonantie is
, dan wordt de impedantie
Dus bij resonante omstandigheden, wanneer
, is de totale elektrische impedantie Z oneindig en is de stroom die aan een parallelle LC-schakeling wordt geleverd minimaal (
).
Daarom zal de parallelle LC-schakeling, wanneer in serie met de belasting verbonden, als een bandstopfilter fungeren met oneindige impedantie op de resonerende frequentie. De parallelle LC-schakeling, wanneer parallel met de belasting verbonden, zal als een banddoorlaatfilter fungeren.
Bij frequenties onder de resonerende frequentie, d.w.z. f<f0, is XL >> XC. Daarom is de schakeling inductief.
Bij frequenties boven de resonerende frequentie, d.w.z. f>f0, is XC >> XL. Daarom is de schakeling capacitief.
Bij de resonerende frequentie, d.w.z. f = f0, is XL = XC, de stroom is minimaal en de impedantie is maximaal. In deze toestand kan de schakeling als een rejectorfunctie werken.
Bij de initiële toestand:
Tijdens de oscillatie:
De LC-schakeling kan fungeren als een elektrische resonator en energie opslaan die tussen het elektrisch veld en het magnetisch veld oscilleert op de frequentie die bekend staat als de resonerende frequentie. Aangezien elk oscillatoir systeem op een bepaald moment in een stabiele toestand komt, bekend als de instelingsperiode.
De tijd die nodig is om de respons te laten afnemen en stabiel te worden op zijn stabiele waarde en daaropvolgend binnen +- 2% van zijn eindwaarde te blijven, wordt de instelingsperiode genoemd.
Stel dat
de instantane stroom is die door de schakeling stroomt. Het spanningverschil over de spoel wordt uitgedrukt in termen van stroom
en het spanningverschil over de condensator is
, waarbij Q de lading is die op de positieve plaat van de condensator is opgeslagen.
Volgens de wet van Kirchhoff is de som van de potentiaalval over de verschillende componenten van een gesloten lus gelijk aan nul.
Als we de bovenstaande vergelijking delen door L en differentiëren naar t, krijgen we:
De stroom in eenvoudige harmonische trillingen wordt gegeven door:
Waar
en
constanten zijn.
Als we de waarde van vergelijking (5) in (4) invullen, krijgen we,
Uit de bovenstaande vergelijking kunnen we dus zeggen dat het LC-circuit een oscillerend circuit is en trilt met een frequentie die resonantiefrequentie wordt genoemd.
Volgens vergelijking (3) is de geïnduceerde spanning over een spoel gelijk aan de negatieve spanning over de condensator.
Voer de stroomvergelijking uit vergelijking (5) in, dan krijgen we
Met andere woorden, de spanning bereikt het maximum wanneer de stroom nul is en vice versa. De amplitude van de spanningsoscillatie is die van de stroomoscillatie vermenigvuldigd met
.
De overdrachtsfunctie van de ingangsspanning naar de spanning over de condensator is
Op dezelfde manier is de overdrachtsfunctie van de ingangsspanning naar de spanning over de spoel
Laten we aannemen dat de condensator in eerste instantie volledig ontladen is en de schakelaar (K) voor een zeer lange tijd open is gehouden en op t=0 wordt gesloten.
Op t=0– is schakelaar K open
Dit is een beginconditie, dus kunnen we schrijven,
Omdat de stroom door de spoel en de spanning over de condensator niet onmiddellijk kunnen veranderen.
Voor alle t>=0+ is schakelaar K gesloten
Nu wordt de spanningsbron in het circuit geïntroduceerd. Door toepassing van KVL op het circuit krijgen we,
Hier wordt de spanning over de condensator uitgedrukt in termen van stroom.
De bovenstaande vergelijking wordt de integro-differentiaalvergelijking genoemd. Door beide zijden van de bovenstaande vergelijking te differentiëren met betrekking tot t, krijgen we,
Vergelijking (7) geeft een differentiaalvergelijking van de tweede orde van een LC-schakeling aan.
Vervang
door s2, dan krijgen we,
De wortels van de bovenstaande vergelijking zijn
Hierbij is
de natuurlijke frequentie van oscillatie.
Met behulp van de impedantiemethode: De algemene vergelijking voor het frequentieresponsysteem is
Stel dat de uitgangsspanning optreedt over de condensatorterminals, pas de potentiële delerregel toe op het bovenstaande circuit
Waarbij,
impedantie van de condensator ![]()
impedantie van de spoel ![]()
Vervang het in vergelijking (9), dan krijgen we
Stel dat de uitgangsspanning over de spoel optreedt, pas de potentiële delerregel toe op het bovenstaande circuit
Vervang de waarde van
en
in de bovenstaande vergelijking, dan krijgen we
De vergelijkingen (10) en (12) geven de frequentie-respons van een L-C-schakeling in complexe vorm aan.
De bovenstaande vergelijking wordt de integro-differentiaalvergelijking genoemd. Hier wordt de spanning over de condensator uitgedrukt in termen van stroom.
Nu, door de bovenstaande vergelijking aan beide kanten te differentiëren met betrekking tot t, krijgen we,
De bovenstaande vergelijking geeft de tweede-orde differentiaalvergelijking van het LC-circuit aan.
Vervang
door s2, dan krijgen we,
Nu,
dus,
, plaats dit in de bovenstaande vergelijking, dan krijgen we,
In een LC-schakeling zijn zowel de spoel als de condensator opslag-elementen, d.w.z. de spoel stort energie in zijn magnetisch veld (B), afhankelijk van de stroom erdoor, en de condensator stort energie in het elektrisch veld (E) tussen zijn geleidende platen, afhankelijk van de spanning erover.
Stel dat de condensator aanvankelijk een lading q bevat, en dat alle energie van de schakeling aanvankelijk is opgeslagen in het elektrische veld van de condensator. De in de condensator opgeslagen energie is
Als nu een spoel wordt aangesloten op een geladen condensator, zal de spanning over de condensator stroom door de spoel laten vloeien, wat een magnetisch veld rond de spoel genereert. De condensator begint te ontladen en de spanning over de condensator daalt tot nul naarmate de lading wordt gebruikt door de stroom (
).
Nu is de condensator volledig ontladen en is alle energie opgeslagen in het magnetisch veld van de spoel. Op dit moment is de stroom op zijn maximumwaarde en is de opgeslagen energie in de spoel gegeven door (
.
Door het ontbreken van een weerstand wordt er geen energie afgeleid in het circuit. Daarom is de maximale opgeslagen energie in de condensator gelijk aan de maximale opgeslagen energie in de spoel.
Op dit moment induceert de opgeslagen energie in het magnetisch veld rond de spoel een spanning over de spoel volgens de wet van Faraday van elektromagnetische inductie (
). Deze geïnduceerde spanning veroorzaakt een stroom door de condensator en de condensator begint opnieuw te laden met een spanning van tegengestelde polariteit.
Dit proces van laden en ontladen zal opnieuw beginnen, met de stroom die in de tegengestelde richting door de spoel stroomt zoals eerder.
Zodoende kan het opladen en ontladen van het LC-circuit cyclisch zijn en de energie heen en weer oscilleren tussen de condensator en de spoel totdat de interne weerstand ervoor zorgt dat de oscillaties uitdoven.
De figuur toont de spanning- en stroomvormen tijdens het opladen en ontladen.
De toepassingen van LC-schakelingen omvatten:
De toepassingen van een LC-schakeling betreffen vooral veel elektronische apparaten, met name radiotoestellen zoals zenders, radio-ontvangers en TV-ontvangers, versterkers, oscillators, filters, tuners en frequentiemixers.
LC-schakelingen worden ook gebruikt voor het produceren van signalen op een bepaalde frequentie of het accepteren van een signaal uit een complexer signaal op een bepaalde frequentie.
Het hoofddoel van een LC-schakeling is meestal om met minimale demping te oscilleren, dus de weerstand wordt zo laag mogelijk gemaakt.
Een serie-resonantiecircuit biedt spanning versterking.
Een parallel-resonantiecircuit biedt stroom versterking.
Damping is de afname van de amplitude van een oscillatie of golfbeweging in de loop van de tijd. Resonantie is de toename van de amplitude als de damping afneemt.
Verklaring: Eerbiedig het origineel, goede artikelen zijn de delen waard, bij inbreuk neem contact op om te verwijderen.