Связанные системы колебательных контуров

 

Общие сведения

Связанной системой называется система колебательных контуров, в которой один контур, возбуждаемый источником энергии, передает часть своей энергии другому контуру. В свою очередь, второй контур оказывает влияние на работу первого контура.

Два контура считаются взаимосвязанными, если между ними имеется элемент связи. В зависимости от характера элемента связи, существуют следующие виды связи:

– трансформаторная связь;

– автотрансформаторная связь;

– емкостная связь.

 

 

Трансформаторная связь

 

В этом случае связь между контурами осуществляется за счет взаимоиндукции М (общего магнитного поля) (рис.3.1.13):

 

 

 

Рис. 3.1.13. Система контуров с индуктивной связью

При трансформаторной связи между контурами э. д. с. Е, подводимая к первому контуру, вызывает в нем ток I₁, который создает магнитное поле вокруг катушки L₁. Силовые линии этого поля пересекают витки катушки L₂ и индуктируют в ней э. д. с. взаимоиндукции. Указанная э. д. с. вызывает во втором контуре ток I₂, который в свою очередь оказывает влияние на ток первого контура.

 

 

Автотрансформаторная связь

Связь между контурами осуществляется с помощью индуктивности L _св, входящей в оба контура (рис. 3.1.14):

 

 

Рис. 3.1.14. Система контуров с автотрансформаторной связью

 

 

Емкостная связь

При емкостной связи общим элементом связи между контурами является емкость. Связь осуществляется за счет общего электрического поля.

Существует два вида емкостной связи:

a) внутриемкостная связь;

b) внешнеемкостная связь.

В схеме с внутриемкостной связью (рис. 3.1.15) элементом связи между контурами является емкость С _св, входящая в состав обоих контуров.

 

 

 

Рис. 3.1.15. Система контуров с внутриемкостной связью

 

При внешнеемкостной связи (рис. 3.1.16) элементом связи служит емкость С _св, которая не входит ни в один из контуров.

 

 

 

Рис. 3.1.16. Система контуров с внешнеемкостной связью

 

 

Многоконтурные системы

Если ввести в состав связанной системы несколько контуров с разнесенными резонансными частотами, то можно построить многоконтурную систему с расширенной полосой пропускания. Такая система называется фильтром с сосредоточенной селекцией (ФСС) (рис. 3.1.17).

 

 

Рис. 3.1.17. Схема фильтра с сосредоточенной селекцией

Резонансные кривые системы контуров с разнесенными резонансными частотами приведена на рис. 3.1.18.

 

 

Рис 3.1.18. Резонансные кривые многоконтурной системы

 

Электромеханические фильтры

 

В некоторых случаях необходимо, наоборот, получить очень узкую полосу пропускания при заданной рабочей частоте. Ширина полосы пропускания колебательного контура обратно пропорциональна его добротности:

 

 

Поэтому возможности построения систем с узкой полосой пропускания ограничивается возможностями создания контуров с высокой добротностью.

В тех случаях, когда колебательные контуры, выполненные из конденсаторов и катушек индуктивности, не могут обеспечить создание систем с достаточно узкой полосой пропускания, применяются электромеханические фильтры. В качестве электромеханических фильтров могут использоваться либо пьезоэлектрические фильтры, либо магнитострикционные.

Для изготовления пьезоэлектрических фильтров используются материалы, обладающие пьезоэффектом. Пьезоэффектом называется способность материала преобразовывать электрические колебания в механические и наоборот. Чаще всего для изготовления фильтров используется кварц.

Если кристалл кварца поместить в переменное электрическое поле, то этот кристалл будет претерпевать деформацию, в результате которой возникнут механические колебания. Собственная частота механических колебаний кварцевого стержня зависит от его размеров. При изменении частоты напряжения, приложенного к выводам кристалла, ток в цепи будет изменяться аналогично изменению тока в колебательном контуре. Когда частота приложенного напряжения окажется равной собственной частоте механических колебаний, возникнет электромеханический резонанс. При этом ток, протекающий в цепи, достигнет максимального значения.

Кварцевые фильтры отличаются высокой стабильностью резонансной частоты, высокой добротностью (около 10⁴) и узкой полосой пропускания.

Для изготовления магнитострикционных фильтров используются материалы, обладающие прямым и обратным магнитострикционным эффектом. Прямой магнитострикционный эффект заключается в том, что под действием переменного магнитного поля эти материалы претерпевают деформацию, в результате чего возникают механические колебания. Переменное магнитное поле появляется при пропускании переменного тока через обмотку, расположенную на стержне из магнитострикционного материала. Обратный магнитострикционный эффект заключается в том, что если стержень из магнитострикционного материала подвергнуть механической деформации, то в обмотке, расположенной на этом стержне, наводится переменная э. д. с.

Магнитострикционный фильтр представляет собой стержень из магнитострикционного материала, на котором размещены две обмотки: входную и выходную. Через входную обмотку пропускается переменный ток, вызывающий механические колебания стержня.

Колебания стержня наводят э. д. с. в выходной обмотке фильтра. Такой фильтр представляет собой резонансную колебательную систему. Частота механического резонанса магнитострикционного фильтра зависит от размеров стержня.