LCR回路はどのように動作するのでしょうか?

LCR 回路は、共振回路、同調回路、または RLC 回路とも呼ばれ、直列または並列に接続されたインダクタ (L)、コンデンサ (C)、および抵抗 (R) で構成される電気回路です。これらの回路は多くの電子デバイスやシステムの基礎であり、ラジオ同調、信号フィルタリング、力率補正などのアプリケーションで重要な役割を果たします。 LCR サプライヤーとして、これらの回路がどのように動作するかについてよく質問されるので、このブログ記事で詳しく説明します。

LCR回路の基本コンポーネント

LCR 回路がどのように動作するかを詳しく説明する前に、回路を構成する基本コンポーネントを理解することが重要です。

• インダクタ(L): インダクタは、電流が流れるときに磁界にエネルギーを蓄える受動的な 2 端子電気部品です。ヘンリー (H) 単位で測定されるインダクタンスは、特定の電流に対してどの程度の磁界が生成されるかを決定します。インダクタを流れる電流が変化すると、ファラデーの電磁誘導の法則に従って、電流の変化に対抗する起電力 (EMF) が誘導されます。

• コンデンサ(C): コンデンサは、絶縁材料で分離された 2 つの導電板間の電界にエネルギーを蓄積するもう 1 つの受動 2 端子コンポーネントです。ファラッド (F) で測定される静電容量は、コンデンサが電荷を蓄積する能力を示します。コンデンサの両端に電圧が印加されるとコンデンサが充電され、電圧源が取り除かれると蓄えられたエネルギーが放電されます。

• 抵抗器(R): 抵抗器は、回路内の電流の流れを制限する受動部品です。オーム (Ω) で測定される抵抗は、オームの法則 (V = IR) に従って、特定の電圧で流れる電流の量を決定します。抵抗器は電気エネルギーを熱の形で放散します。

直列LCR回路

直列 LCR 回路では、インダクタ、コンデンサ、抵抗が端から端まで接続されているため、3 つのコンポーネントすべてに同じ電流が流れます。交流 (AC) 電圧源が印加されたときの直列 LCR 回路の動作を解析してみましょう。

直列 LCR 回路のインピーダンス (Z) は次の式で与えられます。

[Z=\sqrt{R^{2}+(X_{L} - X_{C})^{2}}]

ここで、(X_{L}=\omega L) は誘導性リアクタンス、(X_{C}=\frac{1}{\omega C}) は容量性リアクタンス、(\omega = 2\pi f) は AC 電源の角周波数、(f) は周波数、(L) はインダクタンス、(C) は静電容量です。

誘導リアクタンス (X_{L}) は、周波数 (f) とインダクタンス (L) に正比例します。周波数が増加すると、(X_{L}) が増加します。これは、インダクタが電流の流れに対してより多くの抵抗を与えることを意味します。一方、容量性リアクタンス (X_{C}) は周波数 (f) と静電容量 (C) に反比例します。周波数が増加すると、(X_{C}) が減少するため、コンデンサが電流に抵抗することが少なくなります。

直列 LCR 回路の電圧と電流の間の位相角 (\varphi) は次の式で与えられます。

[\tan\varphi=\frac{X_{L}-X_{C}}{R}]

(X_{L}>X_{C}) の場合、回路は誘導性であり、電圧が電流よりも進みます。 (X_{L}<X_{C}) の場合、回路は容量性であり、電流が電圧よりも進みます。 (X_{L} = X_{C}) の場合、回路は共振状態にあり、インピーダンス (Z = R) は最小になります。共振時、回路内の電流は最大値に達し、これが発生する周波数は共振周波数 (f_{0}) と呼ばれ、次の式で求められます。

[f_{0}=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}]

並列LCR回路

並列 LCR 回路では、インダクタ、コンデンサ、抵抗が同じ電圧源の両端に接続されます。並列 LCR 回路の合計アドミタンス (Y) は次の式で与えられます。

[Y=\sqrt{G^{2}+(B_{C}-B_{L})^{2}}]

ここで、(G=\frac{1}{R}) はコンダクタンス、(B_{L}=\frac{1}{X_{L}}=\frac{1}{\omega L}) は誘導サセプタンス、(B_{C}=\omega C) は容量サセプタンスです。

インピーダンス (Z=\frac{1}{Y})。直列回路と同様に、並列 LCR 回路にも共振周波数があります。並列 LCR 回路の共振では、誘導性サセプタンスと容量性サセプタンスが互いに打ち消し合い ((B_{L}=B_{C}))、インピーダンスは最大値に達します。

LCR回路の応用

LCR 回路は、エレクトロニクスおよび電気工学において幅広い用途があります。

• ラジオのチューニング: ラジオ受信機では、LCR 回路を使用してさまざまなラジオ局を受信します。回路のキャパシタンスまたはインダクタンスを調整することにより、共振周波数を変更して、目的の無線信号の周波数に一致させることができます。これにより、受信機は他の局を拒否しながら特定の局を選択することができます。

• 信号フィルタリング: LCR 回路は、信号内の異なる周波数を分離するフィルターとして使用できます。たとえば、ローパス フィルターは高周波信号を減衰させながら低周波信号を通過させ、ハイパス フィルターはその逆を行います。特定の範囲の周波数を選択または拒否するために、LCR 回路を使用してバンドパスフィルターおよびバンドストップフィルターを構築することもできます。

• 力率補正: 電力システムでは、力率を改善するために LCR 回路が使用されます。誘導負荷と並列にコンデンサを追加すると、無効電力が低減され、電力システムの効率が向上し、エネルギー損失が削減されます。

LCRパラメータの測定

LCR 回路を正確に設計および解析するには、インダクタンス、キャパシタンス、および抵抗の値を測定する必要があります。 LCR サプライヤーとして、当社はこの目的のためにさまざまな高品質 LCR メーターを提供しています。たとえば、4287A Agilent LCR メータ、1 MHz ～ 3 GHzは高周波でのコンポーネントの測定に適していますが、4285A Agilent LCR メータ、75 KHz ～ 30 MHz中周波アプリケーションに最適です。のE4982A Agilent LCRメータ、1 MHz～300 MHz / 500 MHz / 1 GHz / 3 GHz広い周波数範囲と高精度を提供し、正確な測定を実現します。

調達に関するお問い合わせ先

プロジェクトに LCR コンポーネントまたは LCR メーターが必要な場合は、当社がお手伝いいたします。当社の専門家チームは、詳細な製品情報、技術サポートを提供し、特定の要件に適した製品の選択をお手伝いします。小規模のエレクトロニクス プロジェクトに取り組んでいる場合でも、大規模な産業アプリケーションに取り組んでいる場合でも、当社は必要なソリューションを提供します。調達に関する議論を開始するには、お気軽にお問い合わせください。

参考文献

• ボイルスタッド、RL、ナシェルスキー、L. (2012)。電子デバイスと回路理論。ピアソン。
• ドルフ、RC、スヴォボダ、JA (2011)。電気回路の紹介。ワイリー。
• JW ニルソン、SA リーデル (2015)。電気回路。ピアソン。