83663

Пассивные четырехполюсники

Лекция

Физика

При анализе электрических цепей в задачах исследования взаимосвязи между переменными (токами, напряжениями, мощностями и т.п.) двух каких-то ветвей схемы широко используется теория четырехполюсников. Четырехполюсник – это часть схемы произвольной конфигурации, имеющая две пары зажимов (отсюда и произошло его название), обычно называемые входными и выходными.

Русский

2015-03-15

223.5 KB

1 чел.

Лекция N 18

Пассивные четырехполюсники

При анализе электрических цепей в задачах исследования взаимосвязи между переменными (токами, напряжениями, мощностями и т.п.) двух каких-то ветвей схемы широко используется теория четырехполюсников. Четырехполюсник – это часть схемы произвольной конфигурации, имеющая две пары зажимов (отсюда и произошло его название), обычно называемые входными и выходными.

Примерами четырыхполюсника являются трансформатор, усилитель, потенциометр, линия электропередачи и другие электротехнические устройства, у которых можно выделить две пары полюсов.

В общем случае четырехполюсники можно разделить на активные, в структуру которых входят источники энергии, и пассивные, ветви которых не содержат источников энергии.

Ниже будут рассмотрены элементы теории пассивных четырехполюсников.

Для записи уравнений четырехполюсника выделим в произвольной схеме ветвь с единственным источником энергии и любую другую ветвь с некоторым сопротивлением  (см. рис. 1,а).

В соответствии с принципом компенсации заменим исходное сопротивление  источником с напряжением  (см. рис. 1,б). Тогда на основании метода наложения для цепи на рис. 1,б можно записать

;    

(1)

 

.           

(2)

Решая полученные уравнения (1) и (2) относительно напряжения и тока на первичных зажимах, получим

;

или

;

(3)

(4)

где ; ; ;  - коэффициенты четырехполюсника.

Учитывая, что в соответствии с принципом взаимности , видно, что коэффициенты четырехполюсника связаны между собой соотношением

(5)

Уравнения (3) и (4) представляют собой основные уравнения четырехполюсника; их

также называют уравнениями четырехполюсника в А-форме (см. табл. 1). Вообще говоря, существует шесть форм записи уравнений пассивного четырехполюсника. Действительно, четырехполюсник характеризуется двумя напряжениями  и  и двумя токами   и . Любые две величины можно выразить через остальные. Так как число сочетаний из четырех по два равно шести, то и возможно шесть форм записи уравнений пассивного четырехполюсника, которые приведены в табл. 1. Положительные направления токов для различных форм записи уравнений приведены на рис. 2. Отметим, что выбор той или иной формы уравнений определяется областью и типом решаемой задачи.

 

Таблица 1.    Формы записи уравнений пассивного четырехполюсника

Форма

Уравнения

Связь с коэффициентами основных уравнений

А-форма

;

;

 

Y-форма

;

;

; ; ; ;

Z-форма

;

;

; ;

; ;

Н-форма

;

;

; ;

; ;

G-форма

;

;

; ;

; ;

B-форма

;

.

; ;

; .

Если при перемене местами источника и приемника энергии их токи не меняются, то такой четырехполюсник называется симметричным. Как видно из сравнения А- и В- форм в табл. 1, это выполняется при .

Четырехполюсники, не удовлетворяющие данному условию, называются несимметричными.

При практическом использовании уравнений четырехполюсника для анализа цепей необходимо знать значения его коэффициентов. Коэффициенты четырехполюсника могут быть определены экспериментальным или расчетным путями. При этом в соответствии с соотношением (5) определение любых трех коэффициентов дает возможность определить и четвертый.

Один из наиболее удобных экспериментальных методов определения коэффициентов четырехполюсника основан на опытах холостого хода и короткого замыкания при питании со стороны вторичных зажимов и опыте холостого хода при питании со стороны первичных зажимов. В этом случае при   на основании уравнений (3) и (4)

(6)

При

         

(7)

и при

.        

(8)

Решение уравнений (6)-(8) относительно коэффициентов четырехполюсника дает:

При определении коэффициентов четырехполюсника расчетным путем должны быть известны схема соединения и величины сопротивлений четырехполюсника. Как было отмечено ранее, пассивный четырехполюсник характеризуется тремя независимыми постоянными коэффициентами. Следовательно, пассивный четырехполюсник можно представить в виде трехэлементной эквивалентной Т- (рис. 3,а) или П-образной (рис. 3,б) схемы замещения.

Для определения коэффициентов четырехполюсника для схемы на рис. 3,а с использованием первого и второго законов Кирхгофа выразим  и  через  и :

 

             

(9)

.    

(10)

Сопоставление полученных выражений (9) и (10) с соотношениями (3) и (4) дает:

Данная задача может быть решена и другим путем. При  (холостой ход со стороны вторичных зажимов) в соответствии с (3) и (4)

     и     ;

но из схемы на рис. 3,а

,  а     ;

откуда вытекает:  и .

При  (короткое замыкание на вторичных зажимах)

    и    .

Из схемы на рис. 3,а

;

.

Следовательно,   .

Таким образом, получены те же самые результаты, что и в первом случае.

Коэффициенты четырехполюсника для схемы на рис. 3,б могут быть определены аналогично или на основании полученных для цепи на рис. 3,а с использованием рассмотренных ранее формул преобразования “ звезда-треугольник”.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что зная коэффициенты четырехполюсника, всегда можно найти параметры Т- и П-образных схем его замещения.

На практике часто возникает потребность в переходе от одной формы записи уравнений четырехполюсника к другой. Для решения этой задачи, т.е. чтобы определить коэффициенты одной формы записи уравнений через коэффициенты другой, следует выразить какие-либо две одинаковые величины в этих формулах через две остальные и сопоставить их с учетом положительных направлений токов для каждой из этих форм. Так при переходе от А- к Z-форме на основании (4) имеем

.  

(11)

Подстановка соотношения (11) в (3) дает

(12)

Сопоставляя выражения (11) и (12) с уравнениями четырехполюсника в Z-форме (см. табл. 1), получим

.

При анализе работы четырехполюсника на нагрузку  удобно использовать понятие входного сопротивления с первичной стороны  и коэффициента передачи .Учитывая, что  и , для этих параметров можно записать:

Зная ,  и , можно определить остальные переменные на входе и выходе четырехполюсника: ; ; .

 

Характеристическое сопротивление и коэффициент
распространения симметричного четырехполюсника

В электросвязи широко используется режим работы симметричного четырехполюсника, при котором его входное сопротивление равно нагрузочному, т.е.

.

Это сопротивление обозначают как  и называют характеристическим сопротивлением симметричного четырехполюсника, а режим работы четырехполюсника, для которого справедливо

,

называется режимом согласованной нагрузки.

В указанном режиме для симметричного четырехполюсника  на основании (3) и (4) можно записать

;  

(13)

.                      

(14)

Разделив соотношение (13) на (14), получаем уравнение

,

решением которого является

.     

(15)

С учетом (15) уравнения (13) и (14) приобретают вид

;

.

Таким образом,

,

где  - коэффициент распространения;  - коэффициент затухания (измеряется в неперах);  - коэффициент фазы (измеряется в радианах).

Одному неперу соответствует затухание по напряжению или току в е=2,718… раз, а по мощности, поскольку для рассматриваемого случая  в е2  раз.

Запишем уравнение симметричного четырехполюсника с использованием коэффициента распространения.

По определению

.

(16)

 

Тогда

.

(17)

Решая (17) и (18) относительно  и , получим

      и      .

Учитывая, что

   

и 

        ,

получаем уравнения четырехполюсника, записанные через гиперболические функции:

 

Литература

  1.  Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  2.  Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
  3.  Каплянский А. Е. и др. Электрические основы электротехники. Изд. 2-е. Учеб. пособие для электротехнических и энергетических специальностей вузов. -М.: Высш. шк., 1972. -448с.

Контрольные вопросы и задачи

  1.  Для решения каких задач применяется теория четырехполюсников?
  2.  Сколько коэффициентов четырехполюсника являются независимыми?
  3.  Какой четырехполюсник называется симметричным?
  4.  Как можно определить коэффициенты четырехполюсника?
  5.  Как определяются коэффициенты одной формы записи уравнений четырехполюсника через коэффициенты другой?
  6.  Что определяет коэффициент распространения?
  7.  Определить связь коэффициентов Y-, H- и G-форм с коэффициентами А-формы.
  8.  Определить коэффициенты А, В, С и D для П-образной схемы замещения четырехполюсника на рис. 3,б.

Ответ: ; ; ; .

  1.  Коэффициенты уравнений пассивного четырехполюсника ; ;

Определить параметры Т-образной схемы замещения.

Ответ: ; ; .

  1.  Параметры Т-образной схемы замещения четырехполюсника: ; .

Определить, при каком сопротивлении нагрузки входное сопротивление четырехполюсника будет равно нагрузочному сопротивлению.

Ответ: .

127


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71995. Повторенні складу чисел 5 і 6. Складання цінностей за малюнками. Обчислення визначень виразів, що містять додавання за допомогою предметних малюнків 69 KB
  Мета: закріпити вміння складати й очолювати вирази на додавання; вправлятися в написанні цифр; лічбі в межах 10; порівнянні чисел, розпізнаванні геометричних фігур; розвивати спостережливість; зорову пам’ять, кмітливість, формувати пізнавальних інтерес.
71996. Лічба в межах 20. Розв’язування задач та прикладів 40 KB
  Мета: закріплювати знання учнів з арифметичних дій додавання і віднімання, формувати навички лічби в межах 20, учити креслити відрізки за текстовою умовою, вчити складати та розв’язувати задачі та приклади, розвивати мислення, виховувати уважність.
71997. Число і цифра 6. Порівняння чисел у межах 6. Написання цифри 6 37 KB
  Розкрити зміст поняття число і цифра 6; вчити порівнювати числа в межах 6; формувати вміння складати приклади на додавання за предметними малюнками; познайомити учнів з поняттями футбол волейбол баскетбол гандбол; виховувати акуратність інтерес до математики спорту.
71998. Збільшення і зменшення числа на кілька одиниць. Вправи на засвоєння таблиць додавання і віднімання числа 2. Поняття «умова», «запитання», відповідь» задачі 28.5 KB
  Сьогодні ми проведемо урок разом із героями відомої казки Колобок. Яка зараз пора року Отже коли Колобок від Баби та від Діда втік і покотився по стежинці повалив пухкий білий сніг. Колобок ніколи не бачив снігу і розгубився.
72001. Таблиці додавання і віднімання числа 4. Додавання і віднімання за допомогою числового відрізка. Складання і розв’язування задач за коротким записом 42 KB
  Мета: Скласти таблицю додавання і віднімання 4; вправляти учнів у розв’язуванні прикладів на додавання й віднімання чисел 3 і 4; вдосконалювати навички усної лічби; розвивати мислення. Обладнання: таблиця «Додавання і віднімання числа 4»; предметні малюнки; картки для роботи в парах...
72002. Урок-сказка «Новые приключения Красной Шапочки» 67 KB
  Цели: совершенствовать вычислительные навыки детей и умения решать задачи; развивать внимание, логическое мышление и воображение детей; воспитывать интерес к предмету. Оборудование: картонные фигурки главных героев сказки, полоски из бумаги, таблицы, часы.
72003. Нахождение неизвестной части по целому и известной части 64 KB
  Цели урока. Выделить и зафиксировать неизвестную величину. Сконструировать способ нахождения части по известному целому и другой части. Обучать учащихся составлению моделей различных видов. Тип урока. Моделирование выделенного отношения в предметной, графической и знаковой формах.