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LC电路类型详解:串联与并联结构及其应用领域

2024-04-28 17:25 6,126

LC电路即谐振电路、槽路或调谐电路,是由一个电感(L)和一个电容(C)元件连接组成的电路。这类电路具有独特的性质,能够在特定频率下达到谐振,此时电路表现为纯电阻性,并且对于该频率的信号表现出最大的响应。在谐振条件下,电感和电容之间的能量可以相互转换,而没有能量损失(理想情况下)到外部电路。

LC 电路既用于生成特定频率的信号,又用于将特定频率的信号与更复杂的信号分离。它们是许多电子设备的关键组件,例如振荡器、滤波器、调谐器和混频器电路。

电感电路是一个理想化模型,因为它假设电阻没有能量耗散。任何 LC 电路的实际实现都会因组件和连接线的电阻较小但非零而产生损耗。 LC电路的目的通常是以最小阻尼振荡,因此电阻的阻值应尽可能小。尽管实践中不存在无损电路,但研究这种理想电路对于理解和物理直觉都是有益的。对于带有电阻器的电路模型,请参阅 RLC 电路。

最基本的无源线性元件是电阻器(R)、电容器(C)和电感元件(L)。这些元件可用于形成 4 种不同的电路:RC 电路、RL 电路、LC 电路和 RLC 电路,这些名称源自每种电路中使用的元件的缩写。它们体现了一些对模拟电子学很重要的特性。 LC电路起到无源滤波器的作用。 

RLC电路是由电阻R、电感L、电容C等电子元件组成的电路结构。RLC电路一般有串联式和并联式两种结构。它可用于简谐振动、带通滤波器或带阻滤波器。

RC电路由电阻和电容组成。按其排列方式可分为RC串联电路和RC并联电路;纯RC并联电路不能谐振,因为电阻不储存能量,LC并联电路可以谐振。 RC电路广泛应用于模拟电路和脉冲数字电路中。如果电路中串联一个RC并联电路,就会衰减低频信号,如果并联起来,就会衰减高频信号,即滤波。

了解有关RC电路的更多信息。

RL电路是电阻电感电路的缩写,也称为RL滤波器或RL网络。它是最简单的无限脉冲响应滤波器。它由电阻和电感元件串联或并联组成,由电压源驱动。

 

共振频率

在含有电容和电感的电路中,如果电容 和电感并联,在很短的时间内可能会出现这样的情况:电容的电压逐渐增大,而电流逐渐减小;电感电流逐渐减小。随着电压升高,电感两端的电压逐渐降低。而在另一个小时间段内:电容器的电压逐渐减小,电流逐渐增大;电感的电流逐渐减小,电感的电压逐渐增大。电压的增加可以达到正的最大值,电压的减少也可以达到负的最大值。同样,在这个过程中电流的方向也会发生正负方向的变化,称为电路的电振荡。当电路外部输入电压的正弦频率达到一定频率(即电路的谐振频率)时,谐振电路的感抗等于容抗,Z=R,谐振电路是对外界的纯电阻,即共振。当发生谐振时,谐振电路将输入放大 Q 倍,其中 Q 是品质因数。

对于由电感L和电容C组成的谐振电路,电路阻抗Z等于R+i(ωL-1/ωC),其中R为电阻,ωL为电感的感抗,1/ ωC是电容器的容抗。假设品质因数Q为28,则对于电感L和电容C并联的谐振电路,电流增加了28倍。对于电感L和电容C串联的谐振电路,电压增加了28倍。无线电设备经常使用谐振电路进行调谐、滤波等。

电路的谐振频率也称为电路的固有频率。由于谐振时电路的感抗与容抗相等,即ωL=1/ωC,所以谐振角频率ω0=1/√LC。由于ω0=2Πf0,所以谐振频率f0=1/2Π√LC,仅由电路本身的固有参数L和C决定。 Q≈1/R √(L/C)

LC电路的类型

LC电路根据电感和电容的连接方式可分为并联LC电路和串联LC电路。

1.串联LC电路

我们先来看看串联LC电路。电感和电容串联,如下图所示。 

电容器和电感器两端的电压之和是开路端子两端的总电压之和 V = VL + VC。 LC 电路和 Ve 端子中的电流等于流过电感器 (L) 和电容器 (C) 的电流 I = IL = IC。

电感器的感抗与频率成正比,电容器的容抗与频率成反比。因此,当频率f增大时,电感器的感抗XL增大,但电容器的容抗XC减小。

当频率f达到一定值时,LC串联电路的感抗和容抗相等,LC串联电路发生谐振。

然后我们回到LC串联电路的阻抗Z。

当电路工作在谐振频率f0时,根据上述f0的公式,可得Z=0。也就是说,在串联LC电路中,感抗和容抗相互抵消,对外界呈现短路特性,电路中的电流最大。因此,串联 LC 电路与负载串联时将充当谐振频率下阻抗为零的带通滤波器。

当频率低于谐振频率f0时,XC远大于XL,电路呈容性;当工作频率高于谐振频率f0时,XL远大于XC,电路呈感性。当工作频率等于谐振频率f0时,电流最大,电路中只有电阻在工作。

2.并联LC电路

让我们看看LC电路的另一种形式——并联LC电路。在该电路中,电感器和电容器如图所示并联。

并联谐振电路的电感器和电容器两端的电压相同V = VL = VC。流经并联 LC 电路的总电流等于流经电感器和电容器的电流之和 I = IL + IC。在谐振条件下,当感抗(XL)等于容抗(XC)时,无功支路电流大小相等且方向相反。因此,它们相互抵消,使电路中的电流最小化,并且在这种状态下,总阻抗最大化。并联LC电路的谐振频率如下:

我们再看一下谐振时的电路阻抗 Z。

将谐振频率f0代入上述阻抗公式,可得阻抗无穷大,电路处于开路状态。因此,当并联LC电路与负载串联时,它将充当在谐振频率处具有无限阻抗的带阻滤波器。与负载并联的并联 LC 电路将充当带通滤波器。

当频率低于谐振频率f0时,XL远大于XC,电路呈感性;当工作频率高于谐振频率f0时,XC远大于XL,电路呈电容性。当工作频率等于谐振频率f0时,电流最小,阻抗最大。

LC 电路应用

下面道合顺将简要介绍LC电路在以下电子项目中的应用。

LC电路在电子技术中的应用非常广泛。由于其对频率的选择性,常被用作发射和接收设备中高频和中频放大器的负载; LC电路是振荡器的重要组成部分。它在电子电路中用作吸收电路,滤除干扰信号等,这里举一些例子。

1、信号选择

无线电输入环路

AM收音机的输入环路如下图所示。电路中,L1为无线电输入环路的接收天线,L2和C为LC电路组成射频选择电路,L3将选定的无线电信号发送至无线电接收电路。

无线电天线接收空中不同电台的电磁波,并调整C,使L2和C在所需电台的载波频率上谐振。此时流过L2的电流最大,选择无线电信号。调整C,使L2和C在不同电台的载频上谐振,从而可以接收到不同电台的节目。

2. 信号过滤

电视机中的中频抑制电路

电视经高频调谐器混频后输出38MHz的中频信号。如果进入电视的外部信号中有38MHz信号,就会对电视的中频信号造成严重干扰,所以必须对外部38MHz信号进行滤波如图所示,串联LC电路与输入并联电视端,LC电路谐振频率为38MHz。根据串联谐振的特性,对38MHz信号呈现出很小的电阻,相当于将38MHz信号对地短路,防止外部其他电视机等中频信号进入电视机,对电视产生干扰。保证本机中频放大器的工作,同时防止本机的中频信号通过天线辐射出去,干扰其他机器的工作。由于LC环路对电视信号呈现高阻抗,因此不会影响电视的正常工作。

3. 元件测量

Q表示意图

Q计是用来测量品质因数、电感、电容等参数的仪器,它利用谐振电路的特性进行工作,其原理如下图所示。

信号源采用可变频率和输出电压的高频信号发生器。测量时,改变频率,同时保持电源的输出电压恒定。

测量电感线圈Lx的Q值,将Lx与标准电容Cb串联,然后连接到高频信号发生器的输出端,调节Cb的电容值或高频信号发生器的频率,使使电路达到谐振,此时Cb两端电压达到最大值,等于Q倍电源电压。标准电容器Cb两端可并联电压表或Q表,读出Q值。一般Q表的输出频率和标准电容器Cb的电容值都标在刻度上。

利用串联LC电路,根据已知的谐振频率f0和标准电容Cb,即可得到被测线圈的电感Lx。

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