Индуктивно свързани колебателни вериги

Помислете за две колебателни вериги, разположени една спрямо друга, така че енергията да може да се прехвърля от първата верига към втората и обратно.

Осцилаторните вериги в такива условия се наричат ​​свързани вериги, тъй като електромагнитните трептения, възникващи в една от веригите, причиняват електромагнитни трептения в другата верига, а енергията се движи между тези вериги, сякаш са свързани.

Колкото по -силна е връзката между веригите, толкова повече енергия се прехвърля от една верига в друга, толкова по -интензивно веригите си влияят една на друга.

Величината на взаимосвързаността на контурите може да се изрази количествено чрез коефициента на свързване на контурите Kwv, който се измерва като процент (от 0 до 100%). Връзката на веригите е индуктивна (трансформатор), автотрансформатор или капацитивна. В тази статия ще разгледаме индуктивно свързване, тоест състояние, когато взаимодействието на веригите се осъществява само поради магнитното (електромагнитно) поле.

Индуктивното свързване се нарича още трансформаторно свързване, тъй като се осъществява поради взаимното индуктивно действие на намотките на веригите една върху друга, както е в случая в трансформатора, с единствената разлика, че колебателните вериги по принцип не могат да бъдат свързани толкова плътно, както може да се наблюдава в конвенционален трансформатор.

В система от свързани вериги, една от тях се захранва от генератор (от източник на променлив ток), тази верига се нарича първична верига. На фигурата първичната верига е тази, която се състои от елементите L1 и C1. Веригата, която получава енергия от първи контур, се нарича вторична верига, на фигурата е представена от елементи L2 и C2.

Конфигуриране на връзка и резонанс на контура

Когато токът I1 се промени в бобината L1 на първи контур (нараства или намалява), величината на индукцията на магнитното поле B1 около тази намотка се променя съответно и силовите линии на това поле пресичат завоите на вторичната намотка L2 и следователно, съгласно закона за електромагнитната индукция, индуцират в него ЕМП, което причинява тока I2 в бобината L2. Следователно се оказва, че именно чрез магнитното поле енергията от първи контур се прехвърля във вторичния, както в трансформатор.

Практически свързаните контури могат да имат постоянна или променлива връзка, която се реализира чрез метода на производство на бримките, например намотките на контурите могат да се навиват на обща рамка, като се фиксират неподвижно или има възможност за физическо движение на намотките една спрямо друга, тогава тяхната връзка е променлива. Намотките с променлива връзка са показани схематично със стрелка, пресичаща ги.

Така, както бе отбелязано по -горе, коефициентът на свързване на бобините Ksv отразява взаимното свързване на веригите като процент, на практика, ако си представим, че намотките са еднакви, тогава ще покаже каква част от магнитния поток F1 на бобината L1 също пада върху намотката L2. По -точно, коефициентът на свързване Ksv показва колко пъти EMF, индуцирана във втората верига, е по -малка от EMF, която би могла да бъде индуцирана в нея, ако всички магнитни силови линии на бобината L1 участват в нейното създаване.

За да се получат максимално наличните токове и напрежения в свързаните вериги, те трябва да останат в резонанс помежду си.

Резонансът в предавателната (първична) верига може да бъде резонанс на токове или резонанс на напрежения, в зависимост от устройството на първи контур: ако генераторът е свързан към веригата последователно, тогава резонансът ще бъде във напрежение, ако паралелно — резонансът на токовете. Във вторичната верига като правило ще има резонанс на напрежението, тъй като самата бобина L2 на практика действа като източник на променливо напрежение, свързано последователно към вторичната верига.

Като имат свързани контури с определена CWS, настройката им към резонанс се извършва в следния ред. Първичната верига е настроена така, че да получи резонанс в първи контур, тоест до достигане на максималния ток I1.

Следващата стъпка е да настроите вторичната верига на максималния ток (максимално напрежение при C2). След това се регулира първичната верига, тъй като магнитният поток Ф2 от бобината L2 сега влияе върху магнитния поток Ф1, а резонансната честота на първи контур се променя леко, тъй като веригите вече работят заедно.

Удобно е да има едновременно регулируеми кондензатори C1 и C2 при настройка на свързани вериги, направени като част от един блок (схематично, регулируемите кондензатори с общ ротор са обозначени с комбинираните пунктирани стрелки, пресичащи ги). Друга възможност за настройка е да се свържат допълнителни кондензатори с относително малък капацитет паралелно с основния.

Възможно е също така да се регулира резонансът чрез регулиране на индуктивността на намотаните бобини, например чрез преместване на сърцевината вътре в бобината. Такива «регулируеми» ядра са обозначени с пунктирани линии, които се пресичат със стрелка.

Механизмът на действие на веригите един върху друг

Защо вторичната верига засяга първичната верига и как това се случва? Токът I2 на вторичната верига създава собствен магнитен поток Ф2, който частично пресича завоите на бобината L1 и следователно индуцира в нея ЕМП, която е насочена (според правилото на Ленц) срещу тока I1 и следователно се стремим да го намалим, това търси първичната верига като допълнително съпротивление, тоест въведеното съпротивление.

Когато вторичната верига е настроена на честотата на генератора, съпротивлението, което тя въвежда в първичната верига, е чисто активно.

Въведеното съпротивление се оказва по -голямо, колкото по -силни са веригите, тоест колкото повече Kws, толкова по -голямо е съпротивлението, въведено от вторичната верига към първичната. Всъщност това съпротивление при вмъкване характеризира количеството енергия, прехвърлено към вторичната верига.

Ако вторичната верига е настроена по отношение на честотата на генератора, тогава въведеното от нея съпротивление ще има, освен активната, и реактивен компонент (капацитивен или индуктивен, в зависимост от посоката, в която е разклонена веригата).

Размерът на връзката между контурите

Помислете за графичната зависимост на тока на вторичната верига от честотата на генератора във връзка с коефициента на свързване Kww на веригите. Колкото по-малко е свързването на контурите, толкова по-рязък е резонансът и с увеличаването на Kww върхът на резонансната крива първо се изравнява (критична връзка), а след това, ако връзката стане още по-силна, тя придобива двугръб вид .

Критичната връзка се счита за оптимална от гледна точка на получаване на най -голяма мощност във вторичната верига, ако веригите са еднакви. Коефициентът на свързване за такъв оптимален режим е числено равен на стойността на затихване (реципрочната на Q-фактора на веригата Q).

Силната връзка (по -критична) образува пропадане на резонансната крива и колкото по -силна е тази връзка, толкова по -широк е честотният спад. При силно свързване на веригите енергията от първи контур се прехвърля към вторичната с ефективност над 50%; този подход се използва в случаите, когато трябва да се предава повече мощност от веригата към веригата.

Слабото свързване (по -малко от критичното) осигурява резонансна крива, чиято форма е същата като за единична верига. Слаба връзка се използва в случаите, когато няма нужда да се прехвърля значителна мощност от първи контур към вторична верига с висока ефективност и е желателно вторичната верига да повлияе възможно най -малко на първичната верига. Колкото по-висок е коефициентът на Q на вторичната верига, толкова по-голяма е амплитудата на тока в нея при резонанс. Слабата връзка е подходяща за измервателни цели в радиооборудване.