Преобразование эквивалентного импеданса
Линейный сетевой анализ | |
---|---|
Элементы | |
Компоненты | |
Последовательные и параллельные цепи | |
Преобразование импеданса | |
Теоремы о генераторе | Сетевые теоремы |
Методы сетевого анализа | |
Двухпортовые параметры | |
Эквивалентное сопротивление – это эквивалентная схема электрической сети из импедансных элементов. [примечание 2] который обеспечивает одинаковое сопротивление между всеми парами клемм [примечание 10] как и данная сеть. В этой статье описываются математические преобразования между некоторыми пассивными импеданса , цепями линейного обычно встречающимися в электронных схемах.
Существует ряд очень хорошо известных и часто используемых эквивалентных схем в линейном анализе сетей . К ним относятся резисторы, включенные последовательно , резисторы, включенные параллельно , а также расширение последовательных и параллельных цепей для конденсаторов , катушек индуктивности и общих импедансов. Также хорошо известны Нортона и Тевенена схемы эквивалентного генератора тока и напряжения соответственно, а также преобразование Y-Δ . Ни один из них здесь подробно не обсуждается; следует ознакомиться с отдельными связанными статьями.
Число эквивалентных схем, в которые может быть преобразована линейная сеть, не ограничено. Даже в самых тривиальных случаях это можно увидеть, например, спросив, сколько различных комбинаций параллельно включенных резисторов эквивалентны данному комбинированному резистору. Количество последовательных и параллельных комбинаций, которые могут быть сформированы, растет экспоненциально с увеличением количества резисторов n . Численными методами было обнаружено, что для больших n размер набора составляет примерно 2,53. н и аналитически строгие границы задаются последовательностью Фарея Фибоначчи чисел . [1] Эта статья никогда не сможет быть всеобъемлющей, но возможны некоторые обобщения. Вильгельм Кауэр нашел преобразование, которое могло бы породить все возможные эквиваленты данного рационального, [примечание 9] пассивный, линейный, однопортовый , [примечание 8] или, другими словами, любое заданное двухполюсное сопротивление. Также часто встречаются преобразования 4-полюсных, особенно 2-портовых сетей, а также возможны преобразования еще более сложных сетей.
Огромный масштаб темы эквивалентных схем подчеркивается в истории, рассказанной Сидни Дарлингтоном . По словам Дарлингтона, большое количество эквивалентных схем было найдено Рональдом М. Фостером после его и Джорджа Кэмпбелла статьи 1920 года о недиссипативных четырехпортовых схемах. В ходе этой работы они рассмотрели способы соединения четырех портов между собой с помощью идеальных трансформаторов. [примечание 5] и максимальная передача мощности. Они нашли ряд комбинаций, которые могли бы иметь практическое применение, и обратились в патентный отдел AT&T с просьбой запатентовать их. Патентный отдел ответил, что бессмысленно просто патентовать некоторые схемы, если конкурент может использовать эквивалентную схему, чтобы обойти патент; им следует запатентовать все из них или не заморачиваться. Поэтому Фостер приступил к подсчету каждого из них. Он получил огромную сумму — 83 539 эквивалентов (577 722, если включить разные соотношения выходов). Их было слишком много, чтобы их можно было запатентовать, поэтому вместо этого информация была опубликована в открытом доступе, чтобы помешать конкурентам AT&T запатентовать их в будущем. [2] [3]
2-полюсные, 2-элементные сети
[ редактировать ]Одиночный импеданс имеет две клеммы для подключения к внешнему миру, поэтому его можно описать как сеть с двумя клеммами или сетью с одним портом . Несмотря на простое описание, ограничений на количество сеток нет. [примечание 6] и, следовательно, сложность и количество элементов, которые может иметь импедансная сеть. 2-элементный тип [примечание 4] сети распространены в схемотехнике; фильтры, например, часто представляют собой LC сети печатных схем -типа, а разработчики отдают предпочтение сетям RC -типа, поскольку индукторы менее просты в изготовлении. Преобразования проще и легче найти, чем для трехэлементных сетей. Одноэлементные сети можно рассматривать как частный случай двухэлементных сетей. Преобразования, описанные в этом разделе, можно использовать в некоторых трехэлементных сетях, заменив элемент Z n сетью элементов . Однако это ограничивается заменой максимум двух импедансов; остальное не будет свободным выбором. Все уравнения преобразования, приведенные в этом разделе, принадлежат Отто Зобелю . [4]
3-элементные сети
[ редактировать ]Одноэлементные сети бывают тривиальными и двухэлементными, [примечание 3] двухполюсники - это либо два элемента последовательно, либо два элемента параллельно, что тоже тривиально. Наименьшее количество нетривиальных элементов равно трем, и возможны два нетривиальных преобразования двухэлементного типа, одно из которых является одновременно обратным преобразованием и топологическим двойственным преобразованием другого. [5]
4-элементные сети
[ редактировать ]Существует четыре нетривиальных 4-элементных преобразования для сетей 2-элементного типа. Два из них являются обратными трансформациями двух других, а два — двойственными двум другим. Дальнейшие преобразования возможны в частном случае, когда Z 2 делается того же типа элемента, что и Z 1 , то есть когда сеть сводится к одноэлементному виду. Число возможных сетей продолжает расти по мере увеличения количества элементов. Для всех записей в следующей таблице определено: [6]
|
|
2-полюсные, n -элементные, 3-элементные сети
[ редактировать ]
С простыми сетями, состоящими всего из нескольких элементов, можно справиться, формулируя сетевые уравнения «вручную» с применением простых сетевых теорем, таких как законы Кирхгофа . Эквивалентность между двумя сетями доказывается путем непосредственного сравнения двух наборов уравнений и приравнивания коэффициентов . Для больших сетей требуются более мощные методы. Обычный подход состоит в том, чтобы начать с представления сети импедансов в виде матрицы . Этот подход хорош только для рациональных [примечание 9] сети. Любая сеть, включающая распределенные элементы , например, линия передачи , не может быть представлена конечной матрицей. Обычно n -сетка [примечание 6] сети требуется матрица размера n x n Для представления . Например, матрица для трехячеистой сети может выглядеть так:
Элементы матрицы выбираются так, чтобы матрица образовывала систему линейных уравнений относительно напряжений и токов сетки (как определено для анализа сетки ):
Пример диаграммы на рисунке 1, например, можно представить в виде матрицы импеданса следующим образом:
и связанная с ней система линейных уравнений имеет вид
В самом общем случае каждая ветвь [примечание 1] Z p сети может состоять из трех элементов так, что
где L , R и C представляют собой индуктивность , сопротивление и емкость соответственно, а s — комплексной частоты. оператор .
Это общепринятый способ представления общего импеданса, но для целей этой статьи математически удобнее иметь дело с D эластичностью , обратной величиной емкости C . В этих терминах общий импеданс ветви можно представить как
Аналогично, каждая запись матрицы импеданса может состоять из суммы трех элементов. Следовательно, матрицу можно разложить на три матрицы размера n x n , по одной для каждого из трех типов элементов:
Желательно, чтобы матрица [ Z ] представляла импеданс Z ( s ). Для этого петля одной из ячеек разрезается, а Z ( s ) — импеданс, измеренный между разрезанными таким образом точками. Обычно предполагается, что порт внешнего подключения находится в сетке 1 и, следовательно, подключен через вход матрицы Z 11 , хотя было бы вполне возможно сформулировать это с помощью подключений к любым желаемым узлам. [примечание 7] В последующем обсуждении Z ( s ) взято через Z 11 предполагается, что . Z ( s ) можно вычислить из [ Z ] по [7]
где z 11 — дополнение к Z 11 и | Я | является определителем [ Z ].
Для приведенного выше примера сети:
- и,
Правильность этого результата легко проверить более прямым методом последовательного и параллельного подключения резисторов. Однако такие методы быстро становятся утомительными и громоздкими с ростом размера и сложности анализируемой сети.
Записи [ R ], [ L ] и [ D ] не могут быть установлены произвольно. Чтобы [ Z ] мог реализовать импеданс Z ( s ), тогда [ R ],[ L ] и [ D ] все должны быть положительно определенными матрицами . Даже тогда реализация Z ( s ) будет, вообще говоря, содержать идеальные преобразователи [примечание 5] внутри сети. Найти только те преобразования, которые не требуют взаимных индуктивностей или идеальных трансформаторов, является более сложной задачей. Аналогично, если начать с «другого конца» и указать выражение для Z ( s ), это опять-таки нельзя сделать произвольно. Чтобы быть реализованным как рациональный импеданс, Z ( s ) должен быть положительно-действительным . Условие положительно-действительного (PR) является одновременно необходимым и достаточным. [8] но могут быть практические причины для отказа от некоторых топологий . [7]
Общее преобразование импеданса для поиска эквивалентных рациональных однопортовых из данного экземпляра [ Z ] принадлежит Вильгельму Кауэру . Группа вещественных аффинных преобразований
- где
инвариантен в Z ( s ). То есть все преобразованные сети эквивалентны согласно данному здесь определению. Если Z ( s ) для исходной заданной матрицы реализуема, то есть удовлетворяет условию PR, то все преобразованные сети, созданные в результате этого преобразования, также будут удовлетворять условию PR. [7]
3- и 4-полюсные сети
[ редактировать ]
При обсуждении 4-полюсных сетей сетевой анализ часто проводится с точки зрения 2-портовых сетей, которые охватывают широкий спектр практически полезных схем. «2-портовый», по сути, относится к способу подключения сети к внешнему миру: терминалы попарно подключены к источнику или нагрузке. Можно взять точно такую же сеть и подключить ее к внешней схеме таким образом, чтобы она больше не работала как 2-портовая. Эта идея продемонстрирована на рисунке 2.


Сеть с 3 терминалами также может использоваться как 2-портовая. Для этого один из терминалов подключается совместно с одним терминалом обоих портов. Другими словами, один терминал был разделен на два терминала, и сеть фактически была преобразована в сеть с 4 терминалами. Эта топология известна как несбалансированная топология и противоположна сбалансированной топологии. Сбалансированная топология требует, как показано на рисунке 3, чтобы импеданс, измеренный между клеммами 1 и 3, был равен импедансу, измеренному между 2 и 4. Это пары клемм, не образующие порты: случай, когда пары клемм, образующих порты, имеют равные значения. импеданс называется симметричным . Строго говоря, любая сеть, не удовлетворяющая условию балансировки, является несбалансированной, но этот термин чаще всего относится к 3-полюсной топологии, описанной выше и на рисунке 3. Преобразование несбалансированной 2-портовой сети в сбалансированную сеть обычно довольно просто. : все последовательно соединенные элементы разделены пополам, причем одна половина перемещается в общую ветвь. Преобразование из сбалансированной в несбалансированную топологию часто возможно с помощью обратного преобразования, но в некоторых случаях определенные топологии невозможно преобразовать таким способом. Например, см. обсуждение решеточных преобразований ниже.
Примером преобразования сети с 3 терминалами, которое не ограничивается 2 портами, является преобразование Y-Δ . Это особенно важное преобразование для нахождения эквивалентных импедансов. Его важность обусловлена тем фактом, что общий импеданс между двумя терминалами не может быть определен исключительно путем расчета последовательных и параллельных комбинаций, за исключением определенного ограниченного класса сети. В общем случае требуются дополнительные преобразования. Преобразование Y-Δ, его обратное преобразование Δ-Y и n -концевые аналоги этих двух преобразований ( преобразования звезда-многоугольник ) представляют собой минимальные дополнительные преобразования, необходимые для решения общего случая. Последовательная и параллельная топология, по сути, представляют собой двухполюсные версии звездообразной и многоугольной топологии. Распространенной простой топологией, которую невозможно решить с помощью последовательных и параллельных комбинаций, является входное сопротивление мостовой сети (за исключением особого случая, когда мост находится в балансе). [9] Остальные преобразования в этом разделе можно использовать только с 2 портами.
Решетчатые преобразования
[ редактировать ]Симметричные двухпортовые сети можно преобразовать в решетчатые сети с помощью теоремы Бартлетта о бисекции . Этот метод ограничен симметричными сетями, но он включает в себя множество топологий, обычно встречающихся в фильтрах, аттенюаторах и эквалайзерах . Топология решетки по своей сути сбалансирована, несбалансированного аналога решетки не существует, и для нее обычно требуется больше компонентов, чем для преобразованной сети.
Некоторые общие сети преобразованы в решетки (X-сети) | |||
---|---|---|---|
Описание | Сеть | Преобразование уравнений | Преобразованная сеть |
Трансформация 3.1 Преобразование Т-сети в решетчатую сеть. [10] | ![]() | ![]() | |
Трансформация 3.2 Преобразование Π-сети в решетчатую сеть. [10] | ![]() | ![]() | |
Трансформация 3.3 Преобразование сети Bridged-T в решетчатую сеть. [11] | ![]() | ![]() |
Обратные преобразования от решетки к несбалансированной топологии не всегда возможны с точки зрения пассивных компонентов. Например, это преобразование:
Описание | Сеть | Преобразованная сеть |
---|---|---|
Трансформация 3.4 Преобразование решетчатого фазового эквалайзера в Т-цепь. [12] | ![]() | ![]() |
невозможно реализовать с помощью пассивных компонентов из-за возникающих в преобразованной схеме отрицательных значений. Однако это можно реализовать, если, например, в этой схеме разрешены взаимные индуктивности и идеальные трансформаторы . Другая возможность состоит в том, чтобы разрешить использование активных компонентов, которые позволили бы отрицательные импедансы непосредственно в качестве компонентов схемы. реализовать [13]
Иногда такое преобразование может оказаться полезным не для целей фактического построения преобразованной схемы, а скорее для того, чтобы помочь понять, как работает исходная схема. Следующая схема в мостовой Т-топологии представляет собой модификацию Т-образного фильтра на основе m средней серии . Схема принадлежит Хендрику Боде, который утверждает, что добавление мостового резистора подходящего номинала устранит паразитное сопротивление шунтирующего индуктора. Действие этой схемы становится ясным, если ее преобразовать в Т-топологию – в этой форме в шунтирующей ветви имеется отрицательное сопротивление, которое можно сделать равным положительному паразитному сопротивлению дросселя. [14]
Описание | Сеть | Преобразованная сеть |
---|---|---|
Трансформация 3.5 Преобразование секции фильтра нижних частот мостового типа в Т-образную секцию. [14] | ![]() | ![]() |
Любая симметричная сеть может быть преобразована в любую другую симметричную сеть тем же методом, то есть путем сначала преобразования в промежуточную форму решетки (опущена для ясности в приведенном выше примере преобразования) и из формы решетки в требуемую целевую форму. Как и в примере, это обычно приводит к отрицательным элементам, за исключением особых случаев. [15]
Устранение резисторов
[ редактировать ]Теорема Сидни Дарлингтона утверждает, что любая PR-функция Z ( s ) может быть реализована как двухполюсник без потерь, оканчивающийся положительным резистором R. То есть, независимо от того, сколько резисторов присутствует в матрице [ Z ], представляющей цепь импеданса , можно найти преобразование, которое полностью реализует сеть как сеть типа LC только с одним резистором на выходном порту (который обычно представляет собой нагрузку). Для реализации заданного отклика не требуются никакие резисторы в сети. Следовательно, всегда можно уменьшить 2-полюсные сети 3-элементного типа до 2-портовых сетей 2-элементного типа (LC) при условии, что выходной порт подключен к сопротивлению требуемого значения. [8] [16] [17]
Устранение идеальных трансформаторов
[ редактировать ]Элементарное преобразование, которое можно выполнить с помощью идеальных трансформаторов и какого-либо другого элемента импеданса, заключается в смещении импеданса на другую сторону трансформатора. Во всех следующих преобразованиях r — коэффициент трансформации трансформатора.
Эти преобразования применимы не только к отдельным элементам; через трансформатор можно пропустить целые сети. Таким образом трансформатор можно переместить по сети в более удобное место.
Дарлингтон предлагает эквивалентное преобразование, которое может полностью исключить идеальный преобразователь. Этот метод требует, чтобы трансформатор находился рядом (или мог быть перемещен рядом) с L-цепью с одинаковыми импедансами. Преобразование во всех вариантах приводит к тому, что сеть «L» смотрит в противоположную сторону, то есть топологически зеркально отражается. [2]
Описание | Сеть | Преобразованная сеть |
---|---|---|
Трансформация 5.1 Устранение понижающего трансформатора. | ![]() | ![]() |
Трансформация 5.2 Устранение повышающего трансформатора. | ![]() | ![]() |
Пример 3. Пример преобразования 5.1. | ![]() | ![]() |
Пример 3 показывает, что результатом является Π-сеть, а не L-сеть. Причина этого в том, что шунтирующий элемент имеет большую емкость, чем требуется для преобразования, поэтому после применения преобразования ее часть все еще остается. Если бы вместо этого избыток находился в элементе, ближайшем к трансформатору, с этим можно было бы справиться, сначала переместив избыток на другую сторону трансформатора, прежде чем выполнять преобразование. [2]
Терминология
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Ветвь . Ветвь сети — это группа элементов, соединенных последовательно между двумя узлами. Существенной особенностью ветви является то, что через все ее элементы протекает одинаковый ток.
- ^ Перейти обратно: а б Элемент . Компонент сети, отдельный резистор (R), катушка индуктивности (L) или конденсатор (C).
- ^ Перейти обратно: а б n -элемент . Сеть, содержащая в общей сложности n элементов всех видов.
- ^ Перейти обратно: а б n -вид элемента . Сеть, содержащая n элементов разного типа. Например, сеть, состоящая исключительно из элементов LC, является сетью двухэлементного типа.
- ^ Перейти обратно: а б с Идеальный трансформер . Они часто появляются в сетевом анализе. Они представляют собой чисто теоретическую конструкцию, которая прекрасно преобразует напряжения и токи по заданному соотношению без потерь. Реальные трансформаторы очень эффективны и часто могут использоваться вместо идеального трансформатора. Одним из существенных отличий является то, что идеальные трансформаторы продолжают работать под напряжением постоянного тока , чего ни один настоящий трансформатор никогда не сможет сделать. Смотри трансформатор .
- ^ Перейти обратно: а б с н -сетка . Сетка — это петля сети, в которой существуют соединения, позволяющие току проходить от элемента к элементу и образующие непрерывный путь, возвращающийся в конечном итоге к исходной точке. Существенная сетка — это такой цикл, который не содержит других циклов. n - ячеистая сеть — это сеть, содержащая n существенных ячеек.
- ^ Перейти обратно: а б Узел . Узел сети — это точка в цепи, в которой соединен один терминал из трех или более элементов.
- ^ Перейти обратно: а б Порт . Пара клемм сети, в которую протекают равные и противоположные токи.
- ^ Перейти обратно: а б с Рациональное в этом контексте означает сеть, состоящую из конечного числа элементов. Поэтому распределенные элементы , например, в линии передачи, исключаются, поскольку бесконечно малая природа элементов приведет к тому, что их количество будет стремиться к бесконечности .
- ^ Перейти обратно: а б Терминал . Точка в сети, к которой может быть подключено внешнее по отношению к сети напряжение и в которую могут течь внешние токи. Сеть с двумя терминалами также является сетью с одним портом. Сети с 3 и 4 клеммами часто, но не всегда, также подключаются как сети с 2 портами.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хан, с. 154
- ^ Перейти обратно: а б с Дарлингтон, с. 6.
- ^ Фостер и Кэмпбелл, с. 233
- ^ Зобель, 1923.
- ^ Зобель, с. 45.
- ^ Зобель, стр. 45–46.
- ^ Перейти обратно: а б с Э. Кауэр и др. , с. 4.
- ^ Перейти обратно: а б Белевич, с. 850
- ^ Фараго, стр. 18–21.
- ^ Перейти обратно: а б Зобель, стр. 19–20.
- ^ Фараго, стр. 117–121.
- ^ Фараго, стр. 117.
- ^ Дарлингтон, стр. 5–6.
- ^ Перейти обратно: а б Боде, Хендрик В., Волновой фильтр , патент США № 2002216, поданный 7 июня 1933 г., выданный 21 мая 1935 г.
- ^ Бартлетт, с. 902.
- ^ Э. Кауэр и др., стр. 6–7.
- ^ Дарлингтон, с. 7.
Библиография
[ редактировать ]- Бартлетт, AC , «Расширение свойств искусственных линий», Phil. Маг. , том 4 , с. 902, ноябрь 1927 г.
- Белевич В. , «Краткое содержание истории теории цепей», Труды IRE , том 50 , выпуск 5, стр. 848–855, май 1962 г.
- Э. Кауэр, В. Матис и Р. Паули, «Жизнь и деятельность Вильгельма Кауэра (1900–1945)» , Труды четырнадцатого международного симпозиума по математической теории сетей и систем , Перпиньян, июнь 2000 г.
- Фостер, Рональд М .; Кэмпбелл, Джордж А. , «Сети с максимальной выходной мощностью для телефонных подстанций и цепей ретрансляторов» , Труды Американского института инженеров-электриков , том 39 , выпуск 1, стр. 230–290, январь 1920 г.
- Дарлингтон, С. , «История сетевого синтеза и теории фильтров для схем, состоящих из резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов», IEEE Trans. Схемы и системы , том 31 , стр. 3–13, 1984.
- Фараго, П.С., Введение в линейный сетевой анализ , The English Universities Press Ltd, 1961.
- Хан, Самин Ахмед, «Последовательности Фэри и резисторные сети» , Труды Индийской академии наук (математические науки) , том 122 , выпуск 2, стр. 153–162, май 2012 г.
- Зобель, О.Дж. , Теория и проектирование однородных и составных фильтров электрических волн , Технический журнал Bell System, Vol. 2 (1923), стр. 1–46.