Obwody oscylacyjne sprzężone indukcyjnie

Rozważmy dwa oscylujące obwody ustawione względem siebie w taki sposób, że energia może być przenoszona z pierwszego obwodu do drugiego i odwrotnie.

Obwody oscylatora w takich warunkach nazywane są obwodami sprzężonymi, ponieważ oscylacje elektromagnetyczne występujące w jednym z obwodów powodują oscylacje elektromagnetyczne w drugim obwodzie, a energia przemieszcza się pomiędzy tymi obwodami tak, jakby były ze sobą połączone.

Im silniejsze połączenie między łańcuchami, tym więcej energii jest przenoszone z jednego łańcucha do drugiego, tym intensywniej łańcuchy wpływają na siebie.

Wielkość wzajemnego połączenia pętli można określić ilościowo za pomocą współczynnika sprzężenia pętli Kwv, który jest mierzony w procentach (od 0 do 100%). Połączenie obwodu jest indukcyjne (transformatorowe), autotransformatorowe lub pojemnościowe. W tym artykule rozważymy sprzężenie indukcyjne, czyli stan, w którym interakcja obwodów odbywa się tylko z powodu pola magnetycznego (elektromagnetycznego).

Sprzężenie indukcyjne nazywane jest również sprzężeniem transformatorowym, ponieważ zachodzi dzięki wzajemnemu indukcyjnemu oddziaływaniu uzwojeń obwodu na siebie, jak w w transformatorze, z tą tylko różnicą, że obwody oscylacyjne nie mogą w zasadzie być sprzężone tak ściśle, jak można to zaobserwować w konwencjonalnym transformatorze.

W układzie połączonych obwodów, z których jeden zasilany jest z generatora (ze źródła prądu przemiennego), obwód ten nazywany jest obwodem pierwotnym. Na rysunku obwód pierwotny to ten, który składa się z elementów L1 i C1. Obwód, który odbiera energię z obwodu pierwotnego, nazywany jest obwodem wtórnym, na rysunku jest reprezentowany przez elementy L2 i C2.

Konfiguracja łącza i rezonans pętli

Gdy prąd I1 zmienia się w cewce L1 pętli pierwotnej (wzrasta lub maleje), wielkość indukcji pola magnetycznego B1 wokół tej cewki odpowiednio się zmienia, a linie siły tego pola przecinają zwoje cewki wtórnej L2 a zatem zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej indukujemy w nim pole elektromagnetyczne, które powoduje przepływ prądu I2 w cewce L2. Okazuje się zatem, że to przez pole magnetyczne energia z obwodu pierwotnego jest przekazywana do wtórnego, jak w transformatorze.

Praktycznie połączone pętle mogą mieć stałe lub zmienne połączenie, co jest realizowane metodą produkcji pętli, na przykład cewki pętli mogą być nawinięte na wspólną ramę, zamocowaną nieruchomo lub istnieje możliwość fizycznego ruch cewek względem siebie, to ich stosunek jest zmienny. Cewki z ogniwami zmiennymi są pokazane schematycznie z przecinającą je strzałką.

Tak więc, jak wspomniano powyżej, współczynnik sprzężenia cewek Ksv odzwierciedla wzajemne połączenie obwodów w procentach, w praktyce, jeśli wyobrazimy sobie, że uzwojenia są takie same, to pokaże, ile strumienia magnetycznego F1 z cewka L1 spada również na cewkę L2. Dokładniej, współczynnik sprzężenia Ksv pokazuje, ile razy SEM indukowane w drugim obwodzie jest mniejsze niż SEM, które mogłoby być w nim indukowane, gdyby wszystkie linie magnetyczne cewki L1 były zaangażowane w jego tworzenie.

Aby uzyskać maksymalne dostępne prądy i napięcia w podłączonych obwodach, muszą one pozostać w rezonansie ze sobą.

Rezonans w obwodzie transmisyjnym (pierwotnym) może być rezonansem prądów lub rezonansem napięć, w zależności od urządzenia obwodu pierwotnego: jeśli generator jest podłączony do obwodu szeregowo, wówczas rezonans będzie w napięciu, jeśli równolegle - rezonans prądów. Zwykle w obwodzie wtórnym występuje rezonans napięcia, ponieważ sama cewka L2 skutecznie działa jako źródło napięcia prądu przemiennego połączone szeregowo z obwodem wtórnym.

Mając skojarzone pętle z określonym CWS, ich strojenie do rezonansu odbywa się w następującej kolejności. Obwód pierwotny jest strojony w celu uzyskania rezonansu w obwodzie pierwotnym, czyli do momentu osiągnięcia maksymalnego prądu I1.

Następnym krokiem jest ustawienie obwodu wtórnego na maksymalny prąd (maksymalne napięcie na C2). Obwód pierwotny jest następnie regulowany, ponieważ strumień magnetyczny F2 z cewki L2 wpływa teraz na strumień magnetyczny F1, a częstotliwość rezonansowa pętli pierwotnej zmienia się nieznacznie, ponieważ obwody działają teraz razem.

Wygodne jest posiadanie regulowanych kondensatorów C1 i C2 w tym samym czasie podczas ustawiania połączonych obwodów wykonanych jako część jednego bloku (schematycznie regulowane kondensatory ze wspólnym wirnikiem są oznaczone połączonymi kropkowanymi strzałkami przecinającymi je). Inną możliwością regulacji jest podłączenie równolegle z głównym kondensatorem dodatkowych kondensatorów o stosunkowo małej pojemności.

Możliwa jest również regulacja rezonansu poprzez regulację indukcyjności uzwojonych cewek, na przykład poprzez przesunięcie rdzenia wewnątrz cewki. Takie „przestrajalne” rdzenie są oznaczone liniami przerywanymi, które są przecinane strzałką.

Mechanizm wzajemnego oddziaływania łańcuchów

Dlaczego obwód wtórny wpływa na obwód pierwotny i jak to się dzieje? Prąd I2 obwodu wtórnego wytwarza własny strumień magnetyczny F2, który częściowo przecina zwoje cewki L1, a zatem indukuje w niej pole elektromagnetyczne, które jest skierowane (zgodnie z regułą Lenza) pod prąd I1 i dlatego dążymy do jego zmniejszenia, to szuka obwodu pierwotnego jako dodatkowego oporu, czyli wprowadzonego oporu.

Kiedy obwód wtórny jest dostrojony do częstotliwości generatora, rezystancja, którą wprowadza do obwodu pierwotnego, jest czysto aktywna.

Wprowadzona rezystancja okazuje się tym większa, im silniejsze obwody, czyli im więcej Kws, tym większy opór wprowadzany przez obwód wtórny do pierwotnego. W rzeczywistości ta rezystancja wstawiania charakteryzuje ilość energii przenoszonej do obwodu wtórnego.

Jeżeli obwód wtórny jest dostrojony względem częstotliwości generatora, to wprowadzana przez niego rezystancja będzie miała oprócz czynnej składową reaktywną (pojemnościową lub indukcyjną, w zależności od kierunku rozgałęzienia obwodu) .

Rozmiar połączenia między konturami

Rozważ graficzną zależność prądu obwodu wtórnego od częstotliwości generatora w odniesieniu do współczynnika sprzężenia Kww obwodów. Im mniejsze sprzężenie konturów, tym ostrzejszy rezonans, a wraz ze wzrostem Kww szczyt krzywej rezonansowej najpierw spłaszcza się (sprzężenie krytyczne), a następnie, jeśli sprzężenie staje się jeszcze silniejsze, uzyskuje wygląd podwójnego podkładu.

Połączenie krytyczne uważa się za optymalne z punktu widzenia uzyskania jak największej mocy w obwodzie wtórnym, jeżeli obwody są identyczne. Współczynnik sprzężenia dla takiego optymalnego trybu jest liczbowo równy wartości tłumienia (odwrotność współczynnika Q obwodu Q).

Silne połączenie (bardziej krytyczne) tworzy spadek na krzywej rezonansowej, a im silniejsze to połączenie, tym większy spadek częstotliwości. Przy silnym połączeniu obwodów energia z pętli pierwotnej jest przenoszona do wtórnej z wydajnością ponad 50%; podejście to jest stosowane w przypadkach, gdy konieczne jest przeniesienie większej mocy z obwodu do obwodu.

Słabe sprzężenie (mniej niż krytyczne) zapewnia krzywą rezonansową, której kształt jest taki sam jak dla pojedynczego obwodu. Słabe sprzężenie stosuje się w przypadkach, gdy nie ma potrzeby przenoszenia znacznej mocy z pętli pierwotnej do obwodu wtórnego z dużą wydajnością i pożądane jest, aby obwód wtórny wpływał na obwód pierwotny w jak najmniejszym stopniu.Im wyższy współczynnik Q obwodu wtórnego, tym większa amplituda prądu w nim w rezonansie. Słabe łącze nadaje się do celów pomiarowych w sprzęcie radiowym.