Warum verhält sich die Serien-LC-Schaltung nicht als Bandpassfilter?

Ich versuche, eine LC-Schaltung mit einer externen Quelle zu simulieren, die eine Rechteckwelle mit 503 Hz und einer Amplitude von 2 V wie folgt erzeugt:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Eigenfrequenz der obigen Schaltung beträgt 503 Hz. Sie muss also so viel Frequenz passieren. Wenn ich die Simulation der obigen Schaltung durchführe, wird der Kondensator beschädigt oder kurzgeschlossen (weiß nicht genau) und es erscheint in der Schaltung wie folgt:

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und der Ausgang wird im Oszilloskop Null.

Aber wenn ich eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von 5 kHz durchlasse, wird eine sinusförmige Ausgabe erhalten (wie im Bild unten gezeigt).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Bitte führen Sie mich, warum solche Ausgaben beobachtet werden? Wenn es als Bandpassfilter fungiert, sollte es einfach die Frequenz um die Eigenfrequenz herum durchlassen und der gleiche Ausgang wie der Eingang, dh eine Rechteckwelle, sollte beobachtet werden. Bei höheren Frequenzen (5 kHz) sollte der Ausgang einfach Null sein, aber warum sinusförmig?

PS:

  1. Ich habe aus Wikipedia gelesen, dass die Serien-LC-Schaltung als Bandpassfilter mit einer Impedanz von Null bei Eigenfrequenz fungiert.
  2. Ich verwende Multisim 11.
Der simulierte Treiber hat vermutlich eine "Null"-Ausgangsimpedanz; Schalten Sie einen Widerstand in Reihe, z. B. 8 Ohm oder 50 Ohm.
Es ist Jahrzehnte her, seit ich mir dieses Zeug angesehen habe, aber für mich sieht es so aus, als hätten Sie die Komponenten zu einem Tiefpassfilter verdrahtet.

Antworten (3)

Das ist das Problem bei der Simulation mit „idealen“ Komponenten – Sie sehen Verhaltensweisen, die Sie in der realen Welt niemals sehen würden.

Ihr Stromkreis hat nirgendwo einen Widerstand. Der Funktionsgenerator ist eine ideale Spannungsquelle ohne Ausgangswiderstand. Das Oszilloskop hat einen unendlichen Eingangswiderstand (Leerlauf). Und die Bauteile haben auch keinen parasitären Serien- oder Parallelwiderstand.

Daher ist das Verhalten, das der Simulator Ihnen zeigt, korrekt. Die 503-Hz-Sinuswelle ist die LC-Schaltung, die von der Einschalttransiente weiter "klingelt". Dieses Klingeln wird niemals aussterben. Und Sie sehen nichts von der 5-kHz-Rechteckwelle am Ausgang, weil Ihr Filter unendliches "Q" (Qualitätsfaktor) hat, was bedeutet, dass es andere Frequenzen perfekt blockiert.

Wenn Sie eine Schaltung simulieren, die nur aus idealen Komponenten besteht, müssen Sie daran denken, die parasitären Effekte realer Komponenten zu modellieren. Abhängig von der benötigten Genauigkeit können Sie den Reihenwiderstand sowohl von Induktivitäten als auch von Kondensatoren und möglicherweise auch eine Parallelkapazität von Induktivitäten und einen Parallelwiderstand von Kondensatoren einbeziehen. Bei der Simulation komplexerer Schaltungen – die ohnehin fast immer Widerstände enthalten – sind die Auswirkungen dieser parasitären Komponenten normalerweise unbedeutend.

Zunächst vielen Dank. Ich habe verstanden, dass eine Rechteckwelle von 5 kHz als Summe von Sinuskurven dargestellt werden kann und nur die 503-Hz-Komponente durchlässt und den Rest blockiert. Der Filter muss die Eingabe einfach als Ausgabe weitergeben. Ist es nicht so? Es knallt sogar, wenn ich einen Widerstand von 0,1 Ohm in Reihe mit einer Induktivität schalte, um die Schaltung realistischer zu machen, wie Sie erwähnt haben.
Es tut mir leid, aber ich weiß nicht, was Sie in diesem Zusammenhang mit "Blast" meinen. Ich nehme an, Sie meinen, dass der Kondensator in irgendeiner Weise beschädigt ist, aber meinen Sie kurzgeschlossen oder offen?
Schauen Sie sich zur Verdeutlichung den Kondensator im zweiten Bild dieser Frage an. Ist er nicht von der normalen Darstellung verzerrt? Mit "Explosion" meine ich, dass der Kondensator auf irgendeine Weise beschädigt ist. Wenn dies passiert, geht der Ausgang einfach auf Null.
Wollen Sie damit sagen, dass der Simulator die Zeichnung als Ergebnis der Ausführung der Simulation geändert hat? Ich weiß nicht, was das bedeutet, aber wenn der Ausgang auf Null ging, muss das bedeuten, dass der Kondensator kurzgeschlossen ist.
Okay. Können Sie erklären, warum der Kondensator kurzgeschlossen wird, wenn eine Sinus- oder Rechteckwelle mit einer Frequenz von etwa 503 Hz durch diese Schaltung geleitet wird?
Ah, ich habe nicht verstanden, dass Sie von zwei verschiedenen Simulationsszenarien sprachen. Wieder ideale Komponenten. Beim Ansteuern des Kreises mit seiner Resonanzfrequenz baut sich die vom Funktionsgenerator gelieferte Energie im LC-Kreis auf, da es keinen Widerstand gibt, um sie abzuführen. Schließlich werden die Spannungs- (und Strom-) Pegel so groß, dass ein numerischer Überlauf in der Simulatorsoftware auftritt, und sie müssen dies durch "Kurzschließen" des Kondensators anzeigen.

Ihre Schaltung wäre besser, wenn Sie eine dritte Komponente in Reihe hinzufügen würden - eine (ohmsche) Last.

Ein Kanal des Oszilloskops wäre mit der Eingangsquelle verbunden und der zweite Kanal über die Last.

Beachten Sie auch: Viele Schaltungssimulatoren können nicht mit idealen Induktivitäten umgehen, die eine unendliche Spannung als Reaktion auf eine Stromänderung und einen Null-Ohm-Widerstand bei Gleichstrom haben. Echte Induktoren haben einen "Q"-Faktor, den Sie emulieren können, indem Sie einen weiteren kleinen Widerstand (0,1 Ohm) in Reihe mit dem Induktor hinzufügen.

Danke für die Antwort. Wie Sie bereits erwähnt haben, habe ich einen Widerstand von 0,1 Ohm in Reihe mit der Induktivität geschaltet, aber in allen Fällen immer noch eine Kondensatorexplosion, wenn ich eine Rechteckwelle oder Sinuswelle mit einer Frequenz von 503-510 Hz durchlasse. Können Sie erklären, warum?
Es gibt einen Unterschied zwischen einem "idealen" Induktor und einem "unendlichen" Induktor.
Die Spannung über der Induktivität ist: Induktivität mal Stromänderungsrate. Ohne Widerstand ist der Strom enorm - und die Spannung ist noch größer. Der 0,1-Ohm-Widerstand HILFT, eine "realistischere" Induktivität zu modellieren, aber das reicht nicht aus. Setzen Sie einen weiteren 1000-Ohm-Widerstand zwischen Kondensator und Masse, um als "Last" zu fungieren.

Ich weiß wirklich nicht, wie ein Kondensator während der Simulation "beschädigt" werden kann - trotzdem funktioniert Ihre Schaltung nicht als Bandpass, sondern als TIEFPASS, weil Sie das Signal ZWISCHEN beiden Teilen abgreifen. Verwenden Sie zusätzlich einen geerdeten Widerstand und messen Sie die Spannung an diesem Widerstand.

UPDATE: Ein serienresonanter Bandpass besteht aus einem frequenzabhängigen Spannungsteiler, der (a) aus einer LC-Serienschaltung und (b) aus einem Widerstand R besteht. An diesem Widerstand R steht das Ausgangssignal an. Der Bandpass hat eine sehr scharfe Resonanz Antwort (kleine Bandbreite) für kleine R-Werte (1..10 Ohm). Sie sollten einen Widerstand von mindestens 50...100 Ohm verwenden.

Ich wiederhole (obwohl jemand nicht zustimmt): Gegenwärtig (Messen des Ausgangs zwischen L und C) haben Sie einen Tiefpass zweiter Ordnung mit einem sehr hohen Q-Wert (große Amplitudenspitze bei der Polfrequenz). In der Nähe des Resonanzpunktes sieht es aus wie ein Bandpass - ist aber ein Tiefpassausgang

Wenn ich die Simulation durchführe, ändert sich die Darstellung des Kondensators (siehe Kondensator im zweiten Bild). Meine Interpretation ist, dass der Kondensator beschädigt sein muss. Aber jetzt vermute ich, dass er kurzgeschlossen ist, wenn eine Sinuskurve mit einer Frequenz von 503 Hz über dem LC-Kreis durchgeleitet wird, da der Ausgang ebenfalls geht auf Null, wenn dies passiert. Entschuldigung für die verursachte Verwirrung.
Bei Resonanz sind die induktiven und kapazitiven Reaktanzen der LC-Schaltung gleich und um 180 Grad phasenverschoben, sie heben sich auf und der Strom durch sie wird nur durch den Widerstand in der Schaltung begrenzt. Bei Resonanz ist die Spannung am LC-Übergang ebenfalls maximal, und bei jeder anderen Frequenz fällt die Schaltung aus der Resonanz und die Spannung am LC-Übergang fällt ab, wodurch der LC wie folgt zu einem Bandbassfilter wird :
@EMfields - im Ernst, werden Sie wirklich leugnen, dass eine LCR-Serienverbindung KEINEN Tiefpassausgang zwischen L und C liefert? Beobachten Sie den Phasengang (beginnend bei NULL!) Ihrer eigenen Simulation und/oder erweitern Sie die Betragssimulation auf niedrigere Frequenzen bis hinunter zu 1 Hz. Es ist ein LOWPASS zweiter Ordnung mit hohem Q! Haben Sie jemals einen Bandpass mit einer Phase zwischen 0 und -180 Grad gesehen? Vielleicht überdenkst du das Down-Voting noch einmal?
Aus Ihrem Kommentar geht hervor, dass Sie das Spektrum von Gleichstrom bis Licht betrachten, was nicht ganz dem entspricht, was das OP im Sinn hatte. Und obwohl es stimmt, dass unterhalb der Resonanz die Spannung am LC-Übergang mit zunehmender Frequenz aufgrund der Zunahme der Reaktanz der Drossel mit der Frequenz gedämpft wird, wird diese Spannung auch mit zunehmender Frequenz gedämpft, da die Reaktanz des Kondensators mit steigender Frequenz abnimmt.
Das macht den Filter zu einer Art schwachem Tiefpass, abgesehen von dieser lästigen Resonanz, die eine anomale Reaktion mit erheblicher Spannungsverstärkung gegenüber den Reaktionen unterhalb und oberhalb der Resonanz liefert. Was den Phasengang betrifft, so zeigt jeder Resonanzkreis eine 180-Grad-Änderung, wenn er bei Resonanz durch seine reaktiven Bereiche übergeht.
Vielleicht bin ich ein bisschen "sophistisch" - aber eine Reihenschaltung von RLC ergibt einen Tiefpass, wenn der Ausgang über dem Kondensator liegt. Natürlich ist es ein High-Q-Tiefpass mit einer Resonanzspitze bei der Polfrequenz (weder ein „anomaler“ noch ein „schwacher“ Tiefpass, was ist das?) – aber es bleibt ein Tiefpass. Was die Phase betrifft - ich habe es t speak about a "180 degree change" but about a phase that STARTS at 0 deg. And thatNICHT für einen Bandpass gehalten. Einverstanden?
Warum verhält sich die Serien-LC-Schaltung nicht als Bandpassfilter?
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