Indukčně vázané oscilační obvody

Uvažujme dva oscilační obvody umístěné vůči sobě tak, že energie může být přenášena z prvního obvodu do druhého a naopak.

Obvody oscilátorů se v takových podmínkách nazývají vázané obvody, protože elektromagnetické oscilace vyskytující se v jednom z obvodů způsobují elektromagnetické oscilace v druhém obvodu a energie se mezi těmito obvody pohybuje, jako by byly spojeny.

Čím pevnější je spojení mezi řetězci, tím více energie se přenáší z jednoho řetězce do druhého, tím intenzivněji se řetězce vzájemně ovlivňují.

Velikost propojení smyčky lze kvantifikovat pomocí koeficientu vazby smyčky Kwv, který se měří v procentech (od 0 do 100 %). Zapojení obvodu je indukční (transformátorové), autotransformátorové nebo kapacitní. V tomto článku se budeme zabývat indukční vazbou, tedy stavem, kdy k interakci obvodů dochází pouze díky magnetickému (elektromagnetickému) poli.

Indukční vazba se také nazývá vazba transformátorová, protože k ní dochází v důsledku vzájemného indukčního působení vinutí obvodu na sebe, jako např. v transformátoru, jen s tím rozdílem, že oscilační obvody nelze v zásadě tak těsně propojit, jak je to možné pozorovat u běžného transformátoru.

V soustavě propojených obvodů je jeden z nich napájen generátorem (ze zdroje střídavého proudu), tento obvod se nazývá primární obvod. Na obrázku je primární okruh ten, který se skládá z prvků L1 a C1. Okruh, který přijímá energii z primárního okruhu, se nazývá sekundární okruh, na obrázku je znázorněn prvky L2 a C2.

Konfigurace spojení a rezonance smyčky

Když se proud I1 v cívce L1 primární smyčky změní (zvětší nebo sníží), změní se odpovídajícím způsobem velikost indukce magnetického pole B1 kolem této cívky a siločáry tohoto pole protínají závity sekundární cívky L2. a proto v něm podle zákona elektromagnetické indukce indukujte EMF, které způsobí proud I2 v cívce L2. Proto se ukazuje, že právě přes magnetické pole se energie z primárního okruhu přenáší do sekundárního, jako v transformátoru.

Prakticky spojené smyčky mohou mít stálé nebo variabilní zapojení, které je realizováno způsobem výroby smyček, např. cívky smyček mohou být navinuty na společném rámu, pevné stacionárně, nebo je zde možnost fyzického pohyb cívek vůči sobě, pak je jejich vztah proměnný. Cívky proměnných článků jsou schematicky znázorněny se šipkou protínající je.

Jak je tedy uvedeno výše, koeficient vazby cívek Ksv odráží propojení obvodů v procentech, v praxi, pokud si představíme, že vinutí jsou stejná, pak ukáže, kolik magnetického toku F1 cívka L1 také padá na cívku L2. Přesněji, vazební koeficient Ksv ukazuje, kolikrát je EMF indukované ve druhém obvodu menší než EMF, které by se v něm mohlo indukovat, kdyby se na jeho vzniku podílely všechny magnetické siločáry cívky L1.

Aby bylo možné získat maximální dostupné proudy a napětí v připojených obvodech, musí zůstat ve vzájemné rezonanci.

Rezonance v přenosovém (primárním) obvodu může být rezonance proudů nebo rezonance napětí, v závislosti na zařízení primárního okruhu: pokud je generátor připojen k obvodu sériově, pak bude rezonance v napětí, pokud je paralelní - rezonance proudů. V sekundárním obvodu bude normálně docházet k rezonanci napětí, protože samotná cívka L2 účinně působí jako zdroj střídavého napětí zapojený do série se sekundárním obvodem.

Po přiřazení smyček k určitému CWS se jejich ladění na rezonanci provádí v následujícím pořadí. Primární obvod je laděn tak, aby získal rezonanci v primární smyčce, to znamená, dokud není dosaženo maximálního proudu I1.

Dalším krokem je nastavení sekundárního okruhu na maximální proud (maximální napětí na C2). Primární obvod je poté upraven, protože magnetický tok F2 z cívky L2 nyní ovlivňuje magnetický tok F1 a rezonanční frekvence primární smyčky se mírně mění, protože obvody nyní spolupracují.

Při sestavování připojených obvodů je vhodné mít současně nastavitelné kondenzátory C1 a C2 vytvořené jako součást jednoho bloku (schematicky jsou nastavitelné kondenzátory se společným rotorem označeny sdruženými tečkovanými šipkami, které je protínají). Další možností úpravy je zapojit paralelně s hlavním kondenzátorem další kondenzátory relativně malé kapacity.

Je také možné upravit rezonanci úpravou indukčnosti vinutých cívek, například pohybem jádra uvnitř cívky. Takto „laditelná“ jádra jsou označena přerušovanými čarami, které jsou překříženy šipkou.

Mechanismus působení řetězců na sebe

Proč sekundární okruh ovlivňuje primární okruh a jak k tomu dochází? Proud I2 sekundárního obvodu vytváří vlastní magnetický tok F2, který částečně protíná závity cívky L1 a tím v ní indukuje EMF, který je směrován (podle Lenzova pravidla) proti proudu I1 a proto se snažíme jej snížit, to hledá primární obvod jako přídavný odpor, tedy zavedený odpor.

Když je sekundární obvod naladěn na frekvenci generátoru, odpor, který vnáší do primárního obvodu, je čistě aktivní.

Zavedený odpor se ukazuje být větší, čím silnější jsou obvody, to znamená čím více Kws, tím větší odpor zavádí sekundární obvod do primárního. Ve skutečnosti tento vkládací odpor charakterizuje množství energie přenesené do sekundárního okruhu.

Je-li sekundární obvod laděn s ohledem na frekvenci generátoru, pak jím zaváděný odpor bude mít kromě aktivního ještě reaktivní složku (kapacitní nebo indukční, podle směru větvení obvodu) .

Velikost spojení mezi obrysy

Uvažujme grafickou závislost proudu sekundárního okruhu na frekvenci generátoru ve vztahu k vazebnímu činiteli Kww obvodů. Čím menší je vazba kontur, tím ostřejší je rezonance, a jak se Kww zvyšuje, vrchol rezonanční křivky se nejprve zplošťuje (kritická vazba) a poté, pokud se vazba ještě zesílí, získá vzhled se dvěma hřbety.

Kritické zapojení je považováno za optimální z hlediska získání největšího výkonu v sekundárním okruhu, pokud jsou okruhy totožné. Vazební faktor pro takový optimální režim je číselně roven hodnotě útlumu (převrácená hodnota Q-faktoru obvodu Q).

Silné spojení (kritičtější) vytváří pokles v rezonanční křivce a čím silnější je toto spojení, tím širší je pokles frekvence. Při pevném zapojení okruhů se energie z primární smyčky přenáší do sekundární s účinností více než 50 %; tento přístup se používá v případech, kdy je potřeba přenést větší výkon z obvodu do obvodu.

Slabá vazba (méně než kritická) poskytuje rezonanční křivku, jejíž tvar je stejný jako u jednoho obvodu. Slabá vazba se používá v případech, kdy není potřeba převádět významný výkon z primární smyčky do sekundárního okruhu s vysokou účinností a je žádoucí, aby sekundární okruh co nejméně ovlivňoval primární okruh.Čím vyšší je Q-faktor sekundárního obvodu, tím větší je amplituda proudu v něm při rezonanci. Slabý článek je vhodný pro účely měření v rádiových zařízeních.