Kopplungen können zu gewollten und ungewollten Signalübertragungen zwischen Schaltungen oder Leitungen hervorrufen.
Eine Kopplung kann daher Bestandteil eines schaltungstechnischen Konzeptes oder eine Störgröße sein.
Durch eine Kopplung können Gleich- oder Wechselspannungsanteile von einer Schaltung bzw. Leitung zu einer Anderen übertragen werden, eine Kopplung kann hierbei kapazitiv oder induktive sein.
Die nachfolgenden Grundlagen sind in drei Teile aufgeteilt. Zunächst wird es eine kurze Exkursion in die Physik geben, anschließend wird die induktive Kopplung von Schwingkreisen behandelt.
Das mechanische Analogon zu LC - Schwingkreise sind über eine Feder gekoppelte Pendel. Die Feder zwischen den Pendeln übt eine Koppelkraft zwischen den Pendeln aus.
Schwingt ein Pendel, übt die Felder eine periodische Koppelkraft auf das zweite Pendel aus.
Das zweite Pendel wird hierbei zur erzwungenen Schwingung angeregt und dient umgekehrt als Erreger des ersten Pendels.
Bei diesem Vorgang wird Energie periodisch von einem zum anderen Pendel übertragen.
Die nachfolgende Animation Abb. 1 zeigt zwei Pendel die über eine Koppelfelder verbunden sind. Die Koppelfeder wird hier als Linie zwischen den beiden Plendelgewichten dargestellt.
Lenken Sie eines der beiden Pendel aus und beobachten Sie das Verhalten des Systems.
Abb. 1: Animation gekoppelter Pendel
Induktive Kopplung auch magnetische Kopplung oder Gegeninduktion genannt, entsteht durch gegenseitige Beeinflussung benachbarter elektrischer Stromkreise durch den magnetischen Fluss.
Das magnetische Wechselfeld einer stromdurchflossenen Leitung bspw. einer Spule induziert hierbei eine Spannung in einer anderen stromdurchflossenen Leitung, die wiederum ein eigenes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Zwangsläufig entsteht hierbei eine Wechselwirkung.
Das Magnetfeld ist proportional abhänig von der Größe des Stroms durch den Leiter, wärend die induzierte Spannung vom Abstand der beiten Leiter abhänig ist. Je geringer der Abstand, desto höher die Induktionsspannung.
Abb. 2: Zwei induktive gekoppelte Schwingkreise
Abbildung 2 zeigt zwei LC - Schwingkreise.
Eine Kopplung der beiden Kreise, erfolgt durch die Annäherung der beiden Spulen \(L_1\) und \(L_2\).
Fließt ein Strom durch die Spule \(L_1\), erzeugt diese ein Magnetfeld, welchers teilweise die Spule \(L_2\) durchsetzt.
In Spule \(L_2\) wird dadurch eine zusätzliche Induktionsspannung \(u'_{L2}\) erzeugt, umgekehrt addiert sich zur Induktionsspannung von Spule \(L_1\) eine zusätzliche Spannung \(u'_{L1}\).
Abb. 3: Ersatzschaltbild der induktiven Kopplung
Die Gegeninduktivität \(M\) ist eine quantitative Beschreibung der Flussverkopplung zweier Leiterschleifen. Analog zur Selbstinduktivität beschreibt sie das Verhältnis des magnetischen Flusses in der sekundären Spule zum Strom in der primären Spule. Um unabhängig von den geometrischen Abmessungen der Leiterschleifen auch eine qualitative Aussage über die Verkopplung der Leiterschleifen treffen zu können, wurde der Kopplungsfaktor \(k\) eingeführt. Es gilt:
| \begin{equation} k = \frac{M}{L_{1}L_{2}} \end{equation} | 1 |
Der Kopplungsfaktor bewegt sich im Wertebereich -1 ≤ \(k\) ≤ 1.