Das LC-Glied, auch LC Siebglied genannt, steht in der Elektrotechnik für eine Schaltung mit einer Induktivität L und einer Kapazität C. Als LC Glied werden die beiden Komponenten entweder in Reihe oder auch parallel geschaltet. Damit wird ein Zusammenhang zwischen Eingangsfrequenz und Ausgangsspannung erreicht, weil beide Bauteile unterschiedlich auf Spannungsänderungen reagieren.

In diesem Abschnitt wird die Funktionsweise eines LC Gliedes detailliert erklärt. Dazu ist es nötig, die elektronischen Bauteile Spule und Kondensator ein wenig besser zu verstehen. Im Anschluss werden wir klären, wie sich ein LC Glied berechnen lässt und stellen außerdem einen LC Glied Rechner zur Verfügung.

Funktionsweise von Induktivität und Kapazität

In der Elektrotechnik werden drei Arten von Lastwiderständen unterschieden: ohmsche, induktive und kapazitive Widerstände. Ohmsche Widerstände sind unabhängig von der Frequenz und bleiben immer gleich. Induktive und kapazitive Widerstände hingegen verändern sich mit der Frequenz der angelegten Spannung. Das kommt durch den induktiven Blindwiderstand \(X_L\) und den kapazitiven Blindwiderstand \(X_C\).

Fließt ein Wechselstrom durch eine Spule, dann wird in dieser ein Magnetfeld auf- und abgebaut. Der Elektroniker spricht von Induktion. Die induzierte Spannung wirkt dabei der angelegten Spannung entgegen, wodurch der induktive Blindwiderstand \(X_L\) entsteht. Der Effekt der Induktion verstärkt sich mit steigender Frequenz. Der Strom fließt in der Spule immer verzögert, eilt also der Spannung hinterher.

Der Kondensator stellt im Prinzip eine Batterie mit sehr kleiner Kapazität dar. Er kann aufgeladen und wieder entladen werden. Der Kondensator würde in einem Gleichstromkreis wie ein nahezu unendlich großer Widerstand wirken. In einem Wechselstromkreis hingegen wird er durch die wechselnde Stromrichtung dauerhaft aufgeladen und wieder entladen. Im Grunde fließt der Strom also gar nicht wirklich durch den Kondensator hindurch. Bei dieser andauernden Auf- und Entladung entsteht der kapazitive Blindwiderstand \(X_C\). Je höher die Frequenz, umso kürzer werden die Ladezyklen des Kondensators und umso geringer wird sein Blindwiderstand.

LC Glied – Schaltungsvarianten

Durch die Verschaltung von Spule und Kondensator wird eine Schaltung aufgebaut, deren Ausgangsspannung sich mit der Frequenz der Eingangsspannung ändert. Es lassen sich mit einer identischen Schaltung unterschiedliche Filter aufbauen. Die Art des Filters richtet sich danach, ob es sich um eine Reihen- oder Parallelschaltung handelt und an welcher Stelle die Ausgangsspannung abgegriffen wird. Häufig genutzte Schaltungen mit LC Siebglied sind Hochpass, Tiefpass, Bandpass und Bandsperre.

Tiefpass

Der LC Tiefpass entsteht durch die Reihenschaltung der beiden Elemente, wenn die Ausgangsspannung über dem Kondensator abgegriffen wird. Bei einer hohen Frequenz sinkt der Blindwiderstand des Kondensators und der Blindwiderstand der Spule erhöht sich. Folglich bleibt nur eine sehr kleine Ausgangsspannung. Mit sinkender Frequenz allerdings steigt der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators und damit auch die abgegriffene Ausgangsspannung. Es handelt sich um einen Tiefpass der 2. Ordnung, der mit unserem LC Tiefpass Rechner bestimmt werden kann.

Hochpass

Beim LC Hochpass können hohe Frequenzen passieren, während niedrige Frequenzen geschwächt oder blockiert werden. Dazu wird bei einer Reihenschaltung von Induktivität und Kapazität die Ausgangsspannung über der Induktivität abgegriffen. Ist die Frequenz der Eingangsspannung niedrig, fällt die Spannung über dem Kondensator ab und die Ausgangsspannung bleibt sehr klein. Bei einer steigenden Frequenz hingegen fällt immer mehr Spannung über der Induktivität ab und kann als Ausgangsspannung genutzt werden. Der LC Hochpass ist ebenfalls 2. Ordnung und lässt mit dem LC Hochpass Rechner bestimmen.

Bandpass

Ein LC Bandpass entsteht durch eine LC Reihenschaltung und eine LC Parallelschaltung. Diese beiden Glieder werden in Reihe geschaltet und die Ausgangsspannung über der Parallelschaltung abgegriffen. Durch das Zusammenwirken der beiden Elemente ergibt sich eine Ausgangsspannung, die in einem bestimmten Frequenzband am höchsten ist. Oberhalb und unterhalb dieses Frequenzbandes nimmt die Ausgangsspannung ab. Der Mittelpunkt dieses Bandes wird als Mittenfrequenz bezeichnet. Da die Berechnung komplex ist, stellen wir einen LC Bandpass Rechner zur Verfügung.

Bandsperre

Die LC Bandsperre wird identisch mit dem LC Bandpass aufgebaut. Lediglich die Ausgangsspannung muss über der Reihenschaltung abgegriffen werden. Die Bandsperre verhält sich entgegengesetzt dem Bandpass, indem sie ein Frequenzband schwächt beziehungsweise sperrt. Frequenzen darüber und darunter können passieren. Auch hier ist die Mittenfrequenz das Zentrum der Kurve im Diagramm. Ein Bandsperren LC Glied zu berechnen ist komplex, weshalb der LC Bandsperre Rechner eine große Hilfe darstellen kann.

LC Glied Anwendungsbereiche

Die Effekte von Spule und Kondensator werden in erster Linie genutzt, um Frequenzen zu filtern. Beim Bau von Lautsprechern beispielsweise können somit beim Hoch-, Mittel- und Tieftöner die jeweils anderen Frequenzbereiche gefiltert werden. Das verbessert den Klang deutlich, da der Tieftöner keine hohen Töne wiedergeben kann und umgekehrt.

Geräte zum kabellosen Senden von Signalen erzeugen oftmals unerwünschte Frequenzen, die nicht mit abgestrahlt werden sollen. Diese können mit einem richtig dimensionierten LC Siebglied vor der Weiterleitung zur Antenne herausgefiltert werden. Für große Sendeleistungen sind derartige Filter sogar zwingend vorgeschrieben.

Funkempfänger benötigen nur die Frequenzbänder, welche sie auch empfangen sollen. Andere Frequenzen verschlechtern lediglich die Signalqualität in Form von Nebengeräuschen wie Rauschen und Knistern. Eventuell würde das Gerät sogar Signale wiedergeben, die es von anderen Frequenzen auffängt. Mit dem LC-Glied als Bandpass können die durchgelassenen Frequenzen begrenzt werden und die Signalqualität verbessert sich.

Noch ein mögliches Beispiel für einen Frequenzfilter ist die Sendersuche mit Radios. Wollen wir einen bestimmten Sender anhören, stellen wir das Radio auf dessen Frequenz ein. Alle anderen Frequenzen werden herausgefiltert, um einen möglichst störungsfreien Empfang zu sichern. In Übergangsbereichen ist dabei oftmals eine Überlagerung der beiden angrenzenden Sender zu hören.