Рассмотрим два колебательных контура, расположенные друг относительно друга так, что энергия может передаваться от первого контура ко второму и обратно.
Колебательные контуры, находящиеся в таких условиях, называются связанными контурами, ибо электромагнитные колебания происходящие в одном из контуров вызывают электромагнитные колебания в другом контуре, и энергия движется между данными контурами так, словно они связаны.
Чем сильнее связь между контурами — тем больше энергии передается от одного контура - другому, тем интенсивнее контуры воздействуют друг на друга.
Величину взаимосвязи контуров можно количественно выразить коэффициентом связи контуров Ксв, который измеряется в процентах (от 0 до 100%). Связь контуров бывает индуктивной (трансформаторной), автотрансформаторной или емкостной. В данной статье рассмотрим индуктивную связь, то есть такое состояние, когда взаимодействие контуров происходит только благодаря магнитному (электромагнитному) полю.
Индуктивная связь называется также трансформаторной связью, поскольку осуществляется она благодаря взаимному индуктивному действию катушек контуров друг на друга, как это имеет место в трансформаторе, с той лишь разницей, что колебательные контуры в принципе могут быть связаны не так сильно, как это можно наблюдать в обычном трансформаторе.
В системе связанных контуров, один из них получает питание от генератора (от источника переменного тока), этот контур называется первичным контуром. На приведенном рисунке первичный контур — это тот, что состоит из элементов L1 и C1. Контур, получающий энергию от первичного контура, называется вторичным контуром, на рисунке он представлен элементами L2 и C2.
Настройка связи контуров и резонанс
Когда в катушке L1 первичного контура изменяется ток I1 (нарастает или уменьшается), соответственно изменяется и величина индукции магнитного поля B1 вокруг этой катушки, а силовые линии данного поля пересекают витки вторичной катушки L2, и значит, по закону электромагнитной индукции, наводят в ней ЭДС, которая и вызывает ток I2 в катушке L2. Получается, таким образом, что именно через магнитное поле энергия от первичного контура передается во вторичный, как в трансформаторе.
Практически связанные контуры могут иметь постоянную или переменную связь, что реализуется способом изготовления контуров, например катушки контуров могут быть намотаны на общем каркасе, будучи закреплены неподвижно, или же имеется возможность физического перемещения катушек друг относительно друга, тогда их связь является переменной. Схематически катушки с переменной связью изображаются с пересекающей их стрелкой.
Итак, как отмечалось выше, коэффициент связи катушек Ксв отражает в процентах взаимосвязь контуров, практически, если представить, что катушки одинаковы, то он покажет, какая доля магнитного потока Ф1 катушки L1 приходится также и на катушку L2. Более точно — коэффициент связи Ксв показывает, во сколько раз ЭДС, наводимая во втором контуре, меньше той ЭДС, которая могла бы быть в нем наведена, если бы все магнитные силовые линии катушки L1 участвовали в ее создании.
Чтобы получить в связанных контурах максимально доступные токи и напряжения, они должны пребывать в резонансе друг с другом.
Резонанс в передающем (первичном) контуре может быть резонансом токов или резонансом напряжений, в зависимости от устройства первичной цепи: если генератор включен в контур последовательно, то резонанс будет по напряжению, если параллельно — резонанс токов. Во вторичном контуре будет, как правило, резонанс напряжений, так как сама катушка L2 практически выступает источником переменного напряжения, последовательно включенного во вторичный контур.
Имея связанные контуры с определенным Ксв, их настройку в резонанс производят в следующем порядке. Настраивают первичную цепь для получения резонанса в первичном контуре, то есть до достижения максимального тока I1.
Следующим шагом настраивают вторичный контур до максимального тока (максимального напряжения на С2). Далее подстраивают первичный контур, ибо магнитный поток Ф2 от катушки L2 теперь оказывает действие на магнитный поток Ф1, и резонансная частота первичного контура немного изменяется, ведь контуры уже работают связанно.
Удобно при настройке связанных контуров иметь одновременно регулируемые конденсаторы C1 и C2, изготовленные в виде части единого агрегата (схематически таки регулируемые конденсаторы с общим ротором обозначаются пересекающими их объединенными штриховыми стрелками). Еще один вариант подстройки — присоединить дополнительные конденсаторы сравнительно малой емкости параллельно основным.
Можно производить настройку резонанса и путем регулировки индуктивностей контурных катушек, например двигая сердечник внутри катушки. Такие «регулируемые» сердечники обозначаются штриховыми линиями, которые пересечены стрелкой.
Механизм действия контуров друг на друга
Почему же вторичный контур влияет на первичный и как это происходит? Ток I2 вторичного контура создает свой собственный магнитный поток Ф2, который частично пересекает и витки катушки L1, а значит наводит в ней ЭДС, которая направлена (по правилу Ленца) против тока I1, и поэтому стремиться его уменьшить, это выглядит для первичного контура как дополнительное сопротивление, то есть вносимое сопротивление.
Когда вторичный контур настроен на частоту генератора, то вносимое им в первичный контур сопротивление имеет чисто активный характер.
Вносимое сопротивление оказывается тем больше, чем сильнее связаны контуры, то есть чем больше Ксв — тем больше сопротивление, вносимое вторичным контуром в первичный. На самом деле данное вносимое сопротивление характеризует количество энергии, передаваемой вторичному контуру.
Если же вторичный контур расстроен по отношению к частоте генератора, то вносимое им сопротивление станет иметь помимо активной еще и реактивную составляющую (емкостную либо индуктивную, в зависимости от того, в какую сторону наблюдается расстройка контура).
Величина связи между контурами
Рассмотрим графическую зависимость тока вторичного контура от частоты генератора в связи с коэффициентом связи Ксв контуров. Чем связь контуров меньше — тем острее резонанс, а по мере наращивания Ксв, вершина резонансной кривой сначала уплощается (критическая связь), а затем, если связь сделать еще сильнее, приобретает двугорбый вид.
Критическая связь считается оптимальной с точки зрения получения наибольшей мощности во вторичном контуре если контуры одинаковы. Коэффициент связи для такого оптимального режима численно равен величине затухания (величина, обратная добротности контура Q).
Сильная связь (больше критической) формирует провал на резонансной кривой, и чем эта связь сильнее — тем шире частотный провал. При сильной связи контуров, энергия из первичного контура передается во вторичный с КПД более 50%, такой подход используется в случаях, когда от контура к контуру необходимо передать большую мощность.
Слабая связь (меньше критической) обеспечивает резонансную кривую, форма которой такая же, как для одиночного контура. Слабую связь используют в тех случаях, когда нет надобности передавать с высоким КПД значительную мощность из первичного контура во вторичный, и при том желательно чтобы вторичный контур как можно меньше влиял бы на первичный. Чем выше добротность вторичного контура — тем больше амплитуда тока в нем при резонансе. Слабая связь подходит для измерительных целей в радиоаппаратуре.