Jump to content

Преобразование эквивалентного импеданса

Линейный сетевой анализ
Элементы

СопротивлениеРеактивное сопротивлениеИмпеданс
проводимость

Компоненты

Последовательные и параллельные цепи

Преобразование импеданса

Преобразование Y-ΔΔ-Y преобразованиеПреобразования звезда-многоугольник

Теоремы о генераторе Сетевые теоремы

Методы сетевого анализа

Двухпортовые параметры

z-параметрыy-параметрыh-параметрыg-параметрыS-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]

Описание Сеть Преобразование уравнений Преобразованная сеть
Трансформация 1.1
Преобразование 1.2 является обратным этому преобразованию.


Трансформация 1.2
Обратное преобразование и топологическое двойственное преобразованию 1.1.


Пример 1.
Пример Трансформации 1.2. Уменьшенный размер индуктора имеет практические преимущества.

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]

,
,
,
,
.
Описание Сеть Преобразование уравнений Преобразованная сеть
Трансформация 2.1
Преобразование 2.2 является обратным этому преобразованию. Преобразование 2.3 является топологическим двойником этого преобразования.
Трансформация 2.2
Преобразование 2.1 является обратным этому преобразованию. Преобразование 2.4 является топологическим двойником этого преобразования.
Трансформация 2.3
Преобразование 2.4 является обратным этому преобразованию. Преобразование 2.1 является топологическим двойником этого преобразования.
Трансформация 2.4
Преобразование 2.3 является обратным этому преобразованию. Преобразование 2.2 является топологическим двойником этого преобразования.
Пример 2.
Пример Трансформации 2.2.

2-полюсные, n -элементные, 3-элементные сети

[ редактировать ]
Рис. 1. Простой пример сети импедансов с использованием резисторов только для наглядности. Однако анализ сетей с другими импедансными элементами осуществляется по тем же принципам. Показаны две сетки с номерами в кружках. Сумма импедансов вокруг каждой сетки, p, будет формировать диагональ элементов матрицы Z pp . Импеданс ветвей, общих для двух сеток p и q, будет формировать записи — Z pq . Z pq , p≠q, всегда будет иметь знак минус при условии, что токи в контуре определены в одном и том же направлении (обычно против часовой стрелки) и сетка не содержит идеальных трансформаторов или взаимных индукторов.

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 ]
Рис. 2. 4-клеммная сеть, соединенная портами (вверху), имеет равные и противоположные токи в каждой паре клемм. Нижняя сеть не соответствует условию порта и не может рассматриваться как двухпортовая. Однако его можно рассматривать как несбалансированный 3-портовый, разделив один из терминалов на три общих терминала, совместно используемых всеми портами.

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.

Эквивалентные несбалансированные и сбалансированные сети. Импеданс последовательных элементов в симметричной версии составляет половину соответствующего импеданса несимметричной версии.
Рис. 3. Чтобы быть сбалансированной, сеть должна иметь одинаковое сопротивление в каждой «ветви» цепи.

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.

Описание Сеть Преобразованная сеть
Трансформация 4.1
Последовательное сопротивление через понижающий трансформатор.
Трансформация 4.2
Шунтируйте сопротивление через понижающий трансформатор.
Трансформация 4.3
Шунтирующая и последовательная цепь импеданса через повышающий трансформатор.

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 ]
  1. ^ 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.
  2. ^ Перейти обратно: а б Элемент . Компонент сети, отдельный резистор (R), катушка индуктивности (L) или конденсатор (C).
  3. ^ Перейти обратно: а б n -элемент . Сеть, содержащая в общей сложности n элементов всех видов.
  4. ^ Перейти обратно: а б n -вид элемента . Сеть, содержащая n элементов разного типа. Например, сеть, состоящая исключительно из элементов LC, является сетью двухэлементного типа.
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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.
  7. ^ Перейти обратно: а б Узел . Узел сети — это точка в цепи, в которой соединен один терминал из трех или более элементов.
  8. ^ Перейти обратно: а б Порт . Пара клемм сети, в которую протекают равные и противоположные токи.
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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.
  1. ^ Хан, с. 154
  2. ^ Перейти обратно: а б с Дарлингтон, с. 6.
  3. ^ Фостер и Кэмпбелл, с. 233
  4. ^ Зобель, 1923.
  5. ^ Зобель, с. 45.
  6. ^ Зобель, стр. 45–46.
  7. ^ Перейти обратно: а б с Э. Кауэр и др. , с. 4.
  8. ^ Перейти обратно: а б Белевич, с. 850
  9. ^ Фараго, стр. 18–21.
  10. ^ Перейти обратно: а б Зобель, стр. 19–20.
  11. ^ Фараго, стр. 117–121.
  12. ^ Фараго, стр. 117.
  13. ^ Дарлингтон, стр. 5–6.
  14. ^ Перейти обратно: а б Боде, Хендрик В., Волновой фильтр , патент США № 2002216, поданный 7 июня 1933 г., выданный 21 мая 1935 г.
  15. ^ Бартлетт, с. 902.
  16. ^ Э. Кауэр и др., стр. 6–7.
  17. ^ Дарлингтон, с. 7.

Библиография

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 61479d9176734694ef5c332bcc61b5e2__1722385980
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/61/e2/61479d9176734694ef5c332bcc61b5e2.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Equivalent impedance transforms - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)