LC devresi (ayrıca LC filtresi veya LC ağı olarak da bilinir) bir elektrik devresi olarak tanımlanır ve bu devre, pasif devre elemanlarından oluşan bir indüktör (L) ve bir kondansatör (C) ile birlikte bağlantılıdır. Ayrıca rezonans devresi, tank devresi veya ayarlı devre olarak da adlandırılır.
Devrenin ideal formunda bir direnç bulunmadığı için, bir LC devresi enerji tüketmez. Bu, RC devreleri, RL devreleri veya RLC devreleri gibi ideal formların direnç nedeniyle enerji tükettiği gibi değildir.
Bununla birlikte, pratik bir devrede, LC devresi bileşenlerin ve bağlantı kablolarının sıfır olmayan direnci nedeniyle her zaman bir miktar enerji tüketecektir.
Bu devrenin hareketi, matematiksel olarak bir harmonik osilatör olarak bilinen, bir sarkaçın geriye dönüp dolaşmasına veya bir tankta suyun geriye dönüp dolaşmasına benzer bir ayarlanmış harekete benzer; bu nedenle, devre ayarlı devre veya tank devre olarak adlandırılır.
Devre, elektriksel rezonatör olarak çalışabilir ve frekans olarak bilinen frekansla salınan enerjiyi depolayabilir.
Seri LC devresinde, indüktör ve kapasitör seri olarak bağlanmıştır, bu şekil gösterildiği gibidir.
Bir seri devrede akım her yerde aynı olduğundan, akım hem indüktörden hem de kapasitörden geçen akıma eşittir.
Şimdi, uçlar arasındaki toplam gerilim, kondansatördeki gerilim ve bobindeki gerilimin toplamına eşittir.
Frekans arttığında, indüktif reaktansın büyüklüğü de artar.
ve kapasitif reaktansın büyüklüğü azalır.
Şimdi rezonans koşulunda indüktif reaktans ve kapasitif reaktansın büyüklüğü eşit olur.
Şimdi bir impedans serili LC devresi şu şekilde verilir
Şimdi rezonans koşulunda indüktif reaktans ve kapasitif reaktansın büyüklüğü eşit olur.
Burada,
rezonans açısal frekansıdır (saniye başına radian).
Şimdi açısal rezonans frekansı
olduğunda, impedans şu hale gelir
Böylece rezonans koşulu altında
toplam elektriksel impedans Z sıfır olacak, yani XL ve XC birbirini ortadan kaldırır. Bu nedenle, seri LC devresine sağlanan akım maksimum olur (
).
Bu nedenle, yük ile seri bağlı olan seri LC devresi, rezonans frekansında sıfır impedansa sahip bir band-pasaj filtre olarak davranır.
Titreşen frekansın altında yani
olduğu durumda,
. Bu nedenle devre kapasitif olur.
Titreşen frekansın üstünde yani
olduğu durumda,
. Bu nedenle devre endüktif olur.
Titreşen frekansın üzerinde yani
olduğu durumda,
. Akım maksimum ve impedans minimum seviyededir. Bu durumda, devre bir kabul devresi olarak çalışabilir.
Paralel LC devresinde, bobin ve kondansatör paralel olarak bağlanmıştır, bu durum şekilde gösterilmiştir.
Paralel devrede farklı elemanların her bir terminalindeki gerilim aynıdır. Bu nedenle, terminaller arasındaki gerilim bobin ve kondansatör üzerindeki gerilime eşittir.
Şimdi paralel LC devresi boyunca akan toplam akım, bobinden geçen akım ile kondansatörden geçen akımın toplamına eşittir.
Rezonans koşulu altında, endüktif reaktans (
) kapasitif reaktansa (
) eşit olduğunda, reaktif dal akımları eşit ve zıt yönlüdür. Bu nedenle, birbirini sıfırlar ve devrede minimum akım oluşur. Bu durumda toplam impedans maksimumdur.
Rezonans frekansı şu şekilde verilir
Şimdi paralel LC devresinin impedansı şu şekilde verilir
Şimdi açısal rezonans frekansı
olduğunda, impedans şu hale gelir
Bu nedenle rezonans koşulunda,
toplam elektriksel impedans Z sonsuz olacak ve paralel LC devresine sağlanan akım minimum olacaktır (
).
Bu nedenle, paralel LC devresi, yük ile seri bağlandığında rezonans frekansında sonsuz impedansa sahip bir bant durdurucu filtre olarak davranır. Paralel LC devresi, yük ile paralel bağlandığında ise bant geçiren filtre olarak davranır.
Rezonans frekansından düşük frekanslarda yani f<f0, XL >> XC. Bu nedenle devre endüktif olur.
Rezonans frekansından yüksek frekanslarda yani f>f0, XC >> XL. Bu nedenle devre kapasitif olur.
Rezonans frekansında yani f = f0, XL = XC, akım minimum ve impedans maksimum olur. Bu durumda, devre bir reddetici devre olarak çalışabilir.
Başlangıç koşulunda:
Titreşim sırasında:
LC devresi bir elektriksel rezonatör olarak çalışabilir ve enerji, elektrik alan ile manyetik alan arasında rezonans frekansı adı verilen bir frekansla salınırlar. Herhangi bir salınımsal sistem, bilinen ayarlama süresi olarak adlandırılan bir zaman sonra durağan hale gelir.
Durağan değerinde sabit kalacak şekilde yanıtlamanın azalması ve bu değere ulaşması için gereken süre, son değerinin %+-2'si içinde kalmaya başladığı zamana kadar olan süreye ayarlama süresi denir.
Devre boyunca akan anlık akım
şeklinde ifade edilir ve kondansatördeki gerilim düşümü
şeklindedir, burada Q kondansatörün pozitif plakasında depolanan yükü temsil eder.
Şimdi, Kirchhoff gerilim yasasına göre, kapalı bir döngünün çeşitli bileşenlerindeki potansiyel düşüşlerin toplamı sıfıra eşittir.
Yukarıdaki denklemi L'ye bölüp t'ye göre türettiğimizde şunu elde ederiz:
Şimdi basit bir harmonik salınım formundaki akım şu şekilde verilir:
Nerede
ve
sabitlerdir.
Denklem (5) değerini (4) içine koyduğumuzda elde ederiz,
Bu denklemle, LC devresinin bir titreşim devresi olduğunu ve rezonans frekansı adı verilen bir frekansta titreştiğini söyleyebiliriz.
Şimdi, (3) numaralı denklemine göre, bir endüktördeki indüklenmiş gerilim kapasitör üzerindeki gerilimin eksi değeridir.
Denklem (5) den akım denklemini koyduğumuzda şunu elde ederiz
Başka bir deyişle akım sıfıra ulaştığında gerilim maksimuma ulaşır ve tersi durum da geçerlidir. Gerilim salınımlarının genliği akım salınımlarının genliğinin
ile çarpılmış halidir.
Giriş geriliminden kondansatörün üzerinden geçen gerilime kadar olan transfer fonksiyonu şu şekildedir
Benzer şekilde, giriş geriliminden bobin gerilimine olan aktarım fonksiyonu
Kondansatörün başlangıçta tamamen boşaltıldığını ve anahtarı (K) çok uzun bir süre açık tutulduğunu ve t=0 anında kapandığını varsayalım.
t=0'da - anahtar K açıktır
Bu bir başlangıç koşulu olduğundan şu şekilde yazabiliriz,
Çünkü indüktörün üzerinden geçen akım ve kondansatörün uçlarındaki gerilim anında değişemez.
t>=0+ için anahtar K kapalıdır
Şimdi devreye gerilim kaynağı eklenmiştir. Bu nedenle devreye KVL uygulayarak şunu elde ederiz,
Burada kondansatörün uçlarındaki gerilim akım cinsinden ifade edilmiştir.
Yukarıdaki denklem integro-diferansiyel denklem olarak adlandırılır. Yukarıdaki denklemin her iki tarafını t'ye göre türev alarak şunu elde ederiz,
Denklem (7) bir LC devresinin ikinci derece diferansiyel denklemini gösterir.
ifadesini s2 ile değiştirerek,
Şimdi yukarıdaki denklemin kökleri şöyledir
Burada
doğal titreşim frekansıdır.
Impedans yöntemi kullanarak: Frekans yanıt sistemi için genel denklem
Kapasitör uçları arasında çıkış geriliminin oluştuğunu varsayalım ve potansiyel bölücü kuralını yukarıdaki devreye uygulayalım
Burada,
Kondansatörün empedansı ![]()
Bobinin empedansı ![]()
Denklem (9)'a yerleştirirsek, elde ederiz
Çıkış voltajının bobin üzerinden oluştuğunu varsayalım, potansiyel bölücü kuralını yukarıdaki devreye uygulayın
Yukarıdaki denklemde
ve
değerlerini yerleştirerek, şunu elde ederiz
Denklem (10) ve (12), bir L-C devresinin frekans tepkisini karmaşık formda gösterir.
Yukarıdaki denklem integro-diferansiyel denklem olarak adlandırılır. Burada kondansatörün gerilimi akım cinsinden ifade edilmiştir.
Şimdi, yukarıdaki denklemi t'ye göre her iki tarafından türetelim,
Yukarıdaki denklem LC devresinin ikinci derece diferansiyel denklemini gösterir.
ifadesini s2 ile değiştirirsek, elde ederiz,
Şimdi,
bu nedenle,
, bu değeri yukarıdaki denklemde yerine koyarsak, elde ederiz,
Bir LC devresinde indüktör ve kondansatör her ikisi de enerji depolama elemanlarıdır, yani indüktör, aracılığıyla geçen akım bağlı olarak enerjiyi manyetik alanda (B) depolar, ve kondansatör, üzerindeki gerilime bağlı olarak enerjiyi iki iletken plakası arasındaki elektrik alanda (E) depolar.
İlk başta, kondansatörün q yükü içerdiğini varsayalım, bu durumda devrenin tüm enerjisi ilk olarak kondansatörün elektrik alanında depolanır. Kondansatörde depolanan enerji
Şimdi, bir bobin bir şarjlı kondansatöre bağlanırsa, kondansatördeki gerilim, bobinde akımın akmasına neden olur. Bu, bobin etrafında bir manyetik alan oluşturur. Kondansatör deşarj başlar ve kondansatördeki gerilim, akım akışıyla yük tükendiği için sıfıra düşer (
).
Şimdi kondansatör tamamen deşarj edilmiş ve tüm enerji bobinin manyetik alanında saklanmıştır. Bu an itibariyle, akım en yüksek değerindedir ve bobinde saklanan enerji şu şekilde verilir (
.
Direnç olmaması nedeniyle devrede herhangi bir enerji dağılmaz. Bu nedenle, kondansatörde saklanan maksimum enerji, bobinde saklanan maksimum enerjiye eşittir.
Bu an itibariyle, bobin etrafındaki manyetik alandaki depolanan enerji, Faraday elektromanyetik endüksiyon yasası'na göre bobin ucunda bir gerilim induks eder (
). Bu indüklenmiş gerilim, kondansatör üzerinden akım akışına neden olur ve kondansatör ters yönlü bir gerilim ile yeniden şarj başlar.
Bu şarj ve deşarj süreci, önceki gibi bobin üzerinden karşı yönde akım akışı ile tekrar başlayacaktır.
Bu şekilde, LC devresinin şarj ve deşarjı döngüsel bir biçimde olabilir ve kondansatör ile bobin arasında enerji iç direnç titreşimleri sona erdirmeye kadar gidip gelir.
Şekil, şarj ve deşarj gerilim ve akım dalga formunu göstermektedir.
LC devrelerinin uygulamaları şunları içerir:
LC devrelerinin uygulamaları birçok elektronik cihazda, özellikle transmisyon, radyo alıcıları, TV alıcıları, amplifikatörler, osilatörler, filtreler, tüneler ve frekans karıştırıcılar gibi radyo ekipmanlarında kullanılır.
LC devreleri ayrıca belirli bir frekansla sinyal üretme veya daha karmaşık bir sinyelden belirli bir frekansla sinyal alma amacıyla da kullanılır.
Bir LC devrenin temel amacı genellikle en düşük zayıflama ile titreşmesidir, bu nedenle direnç mümkün olduğunca düşük tutulur.
Seri rezonans devresi gerilim büyüklendirme sağlar.
Paralel rezonans devresi akım büyüklendirme sağlar.
Zayıflama, bir titreşim veya dalga hareketinin zaman içinde amplitudunun azalmasıdır. Rezonans, zayıflamanın azaldıkça amplitudun artmasıdır.
Açıklama: Orijinali saygılıyın, paylaşmaya değer iyi makaleler, telif hakkı ihlali varsa lütfen silme talebinde bulunun.