Литература / Лекции С.А.Попов / Tema_7_Bak_chetyrekh
.doc
ТЕМА 7_Бак |
многополюсные цепи |
7. Основы теории четырехполюсников7.1. Уравнения четырехполюсника 7.2. Коэффициенты четырехполюсника 7.3. Эквивалентные схемы 7.4. Характеристические параметры четырехполюсника
|
7. Основы теории четырехполюсников
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Четырехполюсник – часть электрической цепи, имеющая два входных и два выходных зажима (трансформатор, линия электропередачи, фильтр, электронный усилитель).
Понятием "четырехполюсник" пользуются, когда нужно знать токи и напряжения на входе и выходе электротехнического устройства и нет необходимости знать токи и напряжения внутри этого устройства.
Пассивный четырехполюсник – четырехполюсник не содержит источника энергии (активный – содержит).
Симметричный четырехполюсник – перемена местами его входных и выходных зажимов не изменяет входных и выходных напряжений и токов.
7.1. Уравнения четырехполюсника
Связь между напряжениями и токами на входе и выходе четырехполюсника (Ú1, İ1, Ú2, İ2) выражается с помощью двух уравнений четырехполюсника, в которых по двум заданным величинам находят две другие.
Всего можно записать шесть различных по форме, но по существу эквивалентных систем уравнений (число сочетаний из четырех по два).
, .
Этим уравнениям соответствуют определенные условно положительные направления токов и напряжений во входной и выходной цепях четырехполюсника.
Параметры (коэффициенты) четырехполюсника () зависят от структуры (схемы внутренних соединений) четырехполюсника, величин сопротивлений элементов, составляющих четырехполюсник, и представляют в общем случае комплексные числа.
Для каждого четырехполюсника эти коэффициенты можно определить расчетным или опытным путем.
– тип (форма) А;
или
– основное уравнение четырехполюсника.
– тип B;
или
Уравнения связи между коэффициентами
.
Для симметричного четырехполюсника
.
– Z - форма. Уравнение связи .
– Y - форма. Уравнение связи .
– H - форма. Уравнение связи .
– G - форма. Уравнение связи .
Коэффициенты четырехполюсника для различных форм записи связаны между собой соотношениями, позволяющими переходить от одной формы записи уравнений к другой. Эти соотношения даются в справочниках. Поэтому достаточно установить значения коэффициентов и другие зависимости для одной формы записи и тогда можно получить все необходимые величины для любой другой формы записи.
В дальнейшем все необходимые соотношения будем рассматривать для А-формы записи уравнений.
Для записи уравнений четырехполюсника широко применяют матричную форму записи. Это особенно удобно и эффективно при исследовании режимов работы нескольких четырехполюсников, соединенных между собой тем или иным способом (каскадно, последовательно, параллельно и т. д.).
или ;
или .
7.2. Коэффициенты четырехполюсника
Четырехполюсник задан, если известны его коэффициенты.
Практически для расчета коэффициентов пользуются величинами входных сопротивлений четырехполюсника в режиме КЗ и ХХ.
Сопротивления ХХ и КЗ могут быть либо измерены с помощью измерительного моста или амперметра, вольтметра, ваттметра и фазометра, включенных вначале со стороны входа, а затем со стороны выхода (обратное КХ и ХХ), либо вычислены по известной схеме четырехполюсника. Затем по полученным и определяют коэффициенты по известным формулам.
ВХОДНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Со входа
.
С выхода
.
Для симметричного четырехполюсника
, .
При ХХ
; , .
При КЗ
; , .
Отсюда:
; ; ; .
Легко показать, что
; .
Учитывая уравнение связи для вычисления 4-х коэффициентов надо определить только 3 входных сопротивления.
Для симметричного четырехполюсника , а потому достаточно знать только два входных сопротивления (, ).
; ; ; ; ;
.
7.3. Эквивалентные схемы
Любой сложный четырехполюсник можно заменить простой схемой замещения.
Так как пассивный четырехполюсник характеризуется только тремя независимыми параметрами, то простейшая эквивалентная схема замещения четырехполюсника должна содержать 3 элемента: Т-образная и П-образная схема.
Для Т-образной схемы замещения:
; ; .
Для П-образной схемы замещения:
; ; .
Для симметричного четырехполюсника:
; .
7.4. Характеристические параметры четырехполюсника
При прохождении сигнала через четырехполюсник важно дать оценку изменения напряжения (тока) как по модулю, так и по фазе.
; ;
;
; ; .
Аналогично: .
В полученных выражениях ослабление по модулю и изменение фазы напряжения (тока) зависит как от обобщенных параметров (коэффициентов) четырехполюсника, так и от полного сопротивления нагрузки.
Для сравнения различных четырехполюсников с точки зрения прохождения через них сигналов желательно давать оценку только опираясь на коэффициенты четырехполюсника.
Для этого следует взять какую-либо определенную нагрузку и связать ее с коэффициентами четырехполюсника, т.е. сравнивать четырехполюсники следует при какой-то определенной нагрузке.
Известно, что входное сопротивление четырехполюсника:
; – для симметричного четырехполюсника.
Для практики наибольший интерес представляет согласованный режим каскадно включенных симметричных четырехполюсников. Для согласованного режима надо подобрать . Это сопротивление называется характеристическим и обозначается:
;
тогда , отсюда .
Условие согласования каскадов – входное сопротивление последующего каскада равно выходному сопротивлению предыдущего. При этом обеспечивается максимум передачи мощности.
Характеристическим называется сопротивление нагрузки симметричного четырехполюсника, обеспечивающее ему режим согласованной нагрузки.
Рассмотрим случай симметричного четырехполюсника:
.
Режим симметричного четырехполюсника, нагруженного на характеристическое сопротивление () называется режимом согласованной нагрузки, так как в этом случае входное сопротивление четырехполюсника равно сопротивлению нагрузки и равно .
Для согласованного режима симметричного четырехполюсника
;
Аналогично: .
– отношение представляет собой комплексное число:
,
где [безразмерная величина] – модуль отношения напряжений (токов) на входе и на выходе – показывает, во сколько раз изменяется по модулю напряжение (ток) при прохождении через четырехполюсник.
– постоянная фазы четырехполюсника, показывающая на сколько изменяется фаза напряжения (тока) при прохождении через четырехполюсник.
Для оценки изменения напряжения (тока) при прохождении через четырехполюсник как по модулю, так и по фазе одной величиной (!) заменяют .
Тогда ,
где – постоянная передачи четырехполюсника;
– постоянная ослабления.
– непер.
1 |
2,72 |
10 |
100 |
1000 |
|
, Нп |
0 |
1 |
2,3 |
4,6 |
6,9 |
1 Нп – затухание, при котором .
Затухание в неперах:
.
Затухание в белах [Б]:
.
Затухание в децибелах [дБ]:
.
.
и – характеристические параметры симметричного четырехполюсника, зависящие только от структуры и параметров элементов четырехполюсника:
; или .
Если учесть, что , то можно выразить коэффициенты симметричного четырехполюсника через характеристические параметры:
;
;
;
;
;
.
В результате преобразований получим:
;
;
.
Тогда уравнения симметричного четырехполюсника в гиперболической форме записи:
Эти уравнения применимы при любой нагрузке и широко используются в теории фильтров и теории электрических цепей с распределенными параметрами.
В технических устройствах источник энергии (или сигналов) соединяют с приемником через цепь, состоящую из ряда четырехполюсников, соединенных каскадно, то есть входные зажимы каждого последующего четырехполюсника соединяют с выходными зажимами предыдущего.
В таких устройствах важно обеспечить максимум передачи мощности от источника к приемнику, то есть согласованный режим работы всех каскадов.
Условие согласования каскадов – входное сопротивление последующего каскада равно выходному сопротивлению предыдущего.
Рассмотрим наиболее интересный для практики случай симметричного четырехполюсника:
.
Для четырехполюсника в А–форме:
;
; .
– характеристическое (повторное) сопротивление симметричного четырехполюсника.
Нагружая четырехполюсник на на входе четырехполюсника будет сопротивление .
Тогда .
Для режима согласованной нагрузки симметричного четырехполюсника: