Преобразование эквивалентного импеданса - Equivalent impedance transforms

Линейный сетевой анализ
Элементы

СопротивлениеКонденсатор button.svgИндуктор button.svgРеактивностьИмпедансНапряжение button.svg
ПроводимостьЭластичность button.svgПустая кнопка .svgSusceptance button.svgДопуск button.svgТекущий button.svg

Составные части

Резистор button.svgКонденсатор button.svgИндуктор button.svgЗакон Ома button.svg

Последовательные и параллельные схемы

Последовательный резистор button.svgПараллельный резистор button.svgКнопка последовательного конденсатора.svgПараллельный конденсатор button.svgИндуктор серии button.svgПараллельный индуктор button.svg

Преобразование импеданса

Y-Δ преобразованиеΔ-Y преобразованиепреобразование звезды в многоугольникДвойная кнопка .svg

Генераторные теоремыСеть теоремы

Thevenin button.svgNorton button.svgMillman button.svg

KCL button.svgKVL button.svgTellegen button.svg

Методы сетевого анализа

KCL button.svgKVL button.svgКнопка наложения .svg

Двухпортовые параметры

z-параметрыy-параметрыh-параметрыg-параметрыAbcd-параметр button.svgS-параметры

An эквивалентный импеданс является эквивалентная схема из электрическая сеть из сопротивление элементы[заметка 2] который представляет одинаковый импеданс между всеми парами клемм[примечание 10] как и данная сеть. Эта статья описывает математические преобразования между некоторыми пассивный, линейный сети импеданса, обычно встречающиеся в электронных схемах.

Существует ряд хорошо известных и часто используемых схем замещения в линейных сетевой анализ. К ним относятся резисторы последовательно, резисторы параллельно и расширение до последовательные и параллельные цепи за конденсаторы, индукторы и общие импедансы. Также хорошо известны Нортон и Тевенин эквивалентные схемы генератора тока и генератора напряжения соответственно, как и Y-Δ преобразование. Ни один из них здесь подробно не обсуждается; следует обращаться к отдельным связанным статьям.

Количество эквивалентных схем, в которые может быть преобразована линейная сеть, неограниченно. Даже в самых тривиальных случаях это можно увидеть, например, если спросить, сколько различных комбинаций резисторов, включенных параллельно, эквивалентно данному комбинированному резистору. Количество последовательных и параллельных комбинаций, которые могут быть сформированы, растет экспоненциально с увеличением количества резисторов, п. Для больших п размер набора был определен численными методами приблизительно 2,53п а аналитически строгие оценки даются Последовательность Фари из Числа Фибоначчи.[1] Эта статья никогда не может быть исчерпывающей, но возможны некоторые обобщения. Вильгельм Кауэр нашел преобразование, которое могло бы порождать все возможные эквиваленты данного рационального,[примечание 9] пассивный, линейный однопортовый,[примечание 8] или, другими словами, любой заданный двухполюсный импеданс. Преобразования 4-х концевых, особенно 2 порта, сети также часто встречаются, и возможны преобразования еще более сложных сетей.

Огромный масштаб темы эквивалентных схем подчеркивается в рассказе Сидни Дарлингтон. Согласно Дарлингтону, большое количество эквивалентных схем было найдено Рональд М. Фостер, следуя его и Джорджа Кэмпбелла Статья 1920 г. о недиссипативных четырехпортах. В ходе этой работы они рассмотрели способы соединения четырех портов с помощью идеальных трансформаторов.[примечание 5] и максимальная передача мощности. Они нашли ряд комбинаций, которые могут иметь практическое применение, и спросили AT&T патентный отдел, чтобы они были запатентованы. Патентный отдел ответил, что бессмысленно просто патентовать некоторые схемы, если конкурент может использовать эквивалентную схему для обхода патента; они должны запатентовать их все или не беспокоиться. Поэтому Фостер принялся за вычисление каждого из них. Он пришел к огромной сумме 83 539 эквивалентов (577 722, если учесть различные коэффициенты выпуска). Это было слишком много для патентования, поэтому вместо этого информация была передана в общественное достояние, чтобы не дать конкурентам AT&T запатентовать их в будущем.[2][3]

2-терминальные, 2-элементные сети

Одиночный импеданс имеет две клеммы для подключения к внешнему миру, поэтому может быть описан как 2-контактный или однопортовый, сеть. Несмотря на простое описание, количество сеток не ограничено,[примечание 6] и, следовательно, сложность и количество элементов, которые может иметь импедансная сеть. 2-элементный вид[примечание 4] сети распространены по схемотехнике; фильтры, например, часто LC -видовые сети и печатная схема дизайнеры предпочитают RC -видовые сети, потому что индукторы менее просты в изготовлении. Преобразования проще и легче найти, чем для сетей с тремя элементами. Одноэлементные сети можно рассматривать как частный случай двухэлементного типа. Можно использовать преобразования в этом разделе на некоторых нескольких трехэлементных сетях путем замены сети элементов на элемент Zп. Однако это ограничено максимум двумя заменяемыми импедансами; остаток не будет свободным выбором. Все уравнения преобразования, приведенные в этом разделе, обусловлены Отто Зобель.[4]

3-х элементные сети

Одноэлементные сети бывают тривиальными и двухэлементными,[заметка 3] Двухконтактные сети - это либо два последовательно соединенных элемента, либо два параллельных элемента, также тривиально. Наименьшее количество нетривиальных элементов - три, и возможны два нетривиальных преобразования типа двухэлементов, одно из которых является как обратным преобразованием, так и топологическим преобразованием. двойной, другого.[5]

ОписаниеСетьПреобразовать уравненияПреобразованная сеть
Преобразование 1.1
Преобразование 1.2 является обратным этому преобразованию.
Сеть, 3 элемента (1) .svg

Сеть, 3-элементная (1T) .svg
Преобразование 1.2
Обратное преобразование и топологическое двойственное преобразование преобразования 1.1.
Сеть, 3 элемента (1R) .svg

Сеть, 3 элемента (1TR) .svg
Пример 1.
Пример Transform 1.2. Уменьшенный размер индуктора имеет практические преимущества.
Сеть, пример (1) .svg
Сеть, пример (1T) .svg

4-х элементные сети

Существует четыре нетривиальных 4-элементных преобразования для 2-элементных сетей. Два из них являются обратными преобразованиями двух других, а два являются двойственными двум другим. Дальнейшие преобразования возможны в частном случае Z2 сделать тот же тип элемента, что и Z1, то есть когда сеть сводится к одноэлементной. Количество возможных сетей продолжает расти по мере увеличения количества элементов. Для всех записей в следующей таблице определено:[6]

,
,
,
,
.
ОписаниеСетьПреобразовать уравненияПреобразованная сеть
Преобразование 2.1
Преобразование 2.2 является обратным этому преобразованию. Преобразование 2.3 является топологическим двойником этого преобразования.
Сеть, 4 элемента (1) .svgСеть, 4 элемента (1T) .svg
Преобразование 2.2
Преобразование 2.1 является обратным этому преобразованию. Преобразование 2.4 является топологическим двойником этого преобразования.
Сеть, 4 элемента (2) .svgСеть, 4 элемента (2T) .svg
Преобразование 2.3
Преобразование 2.4 является обратным этому преобразованию. Преобразование 2.1 является топологическим двойником этого преобразования.
Сеть, 4 элемента (3) .svgСеть, 4 элемента (3T) .svg
Преобразование 2.4
Преобразование 2.3 является обратным этому преобразованию. Преобразование 2.2 является топологическим двойником этого преобразования.
Сеть, 4 элемента (4) .svgСеть, 4 элемента (4T) .svg
Пример 2.
Пример Transform 2.2.
Сеть, пример (2) .svgСеть, пример (2T) .svg

2-контактный, п-элементные, 3-х элементные сети

Рисунок 1. Простой пример сети импедансов с использованием резисторов только для наглядности. Однако анализ сетей с другими элементами импеданса проводится по тем же принципам. Показаны две сетки с номерами в кружках. Сумма импедансов вокруг каждой сетки, p, образует диагональ элементов матрицы, Zpp. Импеданс ветвей, разделяемых двумя сетками, p и q, сформирует записи -Zpq. Zpq, p ≠ q, всегда будет иметь знак минус при условии, что соглашение петлевые токи заданы в одном 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 двух сетей доказывается прямым сравнением двух наборов уравнений и приравниванием коэффициенты. Для больших сетей требуются более мощные методы. Обычный подход - начать с выражения сети импедансов в виде матрица. Такой подход хорош только для рациональных[примечание 9] сети. Любая сеть, включающая распределенные элементы, например линия передачи, не может быть представлена ​​конечной матрицей. Как правило, п-сетка[примечание 6] сеть требует пИксп матрица для его представления. Например, матрица для 3-ячеистой сети может выглядеть так:

Элементы матрицы выбираются так, чтобы матрица образовывала систему линейные уравнения в напряжениях и токах сетки (как определено для анализ сетки ):

Пример диаграммы на Рисунке 1, например, может быть представлен как матрица импеданса следующим образом:

и соответствующая система линейных уравнений есть

В самом общем случае каждая ветка[примечание 1] Zп сети может состоять из трех элементов, так что

куда L, р и C представлять индуктивность, сопротивление, и емкость соответственно и s это комплексная частота оператор .

Это обычный способ представления общего импеданса, но для целей этой статьи математически удобнее иметь дело с эластичность, D, величина, обратная емкости, C. В этих терминах полное сопротивление ветви можно представить как

Точно так же каждая запись матрицы импеданса может состоять из суммы трех элементов. Следовательно, матрицу можно разложить на три пИксп матрицы, по одной для каждого из трех типов элементов:

Желательно, чтобы матрица [Z] представляют собой импеданс, Z(s). Для этого петля одной из сеток разрезается и Z(s) - это импеданс, измеренный между точками, вырезанными таким образом. Обычно предполагается, что порт внешнего подключения находится в ячейке 1 и, следовательно, подключен через вход матрицы. Z11, хотя было бы вполне возможно сформулировать это с подключениями к любым желаемым узлам.[примечание 7] В следующем обсуждении Z(s) взяты через Z11 предполагается. Z(s) может быть вычислено из [Z] к[7]

куда z11 это дополнять из Z11 и |Z| это детерминант из [Z].

Для приведенного выше примера сети

и,

Правильность этого результата легко проверить, если использовать более прямой метод последовательного и параллельного включения резисторов. Однако такие методы быстро становятся утомительными и громоздкими с ростом размера и сложности анализируемой сети.

Записи [р], [L] и [D] не может быть установлен произвольно. За [Z], чтобы понять импеданс Z(s) тогда [р],[L] и [D] все должно быть положительно определенные матрицы. Уже тогда реализация Z(s) будет, как правило, содержать идеальные трансформаторы[примечание 5] внутри сети. Поиск только тех преобразований, которые не требуют взаимные индуктивности или идеальные трансформаторы - более сложная задача. Точно так же, если начать с «другого конца» и указать выражение для Z(s), это снова не может быть сделано произвольно. Чтобы быть реализованным как рациональное сопротивление, Z(s) должно быть положительно-реальный. Условие положительного вещественного (PR) одновременно необходимо и достаточно.[8] но могут быть практические причины для отказа от некоторых топологии.[7]

Общее преобразование импеданса для поиска эквивалентных рациональных однопортовых портов из данного экземпляра [Z] связано с Вильгельм Кауэр. Группа настоящих аффинные преобразования

куда

инвариантен в Z(s). То есть все преобразованные сети являются эквивалентами согласно данному здесь определению. Если Z(s) для исходной данной матрицы реализуема, т. е. удовлетворяет условию PR, то все преобразованные сети, созданные этим преобразованием, также будут удовлетворять условию PR.[7]

3-х и 4-х терминальные сети

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

При обсуждении 4-терминальных сетей сетевой анализ часто проводится с точки зрения 2-портовых сетей, охватывающих широкий спектр практически полезных схем. «2-портовый», по сути, относится к способу подключения сети к внешнему миру: терминалы были подключены попарно 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 несимметричные и симметричные сети. Импеданс последовательных элементов в сбалансированной версии составляет половину соответствующего импеданса несбалансированной версии.
Рис 3. Чтобы быть сбалансированной, сеть должна иметь одинаковый импеданс в каждой «ветви» цепи.

Сеть с 3 терминалами также может использоваться как 2 порта. Для этого один из выводов соединяется совместно с одним выводом обоих портов. Другими словами, один терминал был разделен на два терминала, и сеть была фактически преобразована в сеть с 4 терминалами. Эта топология известна как неуравновешенный топологии и противостоит 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 нет формирование портов: случай, когда пары терминалов, образующих порты, имеют равный импеданс, называется симметричный. Строго говоря, любая сеть, которая не удовлетворяет условию баланса, является несбалансированной, но этот термин чаще всего относится к топологии с 3 терминалами, 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 то место, которое было общей ветвью. Преобразование от сбалансированной к несбалансированной топологии часто возможно с помощью обратного преобразования, но есть определенные случаи определенных топологий, которые нельзя преобразовать таким образом. Например, см. Обсуждение преобразований решетки ниже.

Примером преобразования сети с 3 терминалами, которое не ограничивается 2 портами, является Y-Δ преобразование. Это особенно важное преобразование для поиска эквивалентных сопротивлений. Его важность проистекает из того факта, что полное сопротивление между двумя терминалами не может быть определено исключительно путем вычисления последовательных и параллельных комбинаций, за исключением определенного ограниченного класса сети. В общем случае требуются дополнительные преобразования. Преобразование Y-Δ, обратное преобразование Δ-Y и п-терминальные аналоги этих двух преобразований (преобразование звезды в многоугольник ) представляют собой минимальные дополнительные преобразования, необходимые для решения общего случая. Последовательность и параллельность - это, по сути, 2-терминальные версии звездообразной и многоугольной топологии. Распространенной простой топологией, которая не может быть решена последовательными и параллельными комбинациями, является входное сопротивление мостовой сети (за исключением особого случая, когда мост сбалансирован).[9] Остальные преобразования в этом разделе можно использовать только с 2 портами.

Решетка трансформируется

Симметричные 2-портовые сети могут быть преобразованы в решетчатые сети с помощью Теорема Бартлетта о делении пополам. Метод ограничен симметричными сетями, но включает в себя множество топологий, обычно встречающихся в фильтрах, аттенюаторы и эквалайзеры. Топология решетки внутренне сбалансирована, у нее нет несбалансированного аналога, и для нее обычно требуется больше компонентов, чем для преобразованной сети.

Некоторые распространенные сети, преобразованные в решетки (X-сети)
ОписаниеСетьПреобразовать уравненияПреобразованная сеть
Преобразование 3.1
Преобразование Т-сети в решетчатую.[10]
Сеть, T.svgСеть, lattice.svg
Преобразование 3.2
Преобразование Π сети в решетчатую.[10]
Сеть, Pi.svgСеть, lattice.svg
Преобразование 3.3
Преобразование сети Bridged-T в решетчатую сеть.[11]
Сеть, bridgeT.svgСеть, lattice.svg

Обратные преобразования решетки в несбалансированную топологию не всегда возможны с точки зрения пассивных компонентов. Например, это преобразование:

ОписаниеСетьПреобразованная сеть
Преобразование 3.4
Преобразование решетчатого фазового выравнивателя в Т-образную сеть.[12]
Сеть, фаза eq.svgСеть, фаза T eq.svg

не могут быть реализованы с пассивными компонентами из-за отрицательных значений, возникающих в преобразованной схеме. Однако это может быть реализовано, если допустимы взаимные индуктивности и идеальные трансформаторы, например, в эта схема. Другая возможность - разрешить использование активных компонентов, которые позволят отрицательные импедансы должны быть реализованы непосредственно как компоненты схемы.[13]

Иногда может быть полезно выполнить такое преобразование не для фактического построения преобразованной схемы, а, скорее, для понимания того, как работает исходная схема. Следующая схема в топологии Bridged-T представляет собой модификацию средней серии m-производный фильтр Тройник. Схема связана с Хендрик Боде кто утверждает, что добавление мостового резистора подходящего значения отменяет паразитарное сопротивление шунтирующего индуктора. Действие этой схемы становится очевидным, если преобразовать ее в топологию T - в этой форме имеется отрицательное сопротивление в шунтирующей ветви, которое можно сделать равным положительному паразитному сопротивлению катушки индуктивности.[14]

ОписаниеСетьПреобразованная сеть
Преобразование 3.5
Трансформация мостиковой-Т фильтр нижних частот сечение к Т-образному сечению.[14]
Сеть, мостовой-T filter.svgСетевой, Т-фильтр от bridge-T.svg

Любая симметричная сеть может быть преобразована в любую другую симметричную сеть с помощью того же метода, то есть сначала преобразованием в промежуточную форму решетки (опущено для ясности из приведенного выше примера 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

Теорема из Сидни Дарлингтон утверждает, что любая функция PR Z(s) может быть реализован как двухпортовый без потерь, оканчивающийся положительным резистором R. То есть, независимо от того, сколько резисторов присутствует в матрице [Z], представляющий сеть импеданса, можно найти преобразование, которое реализует сеть полностью как сеть типа LC с одним резистором на выходном порте (который обычно представляет нагрузку). Никакие резисторы в сети не требуются для реализации указанного отклика. Следовательно, всегда можно сократить 2-портовые сети с 3 элементами до 2-х портовых сетей с 2 ​​элементами (LC) при условии, что выходной порт имеет сопротивление требуемого значения.[8][16][17]

Устранение идеальных трансформаторов

Элементарное преобразование, которое может быть выполнено с помощью идеальных трансформаторов и некоторого другого элемента импеданса, заключается в смещении импеданса на другую сторону трансформатора. Во всех следующих преобразованиях р коэффициент трансформации трансформатора.

ОписаниеСетьПреобразованная сеть
Преобразование 4.1
Последовательное сопротивление через понижающий трансформатор.
Сеть, трансформатор (1) .svgСеть трансформаторная (1Т) .svg
Преобразование 4.2
Шунтируйте сопротивление через понижающий трансформатор.
Сеть, трансформатор (2) .svgСеть трансформаторная (2Т) .svg
Преобразование 4.3
Шунтирующая и последовательная импедансная сеть через повышающий трансформатор.
Сеть, трансформатор (3) .svgСеть трансформаторная (3Т) .svg

Эти преобразования применяются не только к отдельным элементам; через трансформатор можно пропустить целые сети. Таким образом, трансформатор может быть перемещен по сети в более удобное место.

Дарлингтон дает эквивалентное преобразование, которое может полностью исключить идеальный трансформатор. Этот метод требует, чтобы трансформатор находился рядом (или мог быть перемещен рядом с) L-образной цепью с одинаковым импедансом. Преобразование во всех вариантах приводит к тому, что сеть «L» обращена в противоположную сторону, то есть топологически зеркально отражается.[2]

ОписаниеСетьПреобразованная сеть
Преобразование 5.1
Устранение понижающего трансформатора.
Сеть, трансформатор (4) .svgСеть, трансформатор (4Т) .svg
Преобразование 5.2
Устранение повышающего трансформатора.
Сеть, трансформатор (5) .svgСеть, трансформатор (5Т) .svg
Пример 3.
Пример преобразования 5.1.
Сеть, пример (3) .svgСеть, пример (3T) .svg

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 некоторая часть все еще остается после применения преобразования. Если бы избыток был вместо этого в элементе, ближайшем к трансформатору, с этим можно было бы справиться, сначала переместив избыток на другую сторону трансформатора, прежде чем выполнять преобразование.[2]

Терминология

  1. ^ а б Ответвляться. Ветвь сети - это группа элементов, последовательно соединенных между двумя узлами. Важной особенностью ответвления является то, что все элементы ответвления имеют одинаковый ток, протекающий через них.
  2. ^ а б Элемент. Компонент в сети, отдельный резистор (R), катушка индуктивности (L) или конденсатор (C).
  3. ^ а б п-элемент. Сеть, содержащая всего п элементы всех видов.
  4. ^ а б п-элемент-вид. Сеть, содержащая п различные виды элементов. Например, сеть, состоящая исключительно из элементов LC, представляет собой сеть с двумя элементами.
  5. ^ а б c Идеальный трансформатор. Они часто появляются в сетевом анализе. Они представляют собой чисто теоретическую конструкцию, которая идеально преобразует напряжения и токи в заданном соотношении без потерь. Настоящие трансформаторы очень эффективны и часто могут использоваться вместо идеального трансформатора. Одно существенное отличие состоит в том, что идеальные трансформаторы продолжают работать при подаче напряжения ОКРУГ КОЛУМБИЯ, то, что не мог бы сделать ни один настоящий трансформатор Видеть трансформатор.
  6. ^ а б c п-сетка. Сетка - это петля сети, в которой существуют соединения, позволяющие току проходить от элемента к элементу и формировать непрерывный путь, возвращающийся в конечном итоге к начальной точке. An основная сетка это такой цикл, который не содержит никаких других циклов. An псетчатая сеть - это та, которая содержит п основные сетки.
  7. ^ а б Узел. Сетевой узел - это точка в цепи, в которой соединяется один вывод из трех или более элементов.
  8. ^ а б Порт. Пара выводов сети, в которые протекают равные и противоположные токи.
  9. ^ а б c Рациональный в данном контексте означает сеть, состоящую из конечного числа элементов. Распределенные элементы, например, в линии передачи, поэтому исключаются, потому что бесконечно малый природа элементов приведет к тому, что их количество перейдет в бесконечность.
  10. ^ а б Терминал. Точка в сети, к которой могут быть подключены внешние по отношению к сети напряжения и в которую могут течь внешние токи. 2-терминальная сеть также является однопортовой. 3-терминальные и 4-терминальные сети часто, но не всегда, также соединяются как 2-портовые сети.

Рекомендации

  1. ^ Хан, стр.154
  2. ^ а б c Дарлингтон, стр.6.
  3. ^ Фостер и Кэмпбелл, стр.233.
  4. ^ Зобель, 1923 г.
  5. ^ Зобель, стр.45.
  6. ^ Зобель, стр.45-46.
  7. ^ а б c Э. Кауэр и другие., стр.4.
  8. ^ а б Белевич, стр.850
  9. ^ Фараго, стр 18-21.
  10. ^ а б Зобель, стр 19-20.
  11. ^ Фараго, стр.117-121.
  12. ^ Фараго, стр.117.
  13. ^ Дарлингтон, стр. 5-6.
  14. ^ а б Боде, Хендрик В., Волновой фильтр, Патент США 2 002 216, поданный 7 июня 1933 г., выданный 21 мая 1935 г.
  15. ^ Бартлетт, с. 902.
  16. ^ Э. Кауэр и др., Стр. 6–7.
  17. ^ Дарлингтон, стр.7.

Библиография