Induktiv gekoppelte Schwingkreise

Stellen Sie sich zwei Schwingkreise vor, die relativ zueinander positioniert sind, sodass Energie vom ersten zum zweiten Kreis und umgekehrt übertragen werden kann.

Oszillatorkreise werden unter solchen Bedingungen als gekoppelte Kreise bezeichnet, da elektromagnetische Schwingungen, die in einem der Kreise auftreten, elektromagnetische Schwingungen im anderen Kreis verursachen und sich Energie zwischen diesen Kreisen bewegt, als ob sie verbunden wären.

Je stärker die Verbindung zwischen den Ketten ist, desto mehr Energie wird von einer Kette auf die andere übertragen, desto stärker beeinflussen sich die Ketten gegenseitig.

Die Größe der Schleifenverbindung kann durch den Schleifenkopplungskoeffizienten Kwv quantifiziert werden, der als Prozentsatz (von 0 bis 100 %) gemessen wird. Die Schaltungsverbindung ist induktiv (Transformator), Spartransformator oder kapazitiv. In diesem Artikel betrachten wir die induktive Kopplung, also einen Zustand, in dem die Wechselwirkung der Schaltkreise nur aufgrund des magnetischen (elektromagnetischen) Feldes stattfindet.

Die induktive Kopplung wird auch als Transformatorkopplung bezeichnet, da sie aufgrund der gegenseitigen induktiven Wirkung der Wicklungen des Stromkreises aufeinander erfolgt, wie in im Transformator, mit dem einzigen Unterschied, dass die Schwingkreise grundsätzlich nicht so eng gekoppelt sein können, wie dies bei einem herkömmlichen Transformator der Fall ist.

In einem System verbundener Stromkreise wird einer von ihnen von einem Generator (aus einer Wechselstromquelle) gespeist. Dieser Stromkreis wird als Primärstromkreis bezeichnet. In der Abbildung ist der Primärkreis derjenige, der aus den Elementen L1 und C1 besteht. Der Stromkreis, der Energie vom Primärstromkreis erhält, wird als Sekundärstromkreis bezeichnet und in der Abbildung durch die Elemente L2 und C2 dargestellt.

Verbindungskonfiguration und Schleifenresonanz

Wenn sich der Strom I1 in der Spule L1 der Primärschleife ändert (zunimmt oder abnimmt), ändert sich die Stärke der Induktion des Magnetfelds B1 um diese Spule entsprechend und die Kraftlinien dieses Feldes kreuzen die Windungen der Sekundärspule L2 und induzieren daher nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion darin eine EMF, die den Strom I2 in der Spule L2 verursacht. Daher stellt sich heraus, dass die Energie vom Primärkreis wie bei einem Transformator durch das Magnetfeld auf den Sekundärkreis übertragen wird.

Praktisch verbundene Schleifen können eine konstante oder variable Verbindung aufweisen, die durch die Art der Herstellung der Schleifen realisiert wird, beispielsweise können die Spulen der Schleifen auf einen gemeinsamen Rahmen gewickelt werden, der ortsfest fixiert ist, oder es besteht die Möglichkeit einer physischen Bewegung der Spulen relativ zueinander, dann ist ihr Verhältnis variabel. Variable Link-Spulen sind schematisch mit einem sie durchkreuzenden Pfeil dargestellt.

Wie oben erwähnt, spiegelt der Kopplungskoeffizient der Spulen Ksv die prozentuale Verbindung der Stromkreise wider. Wenn wir uns in der Praxis vorstellen, dass die Wicklungen gleich sind, zeigt sich, wie groß der magnetische Fluss F1 ist Spule L1 fällt auch auf Spule L2. Genauer gesagt zeigt der Kopplungskoeffizient Ksv, wie oft die im zweiten Stromkreis induzierte EMF kleiner ist als die EMF, die darin induziert werden könnte, wenn alle magnetischen Kraftlinien der Spule L1 an ihrer Entstehung beteiligt wären.

Um die maximal verfügbaren Ströme und Spannungen in den angeschlossenen Stromkreisen zu erhalten, müssen diese erhalten bleiben in Resonanz miteinander.

Die Resonanz im Übertragungskreis (Primärkreis) kann je nach Gerät des Primärkreises eine Resonanz von Strömen oder eine Resonanz von Spannungen sein: Wenn der Generator in Reihe mit dem Stromkreis verbunden ist, liegt die Resonanz in der Spannung, wenn parallel - die Resonanz von Strömen. Normalerweise kommt es zu Spannungsresonanzen im Sekundärkreis, da die Spule L2 selbst effektiv als Wechselspannungsquelle fungiert, die in Reihe mit dem Sekundärkreis geschaltet ist.

Nachdem Schleifen einem bestimmten CWS zugeordnet wurden, erfolgt ihre Abstimmung auf Resonanz in der folgenden Reihenfolge. Der Primärkreis ist so abgestimmt, dass in der Primärschleife Resonanz entsteht, d. h. bis der maximale Strom I1 erreicht ist.

Im nächsten Schritt wird der Sekundärkreis auf maximalen Strom (maximale Spannung an C2) eingestellt. Der Primärkreis wird dann angepasst, da der Magnetfluss F2 von Spule L2 nun den Magnetfluss F1 beeinflusst und sich die Resonanzfrequenz der Primärschleife geringfügig ändert, da die Kreise jetzt zusammenarbeiten.

Es ist praktisch, die einstellbaren Kondensatoren C1 und C2 gleichzeitig zu haben, wenn verbundene Schaltkreise als Teil eines einzelnen Blocks aufgebaut werden (regelmäßige Kondensatoren mit einem gemeinsamen Rotor werden schematisch durch die sie kreuzenden kombinierten gepunkteten Pfeile angezeigt). Eine andere Möglichkeit der Anpassung besteht darin, zusätzliche Kondensatoren mit relativ geringer Kapazität parallel zum Hauptkondensator zu schalten.

Es ist auch möglich, die Resonanz anzupassen, indem man die Induktivität der gewickelten Spulen anpasst, beispielsweise indem man den Kern innerhalb der Spule bewegt. Solche „abstimmbaren“ Kerne sind durch gestrichelte Linien angedeutet, die von einem Pfeil gekreuzt sind.

Der Wirkungsmechanismus von Ketten aufeinander

Warum beeinflusst der Sekundärkreis den Primärkreis und wie kommt es dazu? Der Strom I2 des Sekundärkreises erzeugt seinen eigenen magnetischen Fluss F2, der teilweise die Windungen der Spule L1 kreuzt und daher in ihr eine EMF induziert, die gerichtet ist (nach der Lenzschen Regel) gegen den Strom I1 und deshalb versuchen wir ihn zu reduzieren, so sucht der Primärkreis einen zusätzlichen Widerstand, also den eingeführten Widerstand.

Wenn der Sekundärkreis auf die Generatorfrequenz abgestimmt ist, ist der Widerstand, den er in den Primärkreis einbringt, rein aktiv.

Der eingeführte Widerstand ist umso größer, je stärker die Stromkreise sind, d. h. je mehr Kws, desto größer ist der Widerstand, den der Sekundärstromkreis dem Primärstromkreis verleiht. Tatsächlich charakterisiert dieser Einfügungswiderstand die Energiemenge, die an den Sekundärkreis übertragen wird.

Wenn der Sekundärkreis auf die Frequenz des Generators abgestimmt ist, hat der von ihm eingeführte Widerstand zusätzlich zum aktiven einen Blindanteil (kapazitiv oder induktiv, je nachdem, in welche Richtung der Kreis verzweigt ist). .

Die Größe der Verbindung zwischen Konturen

Betrachten Sie die grafische Abhängigkeit des Stroms des Sekundärkreises von der Frequenz des Generators im Verhältnis zum Kopplungsfaktor Kww der Kreise. Je geringer die Kopplung der Konturen ist, desto schärfer ist die Resonanz, und mit zunehmendem Kww flacht die Spitze der Resonanzkurve zunächst ab (kritische Kopplung) und erhält dann, wenn die Kopplung noch stärker wird, ein doppelseitiges Aussehen.

Die kritische Verbindung gilt als optimal im Hinblick auf die Erzielung der größten Leistung im Sekundärkreis, wenn die Kreise identisch sind. Der Kopplungsfaktor für einen solchen optimalen Modus ist numerisch gleich dem Dämpfungswert (dem Kehrwert des Q-Faktors der Schaltung Q).

Die starke Verbindung (kritischer) bildet einen Einbruch in der Resonanzkurve, und je stärker diese Verbindung ist, desto größer ist der Frequenzabfall. Bei einer starken Verbindung der Stromkreise wird die Energie vom Primärkreis mit einem Wirkungsgrad von mehr als 50 % auf den Sekundärkreis übertragen; Dieser Ansatz wird in Fällen verwendet, in denen mehr Leistung von Stromkreis zu Stromkreis übertragen werden muss.

Eine schwache Kopplung (weniger als kritisch) führt zu einer Resonanzkurve, deren Form die gleiche ist wie bei einem Einzelkreis. Eine schwache Kopplung wird in Fällen verwendet, in denen es nicht erforderlich ist, signifikante Leistung mit hoher Effizienz vom Primärkreis zum Sekundärkreis zu übertragen, und es wünschenswert ist, dass der Sekundärkreis den Primärkreis so wenig wie möglich beeinflusst.Je höher der Q-Faktor des Sekundärkreises ist, desto größer ist die Amplitude des Stroms darin bei Resonanz. Das schwache Glied eignet sich für Messzwecke in Funkgeräten.