دائرة LC

مخطط دائرة LC

دائرة LC ، وتُسمى أيضاً دائرة رنانة أو دائرة خزان أو دائرة رنانة ، هي دائرة كهربائية تتكون من ملف حثي ، يُرمز له بالحرف L، ومكثف ، يُرمز له بالحرف C، موصلين معاً. يمكن لهذه الدائرة أن تعمل كمرنان كهربائي ، وهو نظير كهربائي للشوكة الرنانة ، حيث تخزن الطاقة وتتذبذب بتردد الرنين الخاص بالدائرة .

تُستخدم دوائر LC إما لتوليد إشارات بتردد معين، أو لاستخلاص إشارة بتردد معين من إشارة أكثر تعقيدًا؛ وتُسمى هذه الوظيفة مرشح تمرير النطاق . وهي مكونات أساسية في العديد من الأجهزة الإلكترونية، وخاصة أجهزة الراديو، وتُستخدم في دوائر مثل المذبذبات والمرشحات والموالفات وخلاطات التردد .

دائرة LC هي نموذج مثالي لأنها تفترض عدم وجود فقد للطاقة بسبب المقاومة . أي تطبيق عملي لدائرة LC سيتضمن دائمًا فقدًا ناتجًا عن مقاومة صغيرة، ولكنها غير معدومة، داخل المكونات وأسلاك التوصيل. عادةً ما يكون الغرض من دائرة LC هو التذبذب بأقل قدر من التخميد ، لذا تُصنع المقاومة بأقل قدر ممكن. مع أن أي دائرة عملية لا تخلو من الفقد، إلا أنه من المفيد دراسة هذا الشكل المثالي للدائرة لاكتساب فهم أعمق وإدراك فيزيائي. للاطلاع على نموذج دائرة يتضمن مقاومة، انظر دائرة RLC .

مصطلحات

تُعدّ دائرة LC ثنائية العناصر الموصوفة أعلاه أبسط أنواع شبكات المحاثات والمكثفات (أو شبكات LC ). ويُشار إليها أيضًا بدائرة LC من الدرجة الثانية [ 1 ] [ 2 ] لتمييزها عن شبكات LC الأكثر تعقيدًا (ذات الرتب الأعلى) التي تحتوي على عدد أكبر من المحاثات والمكثفات. وقد يكون لهذه الشبكات، التي تحتوي على أكثر من مفاعلين، أكثر من تردد رنين واحد .

رتبة الشبكة هي رتبة الدالة الكسرية التي تصف الشبكة بدلالة متغير التردد المركب s . وعمومًا، تساوي الرتبة عدد عناصر L و C في الدائرة، ولا يمكن بأي حال من الأحوال أن تتجاوز هذا العدد.

عملية

رسم توضيحي متحرك يُبين آلية عمل دائرة رنانة (دائرة LC). يخزن المكثف C الطاقة في مجاله الكهربائي E ، بينما يخزن المحث L الطاقة في مجاله المغناطيسي B ( باللون الأخضر ) . يُظهر الرسم المتحرك الدائرة عند نقاط متتابعة في التذبذب. التذبذبات مُبطأة؛ في دائرة رنانة حقيقية، قد تتذبذب الشحنة ذهابًا وإيابًا آلافًا إلى مليارات المرات في الثانية.

تستطيع دائرة LC، التي تتذبذب بترددها الرنيني الطبيعي ، تخزين الطاقة الكهربائية . شاهد الرسوم المتحركة. يخزن المكثف الطاقة في المجال الكهربائي ( E ) بين لوحيه، وذلك تبعًا للجهد الكهربائي المطبق عليه، بينما يخزن المحث الطاقة في مجاله المغناطيسي ( B )، وذلك تبعًا للتيار المار فيه.

إذا وُصِلَ ملف حثي بمكثف مشحون، فإن الجهد الكهربائي عبر المكثف سيدفع تيارًا عبر الملف، مما يُولِّد مجالًا مغناطيسيًا حوله. ينخفض ​​الجهد عبر المكثف إلى الصفر مع استهلاك الشحنة بواسطة التيار. عند هذه النقطة، تُحفِّز الطاقة المُخزَّنة في المجال المغناطيسي للملف جهدًا عبره، لأن الملفات الحثية تُعاكس تغيرات التيار. يتسبب هذا الجهد المُستحث في بدء تيار لإعادة شحن المكثف بجهد ذي قطبية مُعاكسة لشحنته الأصلية. وفقًا لقانون فاراداي ، فإن القوة الدافعة الكهربائية التي تدفع التيار ناتجة عن انخفاض المجال المغناطيسي، وبالتالي تُستخلص الطاقة اللازمة لشحن المكثف من المجال المغناطيسي. عندما يتبدد المجال المغناطيسي تمامًا، يتوقف التيار وتُخزَّن الشحنة مرة أخرى في المكثف، بقطبية مُعاكسة لما كانت عليه سابقًا. ثم تبدأ الدورة من جديد، حيث يتدفق التيار في الاتجاه المُعاكس عبر الملف.

تتدفق الشحنة ذهابًا وإيابًا بين لوحي المكثف، عبر المحث. تتذبذب الطاقة بين المكثف والمحث حتى (إذا لم يتم تعويضها من دائرة خارجية) تتسبب المقاومة الداخلية في تلاشي التذبذبات. يشبه عمل الدائرة الرنانة، المعروف رياضيًا باسم المذبذب التوافقي ، حركة البندول ذهابًا وإيابًا، أو حركة الماء ذهابًا وإيابًا في خزان؛ ولهذا السبب تُسمى الدائرة أيضًا بدائرة الخزان . [ 3 ] يتم تحديد التردد الطبيعي (أي التردد الذي تتذبذب عنده الدائرة عند عزلها عن أي نظام آخر، كما هو موضح أعلاه) من خلال قيم السعة والمحث. في معظم التطبيقات، تكون الدائرة الرنانة جزءًا من دائرة أكبر تُطبق عليها تيارًا متناوبًا ، مما يؤدي إلى تذبذبات مستمرة. إذا كان تردد التيار المطبق هو تردد الرنين الطبيعي للدائرة ( التردد الطبيعيو0{\displaystyle f_{0}\,}عند تطبيق التيار المتردد، يحدث الرنين ، ويمكن لتيار صغير أن يُثير جهدًا وتيارًا متذبذبين بسعة كبيرة. في الدوائر الرنانة النموذجية في المعدات الإلكترونية، تكون التذبذبات سريعة جدًا، من آلاف إلى مليارات المرات في الثانية.

تأثير الرنين

يحدث الرنين عندما يتم تغذية دائرة LC بمصدر خارجي بتردد زاوي ω₀ تتساوى عنده المفاعلة الحثية والمفاعلة السعوية في المقدار. يُسمى التردد الذي تتحقق عنده هذه المساواة في الدائرة بتردد الرنين. تردد الرنين لدائرة LC هو

ω0=1لج،{\displaystyle \omega _{0}={\frac {1}{\sqrt {LC}}},}

حيث L هي المحاثة بوحدة هنري ، و C هي السعة بوحدة فاراد . التردد الزاوي ω₀ بوحدة راديان لكل ثانية .

التردد المكافئ بوحدة الهرتز هو

و0=ω02π=12πلج.{\displaystyle f_{0}={\frac {\omega _{0}}{2\pi }}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {LC}}}}.}

التطبيقات

دائرة ضبط خرج جهاز إرسال راديو الموجات القصيرة من عام 1938
دائرة LC (يسار) تتكون من ملف فيريت ومكثف، وتستخدم كدائرة رنين في جهاز استقبال ساعة الراديو

يُعد تأثير الرنين في دائرة LC ذا أهمية بالغة في العديد من التطبيقات المهمة في معالجة الإشارات وأنظمة الاتصالات.

  • يُعدّ ضبط أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية من أكثر التطبيقات شيوعًا لدوائر الرنين . فعلى سبيل المثال، عند ضبط جهاز راديو على محطة معينة، يتم ضبط دوائر LC على تردد الرنين الخاص بتلك المحطة .
  • توفر دائرة الرنين المتسلسلة تضخيم الجهد .
  • توفر دائرة الرنين المتوازية تضخيم التيار .
  • يمكن استخدام دائرة رنين متوازية كمقاومة حمل في دوائر خرج مضخمات الترددات الراديوية. وبسبب المقاومة العالية ، يكون كسب المضخم في أعلى مستوياته عند تردد الرنين.
  • تُستخدم كل من الدوائر الرنانة المتوازية والمتسلسلة في التسخين بالحث .

تتصرف دوائر LC كمرنانات إلكترونية ، وهي عنصر أساسي في العديد من التطبيقات:

حل الوقت

قوانين كيرشوف

بحسب قانون كيرشوف للجهد ، فإن الجهد V C عبر المكثف بالإضافة إلى الجهد V L عبر المحث يجب أن يساوي صفرًا:

Vج+Vل=0.{\displaystyle V_{C}+V_{L}=0.}

وبالمثل، وفقًا لقانون كيرشوف للتيار ، فإن التيار المار عبر المكثف يساوي التيار المار عبر المحث:

أناج=أنال.{\displaystyle I_{C}=I_{L}.}

ومن العلاقات التكوينية لعناصر الدائرة، نعلم أيضاً أن

Vل(ت)=لدأنالدت،أناج(ت)=جدVجدت.{\displaystyle {\begin{aligned}V_{L}(t)&=L{\frac {\mathrm {d} I_{L}}{\mathrm {d} t}},\\I_{C}(t)&=C{\frac {\mathrm {d} V_{C}}{\mathrm {d} t}}.\end{aligned}}}

معادلة تفاضلية

بإعادة الترتيب والتعويض نحصل على المعادلة التفاضلية من الدرجة الثانية

د2دت2أنا(ت)+1لجأنا(ت)=0.{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} ^{2}}{\mathrm {d} t^{2}}}I(t)+{\frac {1}{LC}}I(t)=0.}

يُعرَّف المعامل ω₀ ، وهو التردد الزاوي الرنيني ، على النحو التالي:

ω0=1لج.{\displaystyle \omega _{0}={\frac {1}{\sqrt {LC}}}.}

يمكن استخدام هذا لتبسيط المعادلة التفاضلية:

د2دت2أنا(ت)+ω02أنا(ت)=0.{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} ^{2}}{\mathrm {d} t^{2}}}I(t)+\omega _{0}^{2}I(t)=0.}

التحويل اللابلاس المرتبط هو

s2+ω02=0،{\displaystyle s^{2}+\omega _{0}^{2}=0,}

هكذا

s=±جω0،{\displaystyle s=\pm j\omega _{0},}

حيث j هي الوحدة التخيلية .

حل

وبالتالي، فإن الحل الكامل للمعادلة التفاضلية هو

أنا(ت)=أهـ+جω0ت+بهـ-جω0ت{\displaystyle I(t)=Ae^{+j\omega _{0}t}+Be^{-j\omega _{0}t}}

ويمكن حلّها لإيجاد قيمتي A و B بالنظر إلى الشروط الابتدائية. ولأن الدالة الأسية عدد مركب ، فإن الحل يمثل تيارًا متناوبًا جيبيًا . ولأن التيار الكهربائي I كمية فيزيائية ، فلا بد أن تكون قيمته حقيقية. ونتيجة لذلك، يمكن إثبات أن الثابتين A و B يجب أن يكونا مترافقين مركبين .

أ=ب*.{\displaystyle A=B^{*}.}

والآن لنبدأ

أ=أنا02هـ+جϕ.{\displaystyle A={\frac {I_{0}}{2}}e^{+j\phi }.}

لذلك،

ب=أنا02هـ-جϕ.{\displaystyle B={\frac {I_{0}}{2}}e^{-j\phi }.}

بعد ذلك ، يمكننا استخدام صيغة أويلر للحصول على دالة جيبية حقيقية ذات سعة I₀ ، وتردد زاوي ω₀ = 1 / √LC ، وزاوية طورϕ{\displaystyle \phi }.

وبذلك يصبح الحل الناتج

أنا(ت)=أنا0كوس(ω0ت+ϕ)،{\displaystyle I(t)=I_{0}\cos \left(\omega _{0}t+\phi \right),}
Vل(ت)=لدأنادت=-ω0لأنا0الخطيئة(ω0ت+ϕ).{\displaystyle V_{L}(t)=L{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}=-\omega _{0}LI_{0}\sin \left(\omega _{0}t+\phi \right).}

الشروط الأولية

الشروط الأولية التي من شأنها أن تحقق هذه النتيجة هي

أنا(0)=أنا0كوسϕ،{\displaystyle I(0)=I_{0}\cos \phi ,}
Vل(0)=لدأنادت|ت=0=-ω0لأنا0الخطيئةϕ.{\displaystyle V_{L}(0)=L{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}{\Bigg |}_{t=0}=-\omega _{0}LI_{0}\sin \phi .}

دائرة كهربائية متسلسلة

دائرة LC متسلسلة

في دائرة LC ذات التوصيل التسلسلي، يتم توصيل المحث (L) والمكثف (C) على التوالي، كما هو موضح هنا. الجهد الكلي V عبر الأطراف المفتوحة هو ببساطة مجموع الجهد عبر المحث والجهد عبر المكثف. التيار I الداخل إلى الطرف الموجب للدائرة يساوي التيار المار عبر كل من المكثف والمحث.

V=Vل+Vج،أنا=أنال=أناج.{\displaystyle {\begin{aligned}V&=V_{L}+V_{C},\\I&=I_{L}=I_{C}.\end{aligned}}}

صدى

المفاعلة الحثية Xل=ωل {\displaystyle \ X_{\mathsf {L}}=\omega L\ }تزداد مع زيادة التردد، بينما تزداد المفاعلة السعوية Xج=1 ωج  {\displaystyle \ X_{\mathsf {C}}={\frac {1}{\ \omega C\ }}\ }يقلّ مع زيادة التردد (المعرّف هنا كرقم موجب). عند تردد معين، تتساوى هاتان المفاعلتان، وتتساوى الجهود عبرهما وتكون متعاكسة في الإشارة؛ ويُسمى هذا التردد بتردد الرنين f₀ للدائرة المعطاة.

وبالتالي، عند الرنين،

Xل=Xج ،ωل=1 ωج  .{\displaystyle {\begin{aligned}X_{\mathsf {L}}&=X_{\mathsf {C}}\ ,\\\omega L&={\frac {1}{\ \omega C\ }}~.\end{aligned}}}

بحل المعادلة لإيجاد قيمة ω ، نحصل على

ω=ω0=1 لج  ،{\displaystyle \omega =\omega _{0}={\frac {1}{\ {\sqrt {LC\;}}\ }}\ ,}

وهو ما يُعرف بالتردد الزاوي الرنيني للدائرة. بتحويل التردد الزاوي (بالراديان في الثانية) إلى التردد ( بالهرتز )، نحصل على

و0=ω0 2π =1 2πلج  ،{\displaystyle f_{0}={\frac {\omega _{0}}{\ 2\pi \ }}={\frac {1}{\ 2\pi {\sqrt {LC\;}}\ }}\ ,}

و

Xل0=Xج0= ل ج{\displaystyle X_{{\mathsf {L}}0}=X_{{\mathsf {C}}0}={\sqrt {{\frac {\ L\ }{C}}\;}}}

فيω0{\displaystyle \omega _{0}}.

في التوصيل التسلسلي، يلغي كل من X<sub> C</sub> و X<sub> L</sub> بعضهما بعضًا. في المكونات الحقيقية، وليس المثالية، يُقاوم التيار، في الغالب، بمقاومة لفائف الملف. وبالتالي، يكون التيار المُزوَّد لدائرة رنين تسلسلية في أقصى قيمة له عند الرنين.

  • عندما يقترب التردد f من f₀ ، يكون التيار في أقصى قيمة له. وتكون مقاومة الدائرة في أدنى قيمة لها. في هذه الحالة، تُسمى الدائرة دائرة مستقبلة [ 4 ] .
  • بالنسبة لـ f < f 0 ، X L X C ؛ وبالتالي، فإن الدائرة سعوية.   
  • بالنسبة لـ f > f 0 ، X L X C ؛ وبالتالي، فإن الدائرة حثية.   

مقاومة

في التكوين التسلسلي، يحدث الرنين عندما تقترب المعاوقة الكهربائية المركبة للدائرة من الصفر.

لنبدأ أولاً بدراسة معاوقة دائرة LC المتصلة على التوالي. تُعطى المعاوقة الكلية بمجموع المعاوقات الحثية والسعوية:

Z=Zل+Zج .{\displaystyle Z=Z_{\mathsf {L}}+Z_{\mathsf {C}}~.}

بكتابة المعاوقة الحثية على الصورة Z <sub> L </sub> = jωL والمعاوقة السعوية على الصورة Z <sub>C </sub> = 1 / jωC ، وبالتعويض نحصل على

Z(ω)=جωل+1 جωج  .{\displaystyle Z(\omega )=j\omega L+{\frac {1}{\ j\omega C\ }}~.}

كتابة هذا التعبير تحت مقام مشترك يعطي

Z(ω)=ج( ω2لج-1 ωج) .{\displaystyle Z(\omega )=j\left({\frac {\ \omega ^{2}LC-1\ }{\omega C}}\right)~.}

وأخيرًا، تعريف التردد الزاوي الطبيعي على النحو التالي:

ω0=1 لج  ،{\displaystyle \omega _{0}={\frac {1}{\ {\sqrt {LC\;}}\ }}\ ,}

تصبح المعاوقة

Z(ω)=ج ل ( ω2-ω02 ω)=ج ω0ل (ω ω0 - ω0 ω)=ج 1 ω0ج (ω ω0 - ω0 ω) ،{\displaystyle Z(\omega )=j\ L\ \left({\frac {\ \omega ^{2}-\omega _{0}^{2}\ }{\omega }}\right)=j\ \omega _{0}L\ \left({\frac {\omega }{\ \omega _{0}\ }}-{\frac {\ \omega _{0}\ }{\omega }}\right)=j\ {\frac {1}{\ \omega _{0}C\ }}\left({\frac {\omega }{\ \omega _{0}\ }}-{\frac {\ \omega _{0}\ }{\omega }}\right)\ ,}

أينω0ل {\displaystyle \,\omega _{0}L\ \,}يعطي مفاعلة المحث عند الرنين.

يشير البسط إلى أنه في حالة اقتراب ω من ± ω₀ ، ستكون المعاوقة الكلية Z صفرًا، وإلا ستكون غير صفرية. لذلك، فإن دائرة LC المتصلة على التوالي، عند توصيلها على التوالي مع الحمل، ستعمل كمرشح تمرير نطاقي ذي معاوقة صفرية عند تردد الرنين لدائرة LC.

دائرة متوازية

دائرة LC متوازية

عند توصيل المحث (L) والمكثف (C) على التوازي كما هو موضح هنا، يكون الجهد V عبر طرفي الدائرة المفتوحين مساويًا لكل من الجهد عبر المحث والجهد عبر المكثف. ويكون التيار الكلي I المتدفق إلى الطرف الموجب للدائرة مساويًا لمجموع التيار المتدفق عبر المحث والتيار المتدفق عبر المكثف.

V=Vل=Vج ،أنا=أنال+أناج .{\displaystyle {\begin{aligned}V&=V_{\mathsf {L}}=V_{\mathsf {C}}\ ,\\I&=I_{\mathsf {L}}+I_{\mathsf {C}}~.\end{aligned}}}

صدى

عندما تتساوى قيمة X <sub>L </sub> مع X<sub> C </sub>، يتساوى تيارا الفرعين ومتعاكسان في الاتجاه، فيلغي أحدهما الآخر، مما يُعطي تيارًا ضئيلاً في الخط الرئيسي (من حيث المبدأ، يكون التيار صفرًا عند جهد محدود V ). وبما أن التيار الكلي في الخط الرئيسي يكون ضئيلاً، فإن المعاوقة الكلية تكون في هذه الحالة في أقصى قيمة لها. كما يوجد تيار أكبر يدور في الحلقة المُشكّلة من المكثف والمحث. عند جهد محدود V ، يكون هذا التيار المدور محدودًا، وتُحدد قيمته من خلال علاقات الجهد والتيار الخاصة بالمكثف والمحث. مع ذلك، عند تيار كلي محدود I في الخط الرئيسي، من حيث المبدأ، سيكون التيار المدور لانهائيًا. في الواقع، يكون التيار المدور في هذه الحالة محدودًا بالمقاومة في الدائرة، وخاصةً المقاومة في ملفات المحث.

يُعطى التردد الرنيني بالعلاقة التالية

و0=ω0 2π =1 2πلج  .{\displaystyle f_{0}={\frac {\omega _{0}}{\ 2\pi \ }}={\frac {1}{\ 2\pi {\sqrt {LC\;}}\ }}~.}

لا يكون تيار أي فرع أدنى ما يمكن عند الرنين، ولكن يُعطى كل فرع على حدة بقسمة جهد المصدر ( V ) على المفاعلة ( Z ). وبالتالي، فإن I = V / Z ، وفقًا لقانون أوم .

  • عند التردد f 0 ، يكون تيار الخط في أدنى مستوياته. وتكون المعاوقة الكلية في أعلى مستوياتها. في هذه الحالة، تُسمى الدائرة دائرة مانعة . [ 5 ]
  • تحت التردد f 0 ، تكون الدائرة حثية.
  • Above f0 , the circuit is capacitive.

Impedance

The same analysis may be applied to the parallel LC circuit. The total impedance is then given by

Z= ZLZC ZL+ZC ,{\displaystyle Z={\frac {\ Z_{\mathsf {L}}Z_{\mathsf {C}}\ }{Z_{\mathsf {L}}+Z_{\mathsf {C}}}}\ ,}

and after substitution of ZL= j ω L and ZC= 1/j ω C and simplification, gives

Z(ω)=jωL ω2LC1  .{\displaystyle Z(\omega )=-j\cdot {\frac {\omega L}{\ \omega ^{2}LC-1\ }}~.}

Using

ω0=1 LC  ,{\displaystyle \omega _{0}={\frac {1}{\ {\sqrt {LC\;}}\ }}\ ,}

it further simplifies to

Z(ω)=j (1 C )(ω ω2ω02 )=+j 1 ω0C(ω0ωωω0) =+j ω0L (ω0ωωω0)  .{\displaystyle Z(\omega )=-j\ \left({\frac {1}{\ C\ }}\right)\left({\frac {\omega }{\ \omega ^{2}-\omega _{0}^{2}\ }}\right)=+j\ {\frac {1}{\ \omega _{0}C\left({\tfrac {\omega _{0}}{\omega }}-{\tfrac {\omega }{\omega _{0}}}\right)\ }}=+j\ {\frac {\omega _{0}L}{\ \left({\tfrac {\omega _{0}}{\omega }}-{\tfrac {\omega }{\omega _{0}}}\right)\ }}~.}

Note that

limωω0Z(ω)= ,{\displaystyle \lim _{\omega \to \omega _{0}}Z(\omega )=\infty \ ,}

but for all other values of ω the impedance is finite.

Thus, the parallel LC circuit connected in series with a load will act as band-stop filter having infinite impedance at the resonant frequency of the LC circuit, while the parallel LC circuit connected in parallel with a load will act as band-pass filter.

Laplace solution

The LC circuit can be solved using the Laplace transform.

We begin by defining the relation between current and voltage across the capacitor and inductor in the usual way:

vC(t)=v(t) , {\displaystyle v_{\mathrm {C} }(t)=v(t)\ ,~}i(t)=C d vCdt , {\displaystyle i(t)=C\ {\frac {\mathrm {d} \ v_{\mathrm {C} }}{\mathrm {d} t}}\ ,~} and  vL(t)=L d idt.{\displaystyle ~v_{\mathrm {L} }(t)=L\ {\frac {\mathrm {d} \ i}{\mathrm {d} t}}\;.}

Then by application of Kirchhoff's laws, we may arrive at the system's governing differential equations

vin(t)=vL(t)+vC(t)=L d idt+v=L C d2 vdt2+v.{\displaystyle v_{in}(t)=v_{\mathrm {L} }(t)+v_{\mathrm {C} }(t)=L\ {\frac {\mathrm {d} \ i}{\mathrm {d} t}}+v=L\ C\ {\frac {\mathrm {d} ^{2}\ v}{\mathrm {d} t^{2}}}+v\;.}

With initial conditions  v(0)=v0 {\displaystyle \ v(0)=v_{0}\ } and  i(0)=i0=Cv(0)=Cv0.{\displaystyle \ i(0)=i_{0}=C\cdot v'(0)=C\cdot v'_{0}\;.}

Making the following definitions,

ω01 L C  {\displaystyle \omega _{0}\equiv {\frac {1}{\ {\sqrt {L\ C\ }}}}~} and  f(t)ω02 vin(t){\displaystyle ~f(t)\equiv \omega _{0}^{2}\ v_{\mathrm {in} }(t)}

gives

f(t)= d2 v dt2+ω02 v.{\displaystyle f(t)={\frac {\ \mathrm {d} ^{2}\ v\ }{\mathrm {d} t^{2}}}+\omega _{0}^{2}\ v\;.}

Now we apply the Laplace transform.

L[ f(t) ]=L[  d2 v dt2+ω02 v ],{\displaystyle \operatorname {\mathcal {L}} \left[\ f(t)\ \right]=\operatorname {\mathcal {L}} \left[\ {\frac {\ \mathrm {d} ^{2}\ v\ }{\mathrm {d} t^{2}}}+\omega _{0}^{2}\ v\ \right]\,,}
F(s)=s2 V(s)s v0v0+ω02 V(s).{\displaystyle F(s)=s^{2}\ V(s)-s\ v_{0}-v'_{0}+\omega _{0}^{2}\ V(s)\;.}

The Laplace transform has turned our differential equation into an algebraic equation. Solving for V in the s domain (frequency domain) is much simpler viz.

V(s)= s v0+v0+F(s) s2+ω02{\displaystyle V(s)={\frac {\ s\ v_{0}+v'_{0}+F(s)\ }{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}}
V(s)= s v0s2+ω02+v0s2+ω02+F(s) s2+ω02,{\displaystyle V(s)={\frac {\ s\ v_{0}}{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}+{\frac {v'_{0}}{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}+{\frac {F(s)\ }{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}\,,}

Which can be transformed back to the time domain via the inverse Laplace transform:

v(t)=L1[ V(s) ]{\displaystyle v(t)=\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ V(s)\ \right]}
v(t)=L1[  s v0s2+ω02+v0s2+ω02+F(s) s2+ω02 ],{\displaystyle v(t)=\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ {\frac {\ s\ v_{0}}{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}+{\frac {v'_{0}}{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}+{\frac {F(s)\ }{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}\ \right],}

For the second summand, an equivalent fraction of ω0{\displaystyle \omega _{0}} is needed:

v(t)=v0L1[ ss2+ω02 ]+v0L1[ ω0ω0(s2+ω02) ]+L1[ F(s) s2+ω02 ],{\displaystyle v(t)=v_{0}\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ {\frac {s}{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}\ \right]+v'_{0}\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ {\frac {\omega _{0}}{\omega _{0}(s^{2}+\omega _{0}^{2})}}\ \right]+\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ {\frac {F(s)\ }{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}\ \right],}

For the second summand, an equivalent fraction of ω0{\displaystyle \omega _{0}} is needed:

v(t)=v0L1[ ss2+ω02 ]+v0ω0L1[ ω0(s2+ω02) ]+L1[ F(s) s2+ω02 ],{\displaystyle v(t)=v_{0}\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ {\frac {s}{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}\ \right]+{\frac {v'_{0}}{\omega _{0}}}\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ {\frac {\omega _{0}}{(s^{2}+\omega _{0}^{2})}}\ \right]+\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ {\frac {F(s)\ }{s^{2}+\omega _{0}^{2}}}\ \right],}
v(t)=v0cos(ω0 t)+v0 ω0  sin(ω0 t)+L1[ F(s) s2+ω02  ]{\displaystyle v(t)=v_{0}\cos(\omega _{0}\ t)+{\frac {v'_{0}}{\ \omega _{0}\ }}\ \sin(\omega _{0}\ t)+\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ {\frac {F(s)}{\ s^{2}+\omega _{0}^{2}\ }}\ \right]}

The final term is dependent on the exact form of the input voltage. Two common cases are the Heaviside step function and a sine wave. For a Heaviside step function we get

vin(t)=M u(t),{\displaystyle v_{\mathrm {in} }(t)=M\ u(t)\,,}
L1[ ω02Vin(s) s2+ω02  ] = L1[ ω02 M 1 s (s2+ω02)  ] = M (1cos(ω0 t)),{\displaystyle \operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ \omega _{0}^{2}{\frac {V_{\mathrm {in} }(s)}{\ s^{2}+\omega _{0}^{2}\ }}\ \right]~=~\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ \omega _{0}^{2}\ M\ {\frac {1}{\ s\ (s^{2}+\omega _{0}^{2})\ }}\ \right]~=~M\ {\Bigl (}1-\cos(\omega _{0}\ t){\Bigr )}\,,}
v(t)=v0 cos(ω0 t)+v0ω0 sin(ω0 t)+M (1cos(ω0 t)).{\displaystyle v(t)=v_{0}\ \cos(\omega _{0}\ t)+{\frac {v'_{0}}{\omega _{0}}}\ \sin(\omega _{0}\ t)+M\ {\Bigl (}1-\cos(\omega _{0}\ t){\Bigr )}\;.}

For the case of a sinusoidal function as input we get:

vin(t)=U sin(ωf t)Vin(s)= U ωf  s2+ωf2 {\displaystyle v_{\mathrm {in} }(t)=U\ \sin(\omega _{\mathrm {f} }\ t)\Rightarrow V_{\mathrm {in} }(s)={\frac {\ U\ \omega _{\mathrm {f} }\ }{\ s^{2}+\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ }}\,}

where U{\displaystyle U} is the amplitude and ωf{\displaystyle \omega _{f}} the frequency of the applied function.

L1[ ω02 1 s2+ω02  U ωf s2+ωf2  ]{\displaystyle \operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ \omega _{0}^{2}\ {\frac {1}{\ s^{2}+\omega _{0}^{2}\ }}\ {\frac {U\ \omega _{\mathrm {f} }}{\ s^{2}+\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ }}\ \right]}

Using the partial fraction method:

L1[ ω02 U ωf1 s2+ω02  1 s2+ωf2  ]=L1[ ω02 U ωfA+Bs s2+ω02  +C+Ds s2+ωf2  ]{\displaystyle \operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ \omega _{0}^{2}\ U\ \omega _{\mathrm {f} }{\frac {1}{\ s^{2}+\omega _{0}^{2}\ }}\ {\frac {1}{\ s^{2}+\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ }}\ \right]=\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ \omega _{0}^{2}\ U\ \omega _{\mathrm {f} }{\frac {A+Bs}{\ s^{2}+\omega _{0}^{2}\ }}\ +{\frac {C+Ds}{\ s^{2}+\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ }}\ \right]}

Simplifiying on both sides

1=(A+Bs)( s2+ωf2 )+(C+Ds)( s2+ω02 ){\displaystyle 1=(A+Bs)(\ s^{2}+\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ )+(C+Ds)(\ s^{2}+\omega _{0}^{2}\ )}
1=(A s2+ A ωf2 + B s3+ B ωf2 )+(C s2+ C ω02 + D s3+ D sω02 ){\displaystyle 1=(A\ s^{2}+\ A\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}\ +\ B\ s^{3}+\ B\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}\ )+(C\ s^{2}+\ C\ \omega _{0}^{2}\ +\ D\ s^{3}+\ D\ s\omega _{0}^{2}\ )}
1=s3(B + D )+s2(A + C)+s(B ωf2+ D ω02)+(A ωf2 + C ω02){\displaystyle 1=s^{3}(B\ +\ D\ )+s^{2}(A\ +\ C)+s(B\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}+\ D\ \omega _{0}^{2})+(A\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}\ +\ C\ \omega _{0}^{2})}

We solve the equation for A, B and C:

A+C=0C=A{\displaystyle A+C=0\Rightarrow C=-A}
A ωf2 + C ω02=1A ωf2  A ω02=1{\displaystyle A\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}\ +\ C\ \omega _{0}^{2}=1\Rightarrow A\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}\ -\ A\ \omega _{0}^{2}=1}
A =1(ωf2 ω02){\displaystyle \Rightarrow A\ ={\frac {1}{(\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ -\omega _{0}^{2})}}}
C =1(ωf2 ω02){\displaystyle \Rightarrow C\ =-{\frac {1}{(\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ -\omega _{0}^{2})}}}
B+C=0{\displaystyle B+C=0}
B ωf2+ D ω02=0B ωf2 B ω02=0B (ωf2ω02)=0{\displaystyle B\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}+\ D\ \omega _{0}^{2}=0\Rightarrow B\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}-\ B\ \omega _{0}^{2}=0\Rightarrow B\ (\omega _{\mathrm {f} }^{2}-\omega _{0}^{2})=0}
B=0, D=0{\displaystyle \Rightarrow B=0,\ D=0}

Substitute the values of A, B and C:

L1[ ω02 U ωf1(ωf2 ω02) s2+ω02 +1(ωf2 ω02) s2+ωf2  ]{\displaystyle \operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ \omega _{0}^{2}\ U\ \omega _{\mathrm {f} }{\frac {\frac {1}{(\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ -\omega _{0}^{2})}}{\ s^{2}+\omega _{0}^{2}\ }}+{\frac {-{\frac {1}{(\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ -\omega _{0}^{2})}}}{\ s^{2}+\omega _{\mathrm {f} }^{2}\ }}\ \right]}

Isolating the constant and using equivalent fractions to adjust for lack of numerator:

 ω02 Uωf  ωf2ω02 L1[(ω0ω0(s2+ω02)ωfωf(s2+ωf2))]{\displaystyle {\frac {\ \omega _{0}^{2}\ U\omega _{\mathrm {f} }\ }{\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}-\omega _{0}^{2}\ }}\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\left({\frac {\omega _{0}}{\omega _{0}(s^{2}+\omega _{0}^{2})}}-{\frac {\omega _{f}}{\omega _{f}(s^{2}+\omega _{f}^{2})}}\right)\right]\,}

Performing the reverse Laplace transform on each summands:

 ω02 Uωf  ωf2ω02 (L1[ 1ω0ω0(s2+ω02)]L1[1ωf ωf (s2+ωf2)]){\displaystyle {\frac {\ \omega _{0}^{2}\ U\omega _{\mathrm {f} }\ }{\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}-\omega _{0}^{2}\ }}\left(\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[\ {\frac {1}{\omega _{0}}}{\frac {\omega _{0}}{(s^{2}+\omega _{0}^{2})}}\right]-\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[{\frac {1}{\omega _{\mathrm {f} }\ }}{\frac {\omega _{\mathrm {f} }\ }{(s^{2}+\omega _{f}^{2})}}\right]\right)\,}
 ω02 Uωf  ωf2ω02 (1ω0L1[ω0(s2+ω02)]1ωf L1[ωf (s2+ωf2)]){\displaystyle {\frac {\ \omega _{0}^{2}\ U\omega _{\mathrm {f} }\ }{\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}-\omega _{0}^{2}\ }}\left({\frac {1}{\omega _{0}}}\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[{\frac {\omega _{0}}{(s^{2}+\omega _{0}^{2})}}\right]-{\frac {1}{\omega _{\mathrm {f} }\ }}\operatorname {\mathcal {L}} ^{-1}\left[{\frac {\omega _{\mathrm {f} }\ }{(s^{2}+\omega _{f}^{2})}}\right]\right)\,}
vin(t)= ω02 U ωf ωf2ω02(1ω0 sin(ω0 t)1 ωf  sin(ωf t)),{\displaystyle v_{\mathrm {in} }(t)={\frac {\ \omega _{0}^{2}\ U\ \omega _{\mathrm {f} }\ }{\omega _{\mathrm {f} }^{2}-\omega _{0}^{2}}}\left({\frac {1}{\omega _{0}}}\ \sin(\omega _{0}\ t)-{\frac {1}{\ \omega _{\mathrm {f} }\ }}\ \sin(\omega _{\mathrm {f} }\ t)\right)\;,}

Using initial conditions in the Laplace solution:

v(t)=v0cos(ω0 t)+v0ω0  sin(ω0 t)+ω02 U ωf ωf2ω02 (1ω0 sin(ω0 t)1 ωf  sin(ωf t)).{\displaystyle v(t)=v_{0}\cos(\omega _{0}\ t)+{\frac {v'_{0}}{\omega _{0}\ }}\ \sin(\omega _{0}\ t)+{\frac {\omega _{0}^{2}\ U\ \omega _{\mathrm {f} }}{\ \omega _{\mathrm {f} }^{2}-\omega _{0}^{2}\ }}\left({\frac {1}{\omega _{0}}}\ \sin(\omega _{0}\ t)-{\frac {1}{\ \omega _{\mathrm {f} }\ }}\ \sin(\omega _{\mathrm {f} }\ t)\right)\;.}

History

The first evidence that a capacitor and inductor could produce electrical oscillations was discovered in 1826 by French scientist Felix Savary.[6][7] He found that when a Leyden jar was discharged through a wire wound around an iron needle, sometimes the needle was left magnetized in one direction and sometimes in the opposite direction. He correctly deduced that this was caused by a damped oscillating discharge current in the wire, which reversed the magnetization of the needle back and forth until it was too small to have an effect, leaving the needle magnetized in a random direction. American physicist Joseph Henry repeated Savary's experiment in 1842 and came to the same conclusion, apparently independently.[8][9]

Irish scientist William Thomson (Lord Kelvin) in 1853 showed mathematically that the discharge of a Leyden jar through an inductance should be oscillatory, and derived its resonant frequency.[6][8][9] British radio researcher Oliver Lodge, by discharging a large battery of Leyden jars through a long wire, created a tuned circuit with its resonant frequency in the audio range, which produced a musical tone from the spark when it was discharged.[8] In 1857, German physicist Berend Wilhelm Feddersen photographed the spark produced by a resonant Leyden jar circuit in a rotating mirror, providing visible evidence of the oscillations.[6][8][9] In 1868, Scottish physicist James Clerk Maxwell calculated the effect of applying an alternating current to a circuit with inductance and capacitance, showing that the response is maximum at the resonant frequency.[6] The first example of an electrical resonance curve was published in 1887 by German physicist Heinrich Hertz in his pioneering paper on the discovery of radio waves, showing the length of spark obtainable from his spark-gap LC resonator detectors as a function of frequency.[6]

كانت تجربة "الجرار المتزامنة" التي أجراها لودج حوالي عام 1889 من أوائل التجارب التي أثبتت وجود الرنين بين الدوائر الرنانة. [ 6 ] [ 8 ] وضع لودج دائرتين رنينيتين متجاورتين، تتكون كل منهما من جرة ليدن موصولة بملف قابل للتعديل ذي لفة واحدة وفجوة شرارة. عند تطبيق جهد عالٍ من ملف حثي على إحدى الدائرتين الرنانتين، مما أدى إلى توليد شرارات وبالتالي تيارات متذبذبة، لم تتولد شرارات في الدائرة الرنانة الأخرى إلا عند ضبط الدائرتين على الرنين. فضل لودج وبعض العلماء الإنجليز مصطلح " التزامن " لوصف هذه الظاهرة، لكن مصطلح " الرنين " هو الذي شاع استخدامه في النهاية. [ 6 ] كان أول استخدام عملي لدوائر LC في تسعينيات القرن التاسع عشر في أجهزة إرسال الراديو ذات فجوة الشرارة، وذلك لتمكين ضبط جهاز الاستقبال وجهاز الإرسال على نفس التردد. تم تقديم أول براءة اختراع لنظام راديو يسمح بالضبط بواسطة لودج في عام 1897، على الرغم من أن الأنظمة العملية الأولى تم اختراعها في عام 1900 بواسطة رائد الراديو الإيطالي غولييلمو ماركوني . [ 6 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ماكاروف، سيرجي ن.؛ لودفيج، راينهولد؛ بيطار، ستيفن ج. (2016). الهندسة الكهربائية العملية . سبرينغر. ص.  X-483. ISBN 9783319211732.
  2. دورف، ريتشارد سي؛ سفوبودا، جيمس أ. (2010). مقدمة في الدوائر الكهربائية، الطبعة الثامنة . جون وايلي وأولاده. ص 368. ISBN  9780470521571.
  3. راو، ب. فيسفيسفارا؛ وآخرون . (2012). تحليل الدوائر الإلكترونية . الهند: بيرسون إديوكيشن إنديا. ص 13.6. ISBN   978-9332511743.
  4. "ما هي دائرة الاستقبال؟" . qsstudy.com . الفيزياء.].
  5. "دائرة الرفض" . قواميس أكسفورد. الإنجليزية . مؤرشف من الأصل في 20 سبتمبر 2018. تم الاسترجاع في 20-09-2018 .
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 بلانشارد، جوليان (أكتوبر 1941). "تاريخ الرنين الكهربائي" . مجلة بيل سيستم التقنية . 20 (4). الولايات المتحدة: شركة الهاتف والتلغراف الأمريكية: 415-433 . doi : 10.1002/j.1538-7305.1941.tb03608.x . S2CID 51669988. تاريخ الاسترجاع : 29 مارس 2011 . 
  7. Savary, Felix (1827). "Memoirs sur l'Aimentation". Annales de Chimie et de Physique. 34. Paris: Masson: 5–37.
  8. 12345Kimball, Arthur Lalanne (1917). A College Text-book of Physics (2nd ed.). New York: Henry Hold. pp. 516–517.
  9. 123Huurdeman, Anton A. (2003). The Worldwide History of Telecommunications. U.S.: Wiley-IEEE. pp. 199–200. ISBN 0-471-20505-2.