Τι είναι ένα κύκλωμα συντονισμού;

Ένα κύκλωμα συντονισμού, γνωστό και ως κύκλωμα LC, κύκλωμα δεξαμενής ή συντονισμένο κύκλωμα, είναι ένα κύκλωμα που αποθηκεύει ενέργεια και τη μεταφέρει εμπρός και πίσω επανειλημμένα, παρόμοια με ένα αιωρούμενο εκκρεμές. Η ενέργεια περνά μεταξύ ενός επαγωγέα, ενός συστατικού κυκλώματος που αποθηκεύει ενέργεια σε ένα μαγνητικό πεδίο, και ενός πυκνωτή, ο οποίος αποθηκεύει ενέργεια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Όταν τα δύο λειτουργούν στην ίδια συχνότητα, το κύκλωμα λέγεται ότι είναι συντονισμένο. Τέτοια κυκλώματα συντονισμού χρησιμοποιούνται σε δέκτες και ενισχυτές.

Ο επαγωγέας και ο πυκνωτής λειτουργούν μαζί. Ο πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια με τη μορφή τάσης και στη συνέχεια την απελευθερώνει με τη μορφή ρεύματος. Ο επαγωγέας αποθηκεύει ενέργεια από το ρεύμα στο μαγνητικό του πεδίο και στη συνέχεια απελευθερώνει την ενέργεια πίσω στον πυκνωτή. Τα δύο εξαρτήματα του κυκλώματος περνούν την αποθηκευμένη τους ενέργεια μπρος-πίσω, ένα φαινόμενο που ονομάζεται ταλάντωση. Ο αριθμός των φορών κάθε δευτερόλεπτο που η ενέργεια μεταφέρεται εμπρός και πίσω θεωρείται η συχνότητα του κυκλώματος συντονισμού.

Ένα κύκλωμα συντονισμού είναι σαν ένα εκκρεμές. Ένα άτομο τραβά το εκκρεμές προς τη μία πλευρά, αποθηκεύοντας έτσι δυναμική ενέργεια, επειδή το βαρίδι του εκκρεμούς είναι ψηλότερα από ό,τι ήταν πριν. Όταν το εκκρεμές απελευθερώνεται, η δυναμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια, την ενέργεια της κίνησης. Η κινητική ενέργεια αναγκάζει το εκκρεμές να περάσει από την ουδέτερη θέση για να ανέβει από την άλλη πλευρά, αποθηκεύοντας ξανά δυναμική ενέργεια. Το εκκρεμές ταλαντώνεται μπρος-πίσω μέχρι να τελειώσει η ενέργεια του.

Όπως ένα εκκρεμές, ένα κύκλωμα συντονισμού λειτουργεί πιο αποτελεσματικά όταν ταλαντώνεται στην προτιμώμενη ή συντονισμένη συχνότητα του. Ο ρυθμός με τον οποίο ο πυκνωτής και ο επαγωγέας καταλαμβάνουν και απελευθερώνουν ενέργεια είναι συνάρτηση του χρόνου. Εάν κάποιος προσπαθήσει να οδηγήσει το κύκλωμα γρηγορότερα από τη συχνότητα συντονισμού του, είτε ο πυκνωτής είτε ο επαγωγέας δεν θα μπορέσουν να πάρουν και να απελευθερώσουν την ενέργεια αρκετά γρήγορα. Η συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος ορίζεται από την εξίσωση 1 διαιρούμενη με την τετραγωνική ρίζα του L x C. Το L αντιπροσωπεύει την επαγωγή στο Henries και το C αντιπροσωπεύει την χωρητικότητα σε Farads.

Όπως ένα παιδί σε μια κούνια, τα κυκλώματα συντονισμού χάνουν λίγη ενέργεια καθώς η ενέργεια περνάει εμπρός και πίσω, επομένως πρέπει να προστεθεί νέα ενέργεια για να συνεχιστεί το κύκλωμα. Τα καλώδια έχουν αντίσταση. Οι πυκνωτές δεν απελευθερώνουν τόση ενέργεια όση προσλαμβάνουν. Η απώλεια σε ένα κύκλωμα συντονισμού μετριέται από τον παράγοντα ποιότητας ή τον παράγοντα Q. Ένας υψηλότερος παράγοντας Q δείχνει ότι χάνεται λιγότερη ενέργεια με κάθε ταλάντωση.

Ο παράγοντας Q υπολογίζεται ως ο λόγος του πλάτους, ή της ισχύος, των ταλαντώσεων που βγαίνουν από το κύκλωμα, σε σύγκριση με αυτό που μπήκε στο κύκλωμα. Ένας υψηλότερος συντελεστής Q υποδηλώνει ότι απαιτείται λιγότερη ενέργεια για τη διατήρηση του κυκλώματος και περισσότερη έξοδος παράγεται για κάθε είσοδο. Κατ’ αναλογία, στην κούνια ενός παιδιού, αυτό μπορεί να συγκριθεί με το πόσο μακριά διανύει η κούνια μετά το σπρώξιμο του γονέα, σε σύγκριση με το πόσο μακριά ταξίδεψε το χέρι του γονέα ενώ σπρώχνει το παιδί.
Ένας ταλαντωτής είναι ένα ειδικό είδος κυκλώματος που αντικαθιστά την ενέργεια που χάνεται από έναν λιγότερο από τον ιδανικό παράγοντα Q. Όταν ένα παιδί αντλεί μια κούνια στη σωστή συχνότητα, προσθέτοντας ενέργεια στο σύστημα σε τακτά χρονικά διαστήματα για να ξεπεράσει την απώλεια λόγω της τριβής και της αντίστασης στον αέρα, το παιδί μπορεί να ταλαντεύεται επ ‘αόριστον. Ένας ραδιοφωνικός δέκτης είναι ένα κύκλωμα συντονισμού με υψηλό συντελεστή Q. Γυρίζοντας το κουμπί αλλάζει η χωρητικότητα ενός μεταβλητού πυκνωτή. Όταν το κύκλωμα συντονισμού συντονίζεται στην ίδια συχνότητα με τον πομπό του ραδιοφωνικού σταθμού, το κύκλωμα παράγει υψηλό πλάτος και καθαρή εκπομπή ήχου.