Die Magie der LC-Schaltungen enthüllen: Ein Leitfaden für Anfänger

Was sind LC-Schaltkreise?

• Induktoren (L): Drahtspulen, die Änderungen des durch sie fließenden Stroms widerstehen, werden als Induktoren bezeichnet. Sie speichern Energie, wenn Elektrizität in Form eines Magnetfelds durch sie fließt.
• Kondensatoren (C): Kondensatoren speichern elektrische Energie, indem sie ein elektrostatisches Feld erzeugen. Sie bestehen aus zwei leitenden Platten, die durch ein Dielektrikum oder eine isolierende Substanz getrennt sind.

Wer hat Schaltkreise erfunden?

• Georg Ohm (1789–1854): Der deutsche Physiker Georg Ohm entwickelte das Ohmsche Gesetz, einen Eckpfeiler der Schaltkreisanalyse. Diese Gleichung bildet eine grundlegende Basis zum Verständnis des Verhaltens von Schaltkreisen, indem sie Spannung, Strom und Widerstand in einem Schaltkreis in Beziehung setzt.
• Heinrich Hertz (1857–1894): Der deutsche Physiker Heinrich Hertz ist dafür bekannt, dass er die Existenz elektromagnetischer Wellen bewiesen hat, die James Clerk Maxwell vorhergesagt hatte. Die Erfindung von Radioschaltkreisen und der Funkkommunikation wurde durch seine Experimente ermöglicht.
• Guglielmo Marconi (1874–1937): Guglielmo Marconi, ein italienischer Erfinder, der von 1874 bis 1937 lebte, gilt aufgrund seiner bahnbrechenden Arbeit auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation als „Vater des Radios“. Er entwickelte die ersten funktionsfähigen Funkübertragungs- und -empfangssysteme, die in großem Umfang LC-Schaltkreise zum Filtern und Abstimmen verwendeten.

Arten von LC-Schaltkreisen

• Serien-LC-Schaltkreis: Dies ist die einfachste Anordnung, bei der der gleiche Strom durch den Kondensator (C) und die Induktivität (L) fließt, wenn sie in Reihe geschaltet sind. In dieser Art von Schaltkreis tritt Resonanz auf und die Resonanzfrequenz wird durch die Werte von L und C bestimmt.
• Parallele LC-Schaltung: In dieser Konfiguration wird die gleiche Spannung über die Induktivität und den Kondensator angelegt, die parallel geschaltet sind. Resonanz ist auch in parallelen LC-Schaltungen vorhanden, obwohl die Berechnung der Resonanzfrequenz ein wenig anders ist als bei der Serienschaltung.

• Schwingkreise: Wie bereits erwähnt, bestehen Schwingkreise aus linearen Schaltungen mit hohem Qualitätsfaktor (hoher Q) und bemerkenswerter Frequenzselektivität. Um ihren Q-Faktor zu maximieren, verwenden sie normalerweise ein serielles oder paralleles Design mit zusätzlichen Teilen wie Widerständen. Hochfrequenzanwendungen (RF) wie die folgenden verwenden häufig Schwingkreise:
  • Radiosender und -empfänger verwenden Filter, um bestimmte Frequenzbereiche auszuwählen.
  • Sender verwenden Oszillatoren, um genaue Trägerfrequenzen bereitzustellen.
• Quarzoszillatoren: Diese kombinieren einen LC-Schaltkreis mit einem piezoelektrischen Kristallelement. Die Eigenresonanzfrequenz des Kristalls beeinflusst die Schwingungsfrequenz des gesamten Schaltkreises und sorgt für eine äußerst genaue und stabile Signalerzeugung. Kristalloszillatoren sind für die folgenden Anwendungen unverzichtbar:
  • Mikrocontroller und Computer verwenden beide Taktschaltungen.
  • Erzeugung von Referenzfrequenzen in einer Reihe von elektronischen Geräten.
• Gekoppelte LC-Schaltkreise: Diese bestehen aus einem oder mehreren magnetisch oder elektrisch gekoppelten LC-Schaltkreisen. Die Energieübertragung zwischen den Schaltkreisen wird durch die Kopplung ermöglicht, wodurch Funktionen wie diese möglich werden:
  • Bandpassfilter mit größerer Bandbreite als einzelne LC-Schaltkreise.
  • Transformatoren zur Impedanzanpassung zwischen Schaltkreisen mit unterschiedlichen Frequenzen.

Wofür werden LC-Schaltkreise verwendet?

• Funkkommunikation: Oszillatoren, Filter und Radiotuner verwenden alle LC-Schaltkreise als wesentliche Bauteile. Sie helfen dabei, unerwünschte Signale abzulehnen (Filterung) und die erforderliche Funkfrequenz auszuwählen (Abstimmung).
• Drahtlose Energieübertragung: Um eine effektive Energieübertragung zwischen den Sender- und Empfängerspulen in drahtlosen Ladesystemen sicherzustellen, sind LC-Schaltkreise unerlässlich.
• Signalfilterung: LC-Schaltkreise können als Bandpass-, Hochpass- oder Tiefpassfilter gebaut werden, die bestimmte Frequenzbereiche dämpfen und nur einen Teil des Signals durchlassen. Dies ist für die Signalverarbeitung und Rauschunterdrückung in einer Vielzahl von elektrischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung.
• Oszillatoren: Um Wechselstromsignale (AC) mit einer bestimmten Frequenz zu erzeugen, verwenden Oszillatoren LC-Schaltkreise. Uhren, Zeitgeber und andere Kommunikationssysteme sind alle auf diese Oszillatoren angewiesen.
• Impedanzanpassung: Für die bestmögliche Leistungsübertragung können LC-Schaltungen verwendet werden, um die Impedanz einer Quelle (wie z. B. eines Verstärkers) an die Impedanz einer Last (wie z. B. eines Lautsprechers) anzupassen.

Video zu LC-Schaltungen

Wie funktioniert ein LC-Schaltkreis?

1. Aufladen des Kondensators: Der Kondensator beginnt, Energie zu speichern, wenn eine Spannung an den LC-Schaltkreis angelegt wird. Wenn Strom durch den Schaltkreis fließt, wird ein elektrisches Feld erzeugt und die Kondensatorplatten werden aufgeladen. Die Spannung über dem Kondensator steigt beim Aufladen, während der Strom allmählich abfällt.
2. Energieübertragung auf die Induktivität: Der Stromfluss endet, wenn der Kondensator seine volle Ladung erreicht hat. Durch den abrupten Stromstopp bricht jedoch ein elektrisches Feld zusammen und infolgedessen wird durch das Faradaysche Induktionsgesetz eine Spannung über der Induktivität induziert. Der Strom wird durch diese induzierte Spannung gezwungen, in die entgegengesetzte Richtung zu fließen, was der Stromänderung entgegenwirkt. Das Magnetfeld der Induktivität erhält nun die Energie, die zuvor im Kondensator gespeichert war.
3. Entladen des Kondensators: Solange der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt, entlädt sich der Kondensator und das Magnetfeld der Induktivität wird stärker. Der Strom erreicht seinen Maximalwert, wenn sich der Kondensator entlädt und die Spannung über ihm abfällt.
4. Energieübertragung zurück zum Kondensator: Der Strom beginnt zu sinken, sobald der Kondensator vollständig entladen ist und seine gesamte Energie im Magnetfeld der Induktivität gefangen ist. Als Folge dieser Stromabnahme wird über der Induktivität erneut eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität induziert. Durch diese erzeugte Spannung wird der Strom gezwungen, in die Laderichtung des Kondensators zurückzukehren. Das elektrische Feld des Kondensators erhält nun die Energie, die zuvor in der Induktivität gespeichert war.

Wo werden LC-Schaltkreise verwendet?

• Filter: LC-Schaltkreise dienen in einer Vielzahl von elektrischen Schaltkreisen als Bandpassfilter. Sie dämpfen (schwächen) oder blockieren unerwünschte Frequenzen außerhalb dieses Bandes und lassen nur einen bestimmten Frequenzbereich durch. Um eine saubere Signalübertragung zu gewährleisten, ist diese Filterung entscheidend, um Rauschen und Störungen zu eliminieren.
• Drahtlose Kommunikationssysteme: Bluetooth und Wi-Fi sind zwei Beispiele für drahtlose Kommunikationssysteme, die LC-Schaltungen verwenden. Sie helfen bei der Auswahl und Filterung der genauen Frequenzen, die zur Datenübertragung verwendet werden.
• Stromversorgungen: LC-Schaltkreise können in einigen Stromversorgungen eingesetzt werden, um unerwünschtes Rauschen aus der Stromleitung herauszufiltern, was zu einer saubereren und stabileren Gleichstrom-Ausgangsspannung führt.
• Oszillatoren: Durch die Erzeugung einer längeren Schwingung zwischen Kondensator und Induktor können LC-Schaltkreise verwendet werden, um ein Signal mit einer bestimmten Frequenz zu erzeugen. Aufgrund ihrer Schwingungseigenschaften sind sie in vielen verschiedenen Anwendungen nützlich, darunter spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs), Signalgeneratoren und Taktschaltungen in Computern.
• Anpassungsnetzwerke: LC-Schaltungen können als Anpassungsnetzwerke in Hochfrequenzanwendungen (RF) eingesetzt werden. Diese Netzwerke minimieren Signalreflexionen und gewährleisten eine effektive Leistungsübertragung, indem sie die Impedanz einer Signalquelle an eine Antenne oder Übertragungsleitung anpassen.

Fazit