लोडिंग कॉइल

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बेलग्रेड (सर्बिया) में पीटीटी संग्रहालय में पुपिन कुंडली

भारण कुंडली या भार कुंडली एक प्रेरक है जिसे एक विद्युत परिपथ में उसके प्रेरकत्व को प्रवर्धित करने के लिए समायोजित किया जाता है। लंबी दूरी के टेलीग्राफ प्रसारण तारों में संकेत विरूपण को रोकने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रेरकों के लिए 19वीं शताब्दी में यह शब्द उत्पन्न हुआ। इस शब्द का उपयोग ऐन्टेना में प्रेरकों के लिए या ऐन्टेना और इसकी प्रभरण वाहिका के मध्य किया जाता है, जिससे इसकी संकार्य आवृत्ती पर विद्युत परिपथ से अनुनादी ऐन्टेना निर्मित किया जा सके।

1860 के दशक में पहली अटलांटिक पार टेलीग्राफ तारों की धीमी संकेतन गति की समस्या का अध्ययन करते हुए भारण कुंडलीयों की अवधारणा की खोज ओलिवर हीविसाइड ने की थी। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि प्रेषित संकेत के आयाम और समय विलंब विरूपण को रोकने के लिए अतिरिक्त प्रेरकत्व आवश्यक था। विरूपण मुक्त संचरण के लिए गणितीय स्थिति को हीविसाइड स्थिति के रूप में जाना जाता है। पूर्व प्रायोजित टेलीग्राफ प्रणालियाँ स्थलीय या छोटी थीं और इसलिए उनमें देरी कम थी, और अतिरिक्त प्रेरकत्व की आवश्यकता उतनी बड़ी नहीं थी। पनडुब्बी संचार तार विशेष रूप से समस्या के अधीन हैं, परंतु संतुलित युग्मों का उपयोग करते हुए 20 वीं शताब्दी के प्रारंभ में प्रायः लोहे के तार या टेप के साथ भारण कुंडली के साथ भारित किया जाता था, जिससे पारीबंधन की समस्या से बचा जाता था।

भारण कुंडलीयों को ऐतिहासिक रूप से मिहाजलो इडवोर्स्की पुपिन के बाद पुपिन कुंडली के रूप में भी जाना जाता है, विशेष रूप से जब हेविसाइड स्थिति के लिए उपयोग किया जाता है और उनके समायोजन की प्रक्रिया को कभी-कभी प्यूपिनाइजेशन कहा जाता है।

अनुप्रयोग

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एक संतुलित भरी हुई दूरभाष लाइन का आरेख। संधारित्र असतत घटक नहीं हैं, परंतु लाइन के निकट स्थित तार संचालकों के मध्य वितरित संधारित्र का प्रतिनिधित्व करते हैं, यह बिंदीदार रेखाओं द्वारा इंगित किया जाता है। भारण कुंडली श्रव्य संकेत को लाइन संधारण द्वारा विकृत होने से रोकते हैं। भारण कुंडली की वाइंडिंग इस तरह से होती है कि कोर में प्रेरित चुंबकीय प्रवाह दोनों वाइंडिंग के लिए एक ही दिशा में होता है।

दूरभाष लाइनें

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(left) Toroidal 0.175 H loading coil for an AT&T long distance telephone trunkline from New York to Chicago 1922. Each of the 108 twisted pairs in the cable required a coil. The coils were enclosed in an oil-filled steel tank (right) on the telephone pole. The cable required loading coils every 6000 ft (1.83 km).

भारण कुंडलीयों का एक सामान्य उपयोग दूरभाष तारों में व्यावर्तित युग्म तार के ध्वनि-आवृत्ति विशेषताओं को सुधारना होता है। क्योंकि व्यावर्तित युग्म एक संतुलित रेखा प्रारूप है, संतुलन बनाए रखने के लिए युग्म के प्रत्येक चरण में आधा भारण कुंडली समायोजित की जानी चाहिए। इन दोनों वाइंडिंग्स का एक ही कोर पर बनना साधारण बात है। यह चुंबकीय प्रवाह संयोजन को बढ़ाता है, जिसके बिना कुंडली पर घुमावों की संख्या को बढ़ाना अनिवार्य हों जाता है। सामान्य कोर के उपयोग के बाद भी, ऐसे भारण कुंडलीयों में ट्रांसफार्मर सम्मिलित नहीं होते हैं, क्योंकि वे अन्य परिपथों को विद्युतकीय युग्मन प्रदान नहीं करते हैं।

किसी युग्म के साथ अनुक्रम में निर्धारित समय-समय पर जोड़े गए भारित कुंडली ऊँचे ध्वनि आवृत्तियों पर अधिकतम अल्पविराम फ़िल्टर द्वारा निर्मित लो-पास फ़िल्टर की कटऑफ आवृत्ति तक ऊँचे ध्वनि आवृत्तियों में छायांकन को कम करते हैं। कटऑफ आवृत्ति से ऊपर, छायांकन त्वरित रूप से बढ़ता है। कुंडली के बीच की दूरी जितनी कम होगी, आपूर्ती बंद करने की आवृत्ति उतनी ही अधिक होगी। कटऑफ प्रभाव पिंडित प्रेरकों का उपयोग करने की एक शिल्पकृति है। निरंतर वितरित-तत्व प्रारूप प्रेरकत्व का उपयोग करके भारण विधियों के साथ कोई कटऑफ नहीं है।

कुंडलीयों को भारित किए बिना, लाइन की प्रतिक्रिया प्रतिरोध और लाइन के संधारित्र पर आधारित होती है, जिसमें क्षीणन आवृत्ति के साथ धीरे-धीरे बढ़ता है। सही प्रेरकत्व के भारण कुंडली के साथ, न तो संधारित्र और न ही प्रेरकत्व आधारित होता है: प्रतिक्रिया सपाट होती है, तरंग अपरिवर्तित रहते हैं और विशिष्ट प्रतिबाधा कटऑफ आवृत्ति तक प्रतिरोधक होती है। एक श्रव्य आवृत्ति फिल्टर का संयोग गठन भी उस कोलाहल को कम करने में लाभप्रद है।

डीएसएल

भारण कुंडलीयों के साथ, संचार लाइन के पासबैंड के भीतर संकेतों के लिए किसी परिपथ का संकेत क्षीणन कम रहता है परंतु श्रव्य कटऑफ आवृत्ति के ऊपर आवृत्तियों के लिए तीव्रता से बढ़ता है। यदि दूरभाष लाइन को बाद में उन अनुप्रयोगों जैसे एनालॉग या डिजिटल वाहक प्रणाली या डीएसएल में का समर्थन करने के लिए पुन: उपयोग किया जाता है जिनके लिए उच्च आवृत्तियों की आवश्यकता होती है तों भारण कुंडलीयों को हटा दिया जाना चाहिए या प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए। समांतर संधारित्र के साथ कुंडलीयों का उपयोग एम-व्युत्पन्न फ़िल्टर के टोपोलॉजी के साथ एक फ़िल्टर बनाता है और कट ऑफ के ऊपर आवृत्तियों का एक बैंड भी पारित किया जाता है। हटाने के अतिरिक्त, विस्तारित दूरी पर ग्राहकों के लिए, उदाहरण के लिए, केंद्रीय कार्यालय से 4 मील (6.4 किमी) से अधिक, डीएसएल का समर्थन नहीं किया जा सकता है।

वाहक तंत्र

प्रारम्भिक और मध्य 20वीं सदी के अमेरिकी दूरभाष तारों में एक मील (1.61 किमी) के अंतराल पर भार कुंडली होते थे। उच्च आवृत्तियों को पारित करने के लिए कुंडली को हटाया जाना था, परंतु कुंडली के परिप्रेक्ष्य ने डिजिटल टी वाहक तंत्र के पुनरावर्तकों के लिए सुविधाजनक स्थान प्रदान किया, जो तब 1.5 Mbit/s संकेत को उस दूरी पर प्रसारित कर सकता था। संकरी गलियां और तांबे की उच्च लागत के कारण, यूरोपीय तारों में पतले तार होते थे और निकट दूरी पर उपयोग किए जाते थे। एक किलोमीटर के अंतराल ने यूरोपीय प्रणालियों को 2 Mbit/s ले जाने की अनुमति दी।

रेडियो एंटीना

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केंद्र में स्थित भारण कुंडली के साथ एक विशिष्ट मोबाइल एंटीना

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1912 में न्यू जर्सी में एक शक्तिशाली लॉन्गवेव रेडियो टेलीग्राफी स्टेशन में उपयोग किया जाने वाला एक विशाल एंटीना भारण कुंडली।

एक अन्य प्रकार के भारण कुंडली का उपयोग रेडियो एंटीना में किया जाता है। एकलध्रुवऔर द्विध्रुवीय रेडियो एंटीना एंटेना रेडियो तरंगों के लिए अनुनादी यंत्र के रूप में कार्य करने के लिए प्ररूपित किए गए हैं; एंटीना की संचरण लाइन के माध्यम से एंटीना पर समायोजित प्रेषक स ऊर्जा, एंटीना तत्व में विभव और धारा की खड़ी तरंगों को उत्तेजित करती है। "स्वाभाविक रूप से" अनुनादी होने के लिए, ऐन्टेना की भौतिक लंबाई रेडियो तरंगों के तरंग दैर्ध्य के एक चौथाई की भौतिक लंबाई होनी चाहिए। विषम अनुनाद पर, ऐन्टेना विद्युत रूप से एक शुद्ध विद्युत प्रतिरोध के रूप में कार्य करता है, प्रेषक से उस पर समायोजित सभी ऊर्जा को अवशोषित करता है।

कई स्थितियों में, व्यावहारिक कारणों से, एंटीना को अनुनादी लंबाई से छोटा करना आवश्यक होता है, इसे विद्युत रूप से छोटा एंटीना कहा जाता है। एक चौथाई तरंग दैर्ध्य से छोटा एंटीना संचार लाइन के लिए धारिता प्रतिघात प्रस्तुत करता है। लागू की गई कुछ ऊर्जा वापस संचार लाइन में परिलक्षित होती है और प्रेषक की ओर वापस जाती है। एक ही आवृत्ति पर विपरीत दिशाओं में चलने वाली दो धाराएँ संचरण लाइन पर खड़ी तरंगों का कारण बनती हैं और इन्हे एक से अधिक स्थायी तरंग अनुपात (SWR) के रूप में मापा जाता है। उन्नत धाराएं तार को गर्म करके ऊर्जा नष्ट करती हैं, और प्रेषक को ज़्यादा गरम भी कर सकती हैं।

किसी विद्युतकीय रूप से छोटे एंटीना को संवेदी बनाने के लिए, एंटीना के साथ श्रृंखला में एक भारण कुंडली को समायोजित किया जाता है। कुंडली छोटे ऐन्टेना के धारिता प्रतिघात के समान और विपरीत एक आगमनात्मक प्रतिक्रिया के लिए निर्मित किया गया है, इसलिए अभिक्रिया का संयोजन रद्द हो जाता है। जब इतना भार समायोजित किया जाता है तो ऐन्टेना संचार लाइन के लिए एक शुद्ध प्रतिरोध प्रस्तुत करता है तथा ऊर्जा को परावर्तित होने से रोकता है। भारण कुंडली को प्रायः एंटीना के आधार पर, इसके और संचार लाइन के मध्य रखा जाता है, परंतु अधिक कुशल विकिरण के लिए, इसे कभी-कभी एंटीना तत्व के मध्य बिंदु के पास समायोजित किया जाता है।

शक्तिशाली प्रेषकों के लिए कुंडली भारित करने में विशेष रूप से कम आवृत्तियों पर चुनौतीपूर्ण प्रारूप आवश्यकताएं हो सकती हैं। छोटे एंटेना का विकिरण प्रतिरोध बहुत कम जैसे कम आवृत्ति या बहुत कम आवृत्ति बैंड में कुछ ओम हो सकता है, जहां एंटेना सामान्यतः छोटे होते हैं और आगमनात्मक भारण की सबसे अधिक आवश्यकता होती है। क्योंकि कुंडली वाइंडिंग में प्रतिरोध विकिरण, प्रतिरोध के बराबर है, या उससे अधिक है, अत्यधिक विद्युत रूप से छोटे एंटेना के लिए भारण कुंडली में संकार्य आवृत्ति पर बेहद कम एसी विद्युत प्रतिरोध होना चाहिए। त्वचा के प्रभाव के नुकसान को कम करने के लिए, एकल परत वाइंडिंग के साथ, निकटता प्रभाव प्रतिरोध को कम करने के लिए अलग-अलग घुमावों के साथ कुंडल प्रायः टयूबिंग या लिट्ज तार से बना होता है। उन्हें प्रायः उच्च विभव को संभालना पड़ता है। परावैद्युत हानि में विद्युतकीय हानि को कम करने के लिए, तार को प्रायः पतली सिरेमिक पट्टियों पर समर्थित वायु में निलंबित कर दिया जाता है। कम आवृत्तियों पर उपयोग किए जाने वाले धारिता भारित एंटेना में अत्यधिक संकीर्ण बैंडविंड होते हैं, और इसलिए यदि आवृत्ति परिवर्तित की जाती है तो एंटीना को नई प्रेषक आवृत्ति के साथ प्रतिध्वनित करने के लिए भारण कुंडली को समायोजित किया जाना चाहिए और इसीलिए प्रेरक प्रायः उपयोग किया जाता है।

थोक विद्युत संचार

लंबी दूरी तक बल्क बिजली ट्रांसमिशन लाइन पर उच्च धारिता के कारण होने वाले हानियों को कम करने के लिए, एक लचीला एसी संचरण प्रणाली (एफएसीतीएस), एक स्थिर वार प्रतिकारक, या एक स्थिर समकालिक शृंखला प्रतिकारक के साथ परिपथ में प्रेरकत्व प्रस्तुत किया जा सकता है। यदि यह परिपथ को प्रेरकत्व की आपूर्ति कर रहा है तों श्रृंखला प्रतिकारक को श्रृंखला में परिपथ से युग्मित एक प्रेरक के रूप में माना जा सकता है।

कैंपबेल समीकरण

कैंपबेल समीकरण एक भारित लाइन के प्रसार स्थिरांक का अनुमान लगाने के लिए जॉर्ज एशले कैंपबेल द्वारा दिया गया एक समीकरण है। यह इस प्रकार है;

$\cosh \left(\gamma 'd\right)=\cosh(\gamma d)+{\frac {Z}{2Z_{0}}}\sinh(\gamma d)$

जहाँ,

$\gamma \!\,$ अभारित लाइन का प्रसार स्थिरांक है

$\gamma '\!\,$ भारित लाइन का प्रसार स्थिरांक है

$d\!\,$ भार लाइन पर कुंडली के बीच का अंतराल है

$Z\!\,$ एक भारण कुंडली का प्रतिबाधा है और

$Z_{0}\!\,$ अभारित लाइन की विशेषता प्रतिबाधा है।

अभियांत्रिकी के अनुकूल एक और नियम है कि भारण कुंडलीयों के अनुमानित अंतराल का अनुमान लगाने के लिए, अधिकतम आवृत्ती के तरंगदैर्ध्य प्रति दस कुंडलियों की आवश्यकता होती है जो प्रेषित की जा रही है। भारित लाइन को स्थिर k फिल्टर के रूप में मानकर और उस पर छवि प्रतिबाधा लागू करके इस सन्निकटन पर पहुंचा जा सकता है। आधारभूत छवि फिल्टर सिद्धांत से कोणीय कटऑफ आवृत्ति और कम-पास फिल्टर की विशेषता प्रतिबाधा k फिल्टर द्वारा दिया जाता है;

$\omega _{c}={\frac {1}{\sqrt {L_{\frac {1}{2}}C_{\frac {1}{2}}}}}$ और, $Z_{0}={\sqrt {\frac {L_{\frac {1}{2}}}{C_{\frac {1}{2}}}}}$

जहाँ ${\textstyle L_{\frac {1}{2}}}$ और $C_{\frac {1}{2}}$ आधा खंड तत्व मान हैं।

इन आधारभूत समीकरणों से आवश्यक भारण कुंडली प्रेरकत्व और कुंडली अंतराल पाई जा सकती है;

$L={\frac {Z_{0}}{\omega _{c}}}$ और, $d={\frac {2}{\omega _{c}Z_{0}C}}$

जहाँ C लाइन की प्रति इकाई लंबाई की धारिता है।

कटऑफ तरंगदैर्ध्य उत्पाद प्रति कुंडली की संख्या के संदर्भ में इसे व्यक्त करना;

${\frac {\lambda _{c}}{d}}=\pi vZ_{0}C$

जहाँ v विचाराधीन तार के प्रसार का वेग है।

तब से ${\textstyle v={1 \over Z_{0}C}}$ तब

${\frac {\lambda _{c}}{d}}=\pi$.

कैंपबेल इस अभिव्यक्ति पर 1898 में चार्ल्स गॉडफ्रे द्वारा वर्णित भार के साथ समय-समय पर भरी हुई एक यांत्रिक रेखा के साथ सादृश्य द्वारा पहुंचे, जिन्होंने एक समान परिणाम प्राप्त किया। इस तरह की यांत्रिक भार लाइनों का अध्ययन सबसे पहले जोसेफ-लुई लाग्रेंज (1736-1813) ने किया था।

कटऑफ की घटना जिससे कटऑफ आवृत्ति से ऊपर की आवृत्तियों को प्रसारित नहीं किया जाता है, भारण कुंडली का एक अवांछनीय दुष्प्रभाव है। यद्यपि यह निष्क्रिय एनालॉग फिल्टर विकास में अत्यधिक उपयोगी साबित हुआ। कटऑफ के निरंतर भारण के उपयोग से बचा जाता है क्योंकि यह भारण कुंडलीयों की पिंडित प्रकृति से उत्पन्न होता है।

इतिहास

ओलिवर हीविसाइड

File:Heaviside cropped.png

ओलिवर हीविसाइड

भारण कुंडली की उत्पत्ति संचार लाइनों के सिद्धांत पर ओलिवर हीविसाइड के कार्य में पाई जा सकती है। हीविसाइड (1881) ने असीम रूप से छोटे परिपथ तत्वों के नेटवर्क के रूप में रेखा का प्रतिनिधित्व किया। इस नेटवर्क के विश्लेषण के लिए अपने परिचालन कलन को लागू करके उन्होंने (1887) की खोज की जिसे हीविसाइड स्थिति के रूप में जाना जाता है। यह वह शर्त है जिसे पारेषण लाइन को विरूपण से मुक्त करने के लिए पूरा किया जाना चाहिए। हीविसाइड स्थिति यह है कि श्रृंखला विद्युत प्रतिबाधा, Z, सभी आवृत्तियों पर विद्युत उपमार्ग प्रवेश्यता, Y के समानुपाती होनी चाहिए। प्राथमिक रेखा गुणांक के संदर्भ में निम्नलिखित स्थिति है:

${\frac {R}{G}}={\frac {L}{C}}$

जहाँ:

$R$ प्रति इकाई लंबाई लाइन का श्रृंखला प्रतिरोध है

$L$ प्रति इकाई लंबाई की रेखा का स्व-प्रेरकत्व श्रृंखला है

$G$ विद्युत उपमार्ग रिसाव विद्युत प्रतिरोध और प्रति इकाई लंबाई लाइन अवरोधक का संचालन है

$C$ लाइन संचालक प्रति इकाई लंबाई के बीच विद्युत उपमार्ग धारिता है

हीविसाइड को पता था कि उनके दिन में व्यावहारिक टेलीग्राफ तारों में यह स्�