Все о колебательных контурах


Если энергия колебаний переходит из одного контура в другой, то такие контуры называются связанными.
Иначе говоря, контуры являются связанными в том случае когда колебания, происходящие в одном из них, воздействуют на другой контур и вызывают в нем колебательный процесс.

Чем больше энергии переходит из одного контура в другой, т.е. чем сильнее воздействует один контур на другой, тем сильнее связь между ними.

Величина связи характеризуется коэффициентом связи Ксв, который может иметь значения от 0 до 1 (от 0 до 100%). Если связь отсутствует, то ксв = 0. В радиоцепях ксв имеет обычно величину от долей процента до нескольких процентов, изредка до нескольких десятков процентов.

Существует несколько различных видов связи.

Индуктивная или трансформаторная связь. Эта связь применяется наиболее часто и образуется с помощью взаимной индукции между катушками контуров (рис.1 ).

Индуктивная связь двух колебательных контуров

Рис.1 — Индуктивная связь двух контуров

Контур L1C1, получающий энергию от генератора, называется первичным контуром. Контур L2C2, получающий энергию от первичного контура, называется вторичным контуром.

Принцип индуктивной связи заключается в там, что ток первичного контура I1, проходя через катушку L1, создает вокруг нее магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки катушки L2 и возбуждают в ней индуктированную эдс, а последняя создает во вторичном контуре ток I2. Таким образом, при индуктивной связи энергия передается из одного контура в другой магнитным полем. Любой трансформатор является примером индуктивной связи. Две катушки, индуктивно связывающие высокочастотные контуры, называют трансформатором высокой частоты.

Индуктивная связь может быть постоянной или переменной. Постоянная индуктивная связь оформляется в виде двух однослойных или многослойных катушек, намотанных обычно на одном каркасе друг возле друга. Для переменной индуктивной связи нужно менять расстояние между катушками или их взаимное расположение. Переменную индуктивную связь изображают на схемах стрелкой, пересекающей катушки
(рис.1 а).

Выясним физический смысл коэффициента связи при индуктивной связи. Если L1 и L2 одинаковы и других катушек в контурах нет, то коэффициент связи показывает, какую долю полного магнитного потока Ф1 катушки L1 составляет магнитный поток Фсв, пронизывающий обе катушки, т.е. связывающий обе цепи. Например, если Фсв составляет 20% от Ф1, то Kсв = 0,2.

Для получения максимального тока и напряжения в контурах их настраивают в резонанс. В первичном контуре может быть либо резонанс напряжений, либо резонанс токов в зависимости от способа соединения генератора с этим контуром.

Во вторичном контуре при индуктивной связи, как правило, получается резонанс напряжений.
Это объясняется тем, что в качестве генератора во вторичном контуре работает сама катушка L2. Она включена в контур последовательно, значит, в цепи будет резонанс напряжений.

Практически связанные контуры настраивают в резонанс для получения наибольшего тока во вторичном контуре следующим порядком. Сначала настраивают первичный контур до получения максимума тока в нем, затем настраивают вторичный контур в резонанс с первичным контуром. После настройки вторичного контура надо еще раз подстроить первичный контур, так как вторичный контур при настройке несколько влияет на первичный и нарушает резонанс в нем. Вообще всякое изменение настройки одного из контуров оказывает влияние на другой контур (изменяет его настройку). Приходится дополнительно подстраивать каждый контур, чтобы восстановить резонанс.

Для настройки в резонанс двух контуров, имеющих постоянную связь, их конденсаторы переменной емкости объединяют в один агрегат, т.е. роторы насаживают на общую ось. На схемах такой агрегат показывают путем соединения стрелок конденсаторов штриховой линией (рис.1 б).

Емкости контуров выравнивают с помощью небольших надстроечных (полупеременных) конденсаторов, емкость которых можно регулировать в некоторых пределах. Они присоединяются параллельно основным конденсаторам (рис.1 б).

Индуктивности катушек выравнивают, регулируя положение находящегося внутри катушки сердечника из магнитодиэлектрика (карбонильное железо, альсифер, феррит и др). На схеме (рис.1 б) показано условное изображение сердечников.

Рассматривая работу связанных контуров, необходимо учитывать воздействие вторичного контура на первичный. Ток I2, возникший во вторичном контуре, создает в катушке L2 магнитный поток, пересекающий какой-то своей частью витки катушки L1 и индуктирующий в ней некоторую эдс. Эта эдс противодействует первичному току I1 и уменьшает его. Иначе можно сказать, что вторичный контур вносит в первичный дополнительное сопротивление, называемое вносимым сопротивлением. Когда вторичный контур настроен на частоту генератора, то он вносит в первичный контур только активное сопротивление, которое тем больше, чем сильнее связь. Величина этого сопротивления характеризует переход некоторого количества энергии из первичного контура во вторичный. А когда вторичный контур не настроен точно на частоту генератора, то он вносит в первичный контур не только активное, но и реактивное сопротивление, индуктивное или емкостное, в зависимости от того, в какую сторону расстроен вторичный контур. Таким образом, вторичный контур, будучи сам расстроенным, нарушает настройку первичного контура.

Кривые резонанса двух связных контуров при различной величине связи

Рис.2 — Кривые резонанса двух связных контуров при различной величине связи

Если у двух настроенных в резонанс связанных контуров снять зависимость тока или напряжения вторичного контура от частоты генератора, то получится кривая резонанса системы двух связанных контуров. Форма ее зависит от величины связи. Чем слабее связь, тем острее резонанс (рис.2). При увеличении связи кривая становится более тупой и, начиная с некоторого значения связи, принимает характерный двугорбый вид. Величина связи, при которой получается переход кривой резонанса от одногорбой формы к двугорбой, называется критической связью.

При одинаковых контурах ток, напряжение и мощность колебаний во вторичном контуре при критической связи имеют наибольшие значения по сравнению с их величинами при более слабой или более сильной связи. Поэтому критическую связь иначе называют оптимальной, т.е. наивыгоднейшей. Но она является наивыгоднейшей только в смысле получения наибольшей мощности во вторичном контуре.

В случае одинаковых контуров коэффициент оптимальной связи равен величине затухания каждого контура. Если, например, связанные контуры имеют каждый в отдельности S = 0,02, то оптимальная связь получится при Kсв— 0,02 = 2%.

Когда связь меньше критической, то ее считают слабой. При слабой связи кривая резонанса имеет почти такую же форму, как и в случае одиночного контура. Связь больше критической считается сильной. Если усиливать связь свыше критического значения, то провал в резонансной кривой становится больше и разница по частоте между горбами увеличивается (рис.2).

Критическая или сильная связь (при небольшом провале между горбами) дает значительное расширение полосы пропускания и используется в радиоприемных устройствах. Для сильной связи характерна передача энергии из первичного контура во вторичный с высоким кпд (выше 50%), т.е. мощность во вторичном контуре больше, чем мощность, теряемая в первичном контуре. Вследствие этого сильная связь применяется при больших мощностях в радиопередатчиках. Слабая связь применяется тогда, когда не требуется передать во вторичный контур большую мощность с высоким кпд, но зато важно, чтобы вторичный контур мало влиял на первичный. Такая связь находит себе применение в радиоизмерениях.



теги:


Эта связь осуществляется с помощью конденсатора связи Ссв (рис.1) и, следовательно, энергия переходит из первичного контура во вторичный через электрическое поле. Емкостная связь часто возникает между цепями там, где она не нужна, и нарушает нормальную работу схемы. Такую связь называют паразитной. Нередко приходится принимать меры для устранения или уменьшения подобной нежелательной связи. Схема (рис.1 а), в которой конденсатор связи Ссв не входит в состав первичного и вторичного контуров, называется внешней емкостной связью. Схема (рис.1 б) называется внутренней емкостной связью, так как конденсатор связи включен и в первичный и во вторичный контуры последовательно с каждым конденсатором этих контуров С1 и С2. Для изменения величины связи конденсатор Ссв должен иметь переменную емкость.

В схеме с внешней емкостной связью напряжение первичного контура действует через конденсатор связи на вторичный

Схемы емкостной связи - внешняя емкостная связь и внутрення емкосная связь
Рис.1 — Схемы емкосной связи: а) внешняя емкосная связь, б) внутрення емкосная связь

контур и создает в нем ток. Чем больше емкость Ссв , тем меньше ее сопротивление переменному току и тем сильнее связь. Практически, чтобы связь была слабой, емкость Ссв должна быть порядка единиц пикофарад (много меньше, чем С1 и С2). Паразитная связь между различными цепями осуществляется по схеме внешней емкостной связи, так как для этого достаточна очень малая емкость. Индуктивная связь всегда сопровождается некоторой внешней емкостной связью из-за емкости между катушками и подводящими проводами.

В схеме с внутренней емкостной связью (рис.1 б) напряжение, которое получается на конденсаторе Ссв при прохождении через него тока I1, действует на цепь вторичного контура C2L2 и создает в последнем ток I2. Иначе можно сказать, что в точке 1 (или 2) происходит (разветвление тока и часть его идет во вторичный контур. В противоположность схеме (рис.1 а) здесь для увеличения связи нужно уменьшить емкость Ссв. Тогда сопротивление конденсатора Ссв току I1 возрастет, увеличится падение напряжения в нем, а так как оно действует во вторичном контуре, то возрастет и ток I2. Для осуществления слабой связи в данной схеме берут Ссв порядка тысяч и даже десятков тысяч пикофарад (много больше, чем С1 и С2).



теги:


В этом случае контуры имеют общую катушку. Энергия переходит частично через магнитное поле, а частично непосредственно благодаря наличию электрического соединения между контурами.

Варианты автотрансформаторной связи. Виды связи колебательных контуров. Рисунок автотрансформаторной связи контуров.

Рис.1 — Виды автотрансформаторной связи

В схеме (рис.1 а) катушка Lсв входит в первичный контур, а часть этой катушки Lсв входит во вторичный контур и напряжение на ней создает так I2. Катушка Lсв работает как понижающий автотрансформатор или индуктивный делитель напряжения. Дополнительная катушка L2 вместе с Lсв образует индуктивность вторичного контура. Чем большая часть катушки L1 входит в оба контура, тем сильнее связь. В схеме (рис.1 6) катушка L2 входит во вторичный контур и работает как повышающий автотрансформатор. Ее часть Lсв входит в первичный контур, вкотором еще дополнительно (рис.1). Различные случаи авто-включена катушка Lсв. В этой трансформаторной связи схеме связь также, как и в схеме (рис.1 а), усиливается с увеличением Lсв.

В схеме (рис.1 в) чем меньше Lcв по сравнению с L1 и L2, тем слабее связь.

Схемы комбинированной индуктивно-емкосной связи. Рисунок индуктивно-емкосной связи.

Рис.2 — Схемы комбинированной индуктивно-емкосной связи

При постоянной связи провод от катушки Lсв присоединяется к ней наглухо. При переменной связи применяется переключатель, позволяющий включать различное число витков, или «щуп», который можно ставить на разные витки, если катушка выполнена из голого провода. На схеме его изображают стрелкой.
Комбинированная связь. Иногда применяются схемы с двумя различными видами связи, главным образом индуктивной и емкостной. Для примера на (рис.2 а) показан вариант с внешней емкостной связью, а и а (рис.2 б) — с внутренней емкостной связью.

Рассмотренные выше виды связи могут быть также у двух обычных цепей переменного тока или у колебательного контура с не колебательной (апериодической) цепью.



теги:

Часто приходится бороться с паразитной емкостной или индуктивной связью между контурами или цепями радиоаппаратуры. Для уменьшения паразитной связи можно удалить друг от друга контуры или провода, но это приводит к увеличению размеров радиоаппаратуры. Гораздо лучше применять экранирование.

Экранированием называется защита одного контура от воздействия другого контура или одной цепи от влияния другой цепи с помощью металлических листов — экранов.

Экраны служат для устранения как индуктивной, так и емкостной связей. На низких частотах для устранения индуктивной связи применяют экраны из ферромагнитных материалов, например из листовой стали толщиной 0,5—1,5 мм. В этом случае используется способность стали втягивать в себя магнитные силовые линии. Благодаря ее высокой магнитной проницаемости силовые линии замыкаются в экране и не выходят за его пределы.

На высоких частотах лучшее экранирование магнитных полей дают экраны из диамагнитных, хорошо проводящих металлов (чаще всего применяется алюминий толщиной 0,3—1 мм). Действие таких экранов заключается в том, что магнитный поток катушки индуцирует в экране токи, которые по закону Ленца создают свой магнитный поток противоположного направления, почти полностью компенсирующий основной магнитный поток за пределами экрана. Чтобы потери на создание в экране токов не были велики, не следует располагать экраны слишком близко к катушкам. Желательно, чтобы диаметр и длина экранирующего чехла были соответственно не меньше удвоенных диаметра и длины намотки катушки. Тогда качество контура почти не ухудшится. Следует иметь в виду, что экраны заметно уменьшают индуктивность катушек (на 10—20%).

Для устранения паразитной емкостной связи также используются экраны из хорошо проводящих материалов, соединяемые с корпусом радиоаппарата. Принцип их действия легко уяснить из (рис.1). Два контура L1C1 и L2C2 имеют паразитную емкостную связь, обозначенную конденсатором Ссв . Общий провод обоих контуров бывает обычно соединен с корпусом (землей). Если между обкладками 1 и 2, роль которых фактически выполняют провода или детали контуров, поместить экран и соединить его с корпусом, то ток от контура L1C1 будет проходить через емкость между обкладкой 1 и экраном и возвратится через общий провод в первичный контур, не попадая в контур L2C2.

Устранение паразитной ёмкостной связи. Экранирование контура
Рис.1 — Устранение поразитной емкосной связи с помощью экрана

На схеме экраны принято обозначать штриховыми линиями.

Применение экранирования для устранения паразитной емкостной связи между индуктивно связанными контурами
Рис.2 — Применение экрана для устранения паразитной емкостной связи между индуктивно-связанными контурами

Иногда бывает необходимо устранить паразитную емкостную СВЯЗЬ между двумя катушками, чтобы связь между контурами была чисто индуктивной. Сплошной металлический экран в этом случае непригоден, так как он уничтожит индуктивную связь. Для устранения только емкостной связи применяют электростатический экран в виде сетки из проволочек, соединенных друг с другом и с землей только одним концом. В таком экране не возникают индуктированные токи, так как для них нет замкнутых цепей. На (рис.2) показаны схематическое обозначение подобного экрана и принцип одной из его конструкций.

теги:
Стр. 3 из 41234


radionet