Circuitos oscilantes acoplados inductivamente
Considere dos circuitos oscilantes colocados uno respecto del otro de modo que la energía pueda transferirse del primer circuito al segundo y viceversa.
Los circuitos osciladores en tales condiciones se denominan circuitos acoplados, porque las oscilaciones electromagnéticas que ocurren en uno de los circuitos provocan oscilaciones electromagnéticas en el otro circuito, y la energía se mueve entre estos circuitos como si estuvieran conectados.
Cuanto más fuerte es la conexión entre las cadenas, más energía se transfiere de una cadena a otra, más intensamente se influyen las cadenas entre sí.
La magnitud de la interconexión de bucles se puede cuantificar mediante el coeficiente de acoplamiento de bucles Kwv, que se mide como un porcentaje (de 0 a 100%). La conexión del circuito es inductiva (transformador), autotransformador o capacitiva. En este artículo, consideraremos el acoplamiento inductivo, es decir, un estado en el que la interacción de los circuitos se produce solo debido al campo magnético (electromagnético).
El acoplamiento inductivo también se denomina acoplamiento de transformador porque tiene lugar debido a la acción inductiva mutua de los devanados del circuito entre sí, como en en el transformador, con la única diferencia de que los circuitos oscilantes no pueden, en principio, acoplarse tan estrechamente como se puede observar en un transformador convencional.
En un sistema de circuitos conectados, uno de ellos es alimentado por un generador (de una fuente de corriente alterna), este circuito se denomina circuito primario. En la figura, el circuito primario es el que consta de los elementos L1 y C1. El circuito que recibe energía del circuito primario se llama circuito secundario, en la figura está representado por los elementos L2 y C2.
Configuración de enlace y resonancia de bucle
Cuando la corriente I1 cambia en la bobina L1 del bucle primario (aumenta o disminuye), la magnitud de la inducción del campo magnético B1 alrededor de esta bobina cambia en consecuencia y las líneas de fuerza de este campo cruzan las vueltas de la bobina secundaria L2 y por lo tanto, según la ley de la inducción electromagnética, induzca una FEM en él, que provoque la corriente I2 en la bobina L2. Por lo tanto, resulta que es a través del campo magnético que la energía del circuito primario se transfiere al secundario, como en un transformador.
Los bucles prácticamente conectados pueden tener una conexión constante o variable, que se realiza mediante el método de producción de los bucles, por ejemplo, las bobinas de los bucles se pueden enrollar en un marco común, siendo fijos, o existe la posibilidad de física movimiento de las bobinas entre sí, entonces su relación es variable. Las bobinas de enlace variable se muestran esquemáticamente con una flecha cruzándolas.
Por lo tanto, como se señaló anteriormente, el coeficiente de acoplamiento de las bobinas Ksv refleja la interconexión de los circuitos como un porcentaje, en la práctica, si imaginamos que los devanados son iguales, mostrará cuánto del flujo magnético F1 de la la bobina L1 también cae sobre la bobina L2. Más precisamente, el coeficiente de acoplamiento Ksv muestra cuántas veces la FEM inducida en el segundo circuito es menor que la FEM que podría inducirse en él si todas las líneas de fuerza magnética de la bobina L1 estuvieran involucradas en su creación.
Para obtener las máximas corrientes y tensiones disponibles en los circuitos conectados, deben permanecer en resonancia unos con otros.
La resonancia en el circuito de transmisión (primario) puede ser resonancia de corrientes o resonancia de voltajes, según el dispositivo del circuito primario: si el generador está conectado al circuito en serie, entonces la resonancia estará en voltaje, si está en paralelo - la resonancia de las corrientes. Normalmente habrá resonancia de voltaje en el circuito secundario, ya que la propia bobina L2 actúa efectivamente como una fuente de voltaje de CA conectada en serie al circuito secundario.
Teniendo bucles asociados con un determinado CWS, su sintonización a resonancia se realiza en el siguiente orden. El circuito primario se sintoniza para obtener resonancia en el bucle primario, es decir, hasta alcanzar la corriente máxima I1.
El siguiente paso es configurar el circuito secundario a la corriente máxima (voltaje máximo en C2). Luego se ajusta el circuito primario porque el flujo magnético F2 de la bobina L2 ahora afecta el flujo magnético F1, y la frecuencia resonante del bucle primario cambia ligeramente porque los circuitos ahora están trabajando juntos.
Es conveniente tener condensadores ajustables C1 y C2 al mismo tiempo cuando se configuran circuitos conectados hechos como parte de un solo bloque (esquemáticamente, los condensadores ajustables con un rotor común se indican mediante flechas punteadas combinadas que los cruzan). Otra posibilidad de ajuste es conectar condensadores adicionales de capacidad relativamente pequeña en paralelo con el principal.
También es posible ajustar la resonancia ajustando la inductancia de las bobinas enrolladas, por ejemplo, moviendo el núcleo dentro de la bobina. Dichos núcleos "sintonizables" se indican mediante líneas discontinuas, que están atravesadas por una flecha.
El mecanismo de acción de las cadenas entre sí.
¿Por qué el circuito secundario afecta al circuito primario y cómo sucede esto? La corriente I2 del circuito secundario crea su propio flujo magnético F2, que cruza parcialmente las vueltas de la bobina L1 y, por lo tanto, induce en ella una FEM, que está dirigida (según la regla de Lenz) contra la corriente I1 y por lo tanto buscamos reducirla, esta busca como resistencia adicional el circuito primario, es decir la resistencia introducida.
Cuando el circuito secundario está sintonizado a la frecuencia del generador, la resistencia que introduce en el circuito primario es puramente activa.
La resistencia introducida resulta ser mayor cuanto más fuertes son los circuitos, es decir, cuantos más Kws, mayor es la resistencia que introduce el circuito secundario al primario. De hecho, esta resistencia de inserción caracteriza la cantidad de energía transferida al circuito secundario.
Si el circuito secundario está sintonizado con respecto a la frecuencia del generador, entonces la resistencia introducida por éste tendrá, además de la activa, una componente reactiva (capacitiva o inductiva, según el sentido en que se ramifique el circuito) .
El tamaño de la conexión entre los contornos.
Considere la dependencia gráfica de la corriente del circuito secundario de la frecuencia del generador en relación con el factor de acoplamiento Kww de los circuitos. Cuanto más pequeño es el acoplamiento de los contornos, más aguda es la resonancia y, a medida que aumenta Kww, el pico de la curva de resonancia primero se aplana (acoplamiento crítico), y luego, si el acoplamiento se vuelve aún más fuerte, adquiere una apariencia de doble respaldo.
La conexión crítica se considera óptima desde el punto de vista de obtener la mayor potencia en el circuito secundario si los circuitos son idénticos. El factor de acoplamiento para tal modo óptimo es numéricamente igual al valor de atenuación (el recíproco del factor Q del circuito Q).
La conexión fuerte (más crítica) forma una caída en la curva de resonancia, y cuanto más fuerte sea esta conexión, mayor será la caída de frecuencia. Con una fuerte conexión de los circuitos, la energía del bucle primario se transfiere al secundario con una eficiencia de más del 50%; este enfoque se utiliza en los casos en que se necesita transferir más energía de un circuito a otro.
El acoplamiento débil (menos que crítico) proporciona una curva de resonancia cuya forma es la misma que para un solo circuito. El acoplamiento débil se utiliza en los casos en que no es necesario transferir una potencia significativa desde el circuito primario al circuito secundario con una alta eficiencia, y es deseable que el circuito secundario afecte lo menos posible al circuito primario.Cuanto mayor sea el factor Q del circuito secundario, mayor será la amplitud de la corriente en resonancia. El enlace débil es adecuado para fines de medición en equipos de radio.