Circuiti oscillanti accoppiati induttivamente

Considera due circuiti oscillanti posizionati l'uno rispetto all'altro in modo che l'energia possa essere trasferita dal primo circuito al secondo e viceversa.

I circuiti dell'oscillatore in tali condizioni sono chiamati circuiti accoppiati, poiché le oscillazioni elettromagnetiche che si verificano in uno dei circuiti causano oscillazioni elettromagnetiche nell'altro circuito e l'energia si sposta tra questi circuiti come se fossero collegati.

Più forte è il collegamento tra le catene, più energia viene trasferita da una catena all'altra, più intensamente le catene si influenzano a vicenda.

L'entità dell'interconnessione ad anello può essere quantificata dal coefficiente di accoppiamento ad anello Kwv, che viene misurato in percentuale (da 0 a 100%). Il collegamento del circuito è induttivo (trasformatore), autotrasformatore o capacitivo. In questo articolo considereremo l'accoppiamento induttivo, ovvero uno stato in cui l'interazione dei circuiti avviene solo a causa del campo magnetico (elettromagnetico).

L'accoppiamento induttivo è anche chiamato accoppiamento del trasformatore perché avviene a causa della reciproca azione induttiva degli avvolgimenti del circuito l'uno sull'altro, come in nel trasformatore, con l'unica differenza che i circuiti oscillanti non possono, in linea di principio, essere accoppiati così strettamente come si può osservare in un trasformatore convenzionale.

In un sistema di circuiti collegati, uno di essi è alimentato da un generatore (da una sorgente di corrente alternata), questo circuito è chiamato circuito primario. Nella figura il circuito primario è quello costituito dagli elementi L1 e C1. Il circuito che riceve energia dal circuito primario è detto circuito secondario, nella figura è rappresentato dagli elementi L2 e C2.

Configurazione del link e risonanza del loop

Quando la corrente I1 cambia nella bobina L1 dell'anello primario (aumenta o diminuisce), l'entità dell'induzione del campo magnetico B1 attorno a questa bobina cambia di conseguenza e le linee di forza di questo campo incrociano le spire dell'avvolgimento secondario L2 e quindi, secondo la legge dell'induzione elettromagnetica , indurre un EMF in esso, che provoca la corrente I2 nella bobina L2. Pertanto, risulta che è attraverso il campo magnetico che l'energia dal circuito primario viene trasferita al secondario, come in un trasformatore.

I loop praticamente collegati possono avere una connessione costante o variabile, che viene realizzata dal metodo di produzione dei loop, ad esempio, le bobine dei loop possono essere avvolte su un telaio comune, essendo fisse stazionarie, oppure esiste la possibilità di fisica movimento delle bobine l'una rispetto all'altra, quindi la loro relazione è variabile. Le bobine a collegamento variabile sono mostrate schematicamente con una freccia che le attraversa.

Pertanto, come notato sopra, il coefficiente di accoppiamento delle bobine Ksv riflette l'interconnessione dei circuiti in percentuale, in pratica, se immaginiamo che gli avvolgimenti siano gli stessi, allora mostrerà quanto del flusso magnetico F1 del anche la bobina L1 cade sulla bobina L2. Più precisamente, il coefficiente di accoppiamento Ksv mostra quante volte la FEM indotta nel secondo circuito è inferiore alla FEM che potrebbe essere indotta in esso se tutte le linee di forza magnetiche della bobina L1 fossero coinvolte nella sua creazione.

Per ottenere le massime correnti e tensioni disponibili nei circuiti collegati, devono rimanere in risonanza tra loro.

La risonanza nel circuito di trasmissione (primario) può essere risonanza di correnti o risonanza di tensioni, a seconda del dispositivo del circuito primario: se il generatore è collegato al circuito in serie, la risonanza sarà in tensione, se in parallelo - la risonanza delle correnti. Normalmente ci sarà risonanza di tensione nel circuito secondario, poiché la stessa bobina L2 agisce effettivamente come una sorgente di tensione CA collegata in serie al circuito secondario.

Avendo associato i loop con un certo CWS, la loro sintonizzazione alla risonanza viene eseguita nel seguente ordine. Il circuito primario è sintonizzato per ottenere la risonanza nell'anello primario, cioè fino al raggiungimento della corrente massima I1.

Il passaggio successivo consiste nell'impostare il circuito secondario alla massima corrente (tensione massima su C2). Il circuito primario viene quindi regolato perché il flusso magnetico F2 dalla bobina L2 ora influenza il flusso magnetico F1 e la frequenza di risonanza del circuito primario cambia leggermente perché i circuiti ora lavorano insieme.

È conveniente avere contemporaneamente condensatori regolabili C1 e C2 quando si impostano circuiti collegati realizzati come parte di un singolo blocco (schematicamente, i condensatori regolabili con un rotore comune sono indicati dalle frecce tratteggiate combinate che li attraversano). Un'altra possibilità di regolazione è quella di collegare condensatori aggiuntivi di capacità relativamente piccola in parallelo a quello principale.

È anche possibile regolare la risonanza regolando l'induttanza delle bobine avvolte, ad esempio spostando il nucleo all'interno della bobina. Tali nuclei "sintonizzabili" sono indicati da linee tratteggiate, attraversate da una freccia.

Il meccanismo d'azione delle catene l'una sull'altra

Perché il circuito secondario influisce sul circuito primario e come accade? La corrente I2 del circuito secondario crea il proprio flusso magnetico F2, che attraversa parzialmente le spire della bobina L1 e quindi induce in essa un EMF, che è diretto (secondo la regola di Lenz) contro la corrente I1 e quindi cerchiamo di ridurla, questo cerca il circuito primario come resistenza aggiuntiva, cioè la resistenza introdotta.

Quando il circuito secondario è sintonizzato sulla frequenza del generatore, la resistenza che introduce nel circuito primario è puramente attiva.

La resistenza introdotta risulta essere tanto maggiore quanto più forti sono i circuiti, cioè più Kws, tanto maggiore è la resistenza introdotta dal circuito secondario al primario. Questa resistenza di inserzione caratterizza infatti la quantità di energia trasferita al circuito secondario.

Se il circuito secondario è sintonizzato rispetto alla frequenza del generatore, allora la resistenza da esso introdotta avrà, oltre a quella attiva, una componente reattiva (capacitiva o induttiva, a seconda del verso in cui è ramificato il circuito) .

La dimensione della connessione tra i contorni

Si consideri la dipendenza grafica della corrente del circuito secondario dalla frequenza del generatore in relazione al fattore di accoppiamento Kww dei circuiti. Più piccolo è l'accoppiamento dei contorni, più acuta è la risonanza, e all'aumentare di Kww, il picco della curva di risonanza prima si appiattisce (accoppiamento critico), e poi, se l'accoppiamento diventa ancora più forte, acquista un aspetto a doppio dorso.

La connessione critica è considerata ottimale dal punto di vista dell'ottenimento della massima potenza nel circuito secondario se i circuiti sono identici. Il fattore di accoppiamento per tale modalità ottimale è numericamente uguale al valore di attenuazione (il reciproco del fattore Q del circuito Q).

La forte connessione (più critica) forma un avvallamento nella curva di risonanza, e più forte è questa connessione, più ampia è la caduta di frequenza. Con una forte connessione dei circuiti, l'energia dal circuito primario viene trasferita al secondario con un'efficienza superiore al 50%; questo approccio viene utilizzato nei casi in cui è necessario trasferire più potenza da un circuito all'altro.

L'accoppiamento debole (meno critico) fornisce una curva di risonanza la cui forma è la stessa di un singolo circuito. L'accoppiamento debole viene utilizzato nei casi in cui non è necessario trasferire una potenza significativa dal circuito primario al circuito secondario con elevata efficienza ed è auspicabile che il circuito secondario influisca il meno possibile sul circuito primario.Maggiore è il fattore Q del circuito secondario, maggiore è l'ampiezza della corrente in esso in risonanza. L'anello debole è adatto per scopi di misurazione in apparecchiature radio.