Т образная схема замещения уравнения

Содержание
  1. Cхема замещения асинхронного электродвигателя
  2. Т – образная схема замещения
  3. Г – образная схема замещения
  4. Режимы работы и схема замещения трансформатора
  5. Режим холостого хода трансформатора (ХХ)
  6. Режим короткого замыкания (КЗ)
  7. Четырехполюсники
  8. Холостой ход и короткое замыкание четырехполюсника
  9. Определение параметров четырехполюсника
  10. Повторное сопротивление и коэффициент распространения симметричного четырехполюсника
  11. Передаточные функции и обратные связи четырехполюсников
  12. Цепные схемы и электрические фильтры
  13. Параметры холостого хода и короткого замыкания
  14. Схемы замещения четырехполюсника
  15. Входное сопротивление четырехполюсника при произвольной нагрузке
  16. Характеристические параметры четырехполюсника
  17. Вносимое затухание четырехполюсника
  18. Передаточная функция
  19. Каскадное соединение четырехполюсников, основанное на согласовании характеристических сопротивлений
  20. Уравнения сложных четырехполюсников в матричной форме
  21. Одноэлементные четырехполюсники
  22. Г-образный четырехполюсник
  23. Т-образный и П-образный четырехполюсники
  24. Симметричный мостовой четырехполюсник
  25. Обратная связь
  26. Методы расчета электрических цепей с использованием теории четырехполюсников
  27. Краткая характеристика четырехполюсников
  28. Методы расчета линейных активных цепей с использованием теории четырехполюсников
  29. 📺 Видео

Видео:Задачи по четырехполюсникам. Т-образная схемаСкачать

Задачи по четырехполюсникам.  Т-образная схема

Cхема замещения асинхронного электродвигателя

Т образная схема замещения уравнения

Трехфазные асинхронные электродвигатели, или как их еще называют индукционные электродвигатели, являются наиболее распространенными в промышленности. Данный тип электродвигателя, аналогично машинам постоянного тока тоже обладают свойствами обратимости, и может работать как в двигательном, генераторном, так и в тормозных режимах – противовключение, динамическое торможение. Режим работы асинхронного электродвигателя характеризуют знаком и величиной скольжения.

Пожалуй, основным методом анализа установившихся режимов индукционного электродвигателя является использование эквивалентных схем замещения. В таком случае обычно рассматривают явление, которое относится к одной фазе многофазного двигателя при соединении его обмоток звездой.

Упрощенная картина магнитных потоков работающего асинхронного электродвигателя позволяет представить его в виде эквивалентной схемы:

Т образная схема замещения уравнения

Электромагнитная связь первичной и вторичной цепи осуществляется потоком взаимоиндукции Ф, индуктирующим в роторной обмотке ЭДС Е2S. Сопротивление индуктивное первичной цепи Х1 обусловлено наличием потока рассеивания, связанного только с этой цепью. Аналогично сопротивления Х2 обусловлено потоком рассеивания Ф25.

Частота тока ротора будет определяться скоростью его вращения относительно скорости вращения магнитного поля статора, то есть зависеть от скольжения и будет равна f2 = f1S.

Ток вторичной цепи при вращающемся роторе:

Т образная схема замещения уравнения

Также выражения для I2 может иметь:

Т образная схема замещения уравнения

Выше показанные выражения имеют не только различную форму записи, но и имеют совершенно разный физический смысл. А смысл его в том, что вместо вращающегося ротора можно рассматривать неподвижный, в котором будет индуцироваться ЭДС Е2. При этом индуктивное сопротивление будет равно Х2, а активное возрастет на величину Т образная схема замещения уравнения так как Т образная схема замещения уравнения. При этом I1 останется прежним по фазе и величине, что не повлияет на потребляемую из сети мощность. Поскольку I1 и I2 не изменятся, то естественно и потери в первичных и вторичных цепях также не изменятся, соответственно мощность тоже не будет изменяться, а мощность развиваемая двигателем при вращении, будет равна мощности, потребляемой в добавочном сопротивлении Т образная схема замещения уравнения. Таким образом, эквивалентная схема замещения асинхронной машины может быть заменена схемой замещения с добавочным сопротивлением rд во вторичной цепи:

Т образная схема замещения уравнения

Видео:Схемы замещения четырехполюсниковСкачать

Схемы замещения четырехполюсников

Т – образная схема замещения

После приведения первичной и вторичной ЭДС они будут равны Е1 = Е2 / и это дает возможность соединить эквивалентные точки и получить такую схему:

Т образная схема замещения уравнения

Недостатком Т – образной схемы замещения помимо сложностей расчета, является зависимость всех токов I1, I2 / , Iμ от скольжения s.

Из Т – образной схемы замещения видно, что в режиме холостого хода, при I2 / = 0 и s = 0, ток в контуре будет обуславливаться сопротивлениями намагничивающего контура и первичной цепи и совсем не будет зависеть от скольжения. Данное обстоятельство позволит вынести на зажимы электродвигателя намагничивающий контур и перейти к Г – образной схеме замещения.

Видео:Лекция 183. Т - образная схема замещения 4-х полюсникаСкачать

Лекция 183. Т - образная схема замещения 4-х полюсника

Г – образная схема замещения

Данная схема замещения позволяет изучать процессы в асинхронном электродвигателе, которые имеют место при изменении скольжения электрической машины.

Т образная схема замещения уравнения

Учет контура намагничивания необходим при определении I1, который потребляется из сети. Но Г — образная схема замещения будет справедлива лишь при наличии определенных допущений:

  • Все цепи имеют неизменные (постоянные) параметры. Это значит, что приведенное вторичное сопротивление r2 / не будет зависеть от частоты цепи вторичной (ротора), а насыщение не будет влиять на реактивное сопротивление статорных и роторных обмоток Х1 и Х2 / ;
  • Полная проводимость намагничивающего контура принимается неизменной, а ток намагничивания, независимо от нагрузки, будет всегда пропорционален напряжению, приложенному к обмоткам;
  • Потери добавочные не учитываются;
  • Паразитные моменты, создаваемые высшими гармониками МДС, также не учитывают.

Следует также помнить и то, что в Г – образной схеме замещения в величины сопротивлений необходимо внести соответствующие поправки:

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

В выше перечисленных уравнениях величины имеющие индекс «дейст» соответствуют реальным значениям параметров асинхронной машины, а без индексов – те, которые используют в эквивалентной схеме.

Поскольку отношение r1/xμ довольно таки мало, то практически довольно часто принимают:

Т образная схема замещения уравнения

Обычно δ лежит в пределах 1,05 – 1,1.

Первичный ток I1 будет равен при любом скольжении:

Т образная схема замещения уравнения

Приведенный роторный ток:

Т образная схема замещения уравнения

Показанное выше выражение показывает, что ток ротора является функцией скольжения. При s = 0 I2 / = 0. При увеличении скольжения I2 / также будет расти, а при s = 1 достигнет своего максимума, или тока короткого замыкания, или пускового:

Т образная схема замещения уравнения

Если в роторной цепи отсутствует добавочное сопротивление (АД с КЗ ротором), пусковой ток может достигнуть довольно приличных значений, а именно 5 – 8 раз больше чем его номинальное значение.

Данная зависимость показана ниже:

Т образная схема замещения уравнения

Отношения пускового значения к номинальному является очень важным параметром для асинхронных машин с короткозамкнутым ротором, так как наличие пусковых токов приводит к просадкам напряжения, что особо ощутимо при использовании электродвигателей средней и большой мощности. Поэтому данная характеристика приводится в каталогах по выбору электрических машин.

Видео:Лекция 184. П - образная схема замещения 4-х полюсникаСкачать

Лекция 184. П - образная схема замещения 4-х полюсника

Режимы работы и схема замещения трансформатора

Схема замещения трансформатора позволяет отдельно расчитывать цепи первичной и вторичных обмоток. В схему замещения трансформатора входят поля рассеивания магнитного потока, а вторичные цепи пересчитываются в первичную через коэффициенты трансформации.

Для составления схемы замещения возьмём трансформатор с двумя обмотками: первичной с количеством витков W1 для подключения к сети питания и вторичной с количеством витков W2 для подключения нагрузки. Его упрощенное устройство показано на рисунке 1.

Т образная схема замещения уравнения
Рисунок 1 Упрощенное устройство трансформатора

Принципиальная схема подключения нагрузки к источнику питания через трансформатор приведена на рисунке 2.

Т образная схема замещения уравнения
Рисунок 2 Принципиальная схема подключения нагрузки через трансформатор

Для создания схемы замещения трансформатора нам потребуются три режима его работы: режим холостого хода (ХХ), рабочий режим (номинальный режим) и режим короткого замыкания (КЗ). Режимы холостого хода и короткого замыкания трансформатора позволяют определить значения элементов схемы замещения трасформатора. Рассмотрим работу трансформатора в этих режимах.

Видео:Решение биквадратных уравнений. 8 класс.Скачать

Решение биквадратных уравнений. 8 класс.

Режим холостого хода трансформатора (ХХ)

В этом режиме сопротивление нагрузки равно бесконечности, в результате чего можно не учитывать вторичную обмотку и трансформатор работает как обычная катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником. Кроме того, в режиме холостого хода трансформатора определяют его коэффициент трансформации. Схема замещения трасформатора в режиме холостого хода приведена на рисунке 3.

Т образная схема замещения уравнения
Рисунок 3 Схемы замещения трансформатора для режима холостого хода:
а — последовательная схема замещения,
б — параллельная схема замещения

На эквивалентных схемах трансформатора, приведенных на рисунке 2, показаны:

Индуктивность первичной обмотки, которая вместе с потерями в сердечнике влияет на к.п.д. трансформатора, можно рассчитать по следующей формуле:

Т образная схема замещения уравнения(1)

Параллельная эквивалентная схема трансформатора более удобна по сравнению с последовательной для построения векторной диаграммы напряжений и токов для реальной катушки индуктивности. Эта диаграмма приведена на рисунке 3.

Т образная схема замещения уравнения
Рисунок 3 Векторная диаграмма напряжений и токов трансформатора в режиме холостого хода

Здесь δ — угол потерь в магнитопроводе
X1 — сопротивление индуктивности рассеяния LS1.

Обратите внимание, что в этом режиме работы трансформатора вектор ЭДС индуцированный в обмотке W2 (напряжение во вторичной обмотке) совпадает по фазе с eL, а напряжение U1, подаваемое на первичную обмотку трансформатора, является суммой э.д.с. на индуктивности первичной обмотки и падения напряжения на сопротивлениях индуктивности рассеивания и активного сопротивления первичной обмотки:

Т образная схема замещения уравнения; (2)

Это выражение можно записать немного иначе:

Т образная схема замещения уравнения

При правильном проектировании трансформатора потери на омическом сопротивлении первичной обмотки малы, поскольку ток холостого хода много меньше номинального. Тогда угол сдвига фаз между током и напряжением (I10 и U1) определяется потерями в магнитопроводе. Это позволяет из опыта холостого хода и найти угол потерь δ и рассчитать потери в сердечнике.

Трансформатор является обращаемым устройством (первичную и вторичную обмотки можно поменять местами!), поэтому для каждой из обмоток записываем основную формулу трансформаторной ЭДС.

Т образная схема замещения уравнения(3)
Т образная схема замещения уравнения(4)

Разделив уравнение (3) на (4), получим выражение для коэффициента трансформации:

Т образная схема замещения уравнения(5)

Подведем итоги Режим работы трансформатора на холостом ходе позволяет определить:

Коэффициент трансформации Т образная схема замещения уравнения

Ток холостого хода I10 (для определения к.п.д.)

Видео:10-2 Составление схем замещения и расчет несимметричного ТКЗСкачать

10-2 Составление схем замещения и расчет несимметричного ТКЗ

Режим короткого замыкания (КЗ)

Этот режим в условиях эксплуатации является аварийным. Он применяется только для экспериментального определения индуктивности рассеивания трансформатора. Измерения проводят в следующей последовательности. Входное напряжение устанавливают равным нулю. Замыкают выходные клеммы (). Плавно поднимают входное напряжение (U1) до тех пор, пока в обмотках не установятся номинальные токи. Величина называется напряжением короткого замыкания, является паспортной величиной трансформатора и обычно составляет 5. 10% от номинального напряжения U1ном. При этом, ток холостого хода I10 весьма мал по сравнению с номинальным и им можно пренебречь (считать равным нулю). Тогда эквивалентная схема трансформатора в режиме КЗ принимает вид, показанный на рисунке 5.

Т образная схема замещения уравнения
Рисунок 5 Эквивалентная схема трансформатора в режиме короткого замыкания

Ток холостого хода мы приняли равным нулю , поэтому в эквивалентной схеме трансформатора параллельная цепь L0r0 отсутствует. Входное сопротивление трансформатора полностью определяются индуктивностью рассеивания первичной и вторичной обмоток, а также их омическим сопротивлением:

Т образная схема замещения уравнения(14)

Результирующее сопротивление — это сопротивление короткого замыкания трансформатора. Зная полное сопротивление короткого замыкания:

Т образная схема замещения уравнения

можно найти коэффициент передачи трансформатора, а в случае малой индуктивности рассеивания потери мощности в обмотках трансформатора.

Т образная схема замещения уравнения

Намагничивающая сила, создающая магнитный поток в сердечнике в режиме короткого замыкания (измерительный режим) практически равна нулю:

Т образная схема замещения уравнения Т образная схема замещения уравнения

и если I10 = 0, то откуда находим отношение токов, а значит и коэффициент трансформации по току:

Т образная схема замещения уравнения(15)

Знак минус в формуле (15) говорит о том, что магнитные потоки Ф1 и Ф2 направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются.

Рабочий режим (нагруженный или номинальный). Если к вторичной обмотке W2 подключить нагрузку Rн, то ее напряжение U2 вызовет ток нагрузки I2, как это показано на рисунке 1б. Токи I1 и I2 ориентированы различно относительно магнитного потока Ф0. Ток I1 создает поток Ф1, а ток I2 создаёт поток Ф2 и стремится уменьшить поток Ф1. Иначе говоря, в магнитопроводе появляются магнитные потоки Ф1 и Ф2, которые на основании закона Ленца направлены встречно и их алгебраическая сумма даёт: — магнитный поток холостого хода трансформатора.

Отсюда можно записать уравнение намагничивающих сил (закон полного тока):

Т образная схема замещения уравнения(6)

Видно, что изменение тока I2 обязательно приведёт к изменению тока I1. Нагрузка образует второй контур, в котором ЭДС вторичной обмотки е2 является источником энергии. При этом, справедливы уравнения:

Т образная схема замещения уравнения(7)
Т образная схема замещения уравнения(8)

где r2 — омическое сопротивление вторичной обмотки
х2 — сопротивление индуктивности рассеяния вторичной обмотки.

По закону Киргофа сумма токов (6) может быть обеспечена параллельным соединением электрических цепей, поэтому в рабочем режиме трансформатор можно представить эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 4.

Т образная схема замещения уравнения
Рисунок 4 Схема замещения трансформатора в рабочем режиме

Эквивалентная схема трансформатора в рабочем режиме, приведенная на рисунке 4 называется Т-образной схемой замещения или приведённым трансформатором. Приведение вторичной обмотки к первичной выполняется при условии равенства полных мощностей вторичных обмоток Т образная схема замещения уравнения, или Т образная схема замещения уравнения. Из этого равенства можно получить формулы пересчета в первичную обмотку напряжений и токов вторичной обмотки и из них получить приведенные значения сопротивлений нагрузки, вторичной обмотки и индуктивности рассеивания.

Т образная схема замещения уравнения(9)
Т образная схема замещения уравнения(10)

Т образная схема замещения уравнения(11)

Т образная схема замещения уравнения(12)

Т образная схема замещения уравнения(13)

Токи и напряжения приводятся через коэффициент трансформации, а сопротивления — через квадрат коэффициента трансформации. Можно пересчитать вторичную цепь в первичную или наоборот.

Представление трансформатора в виде эквивалентной схемы позволяет методами теории цепей рассчитать любую, сколь угодно сложную схему с трансформаторами.

Если у трансформатора есть несколько вторичных обмоток, как показано на условно-графическом изображении трансформатора, приведенном на рисунке 6а, то пересчитанные сопротивления нагрузки на эквивалентной схеме соединяются параллельно и его эквивалентная схема принимает вид, показанный на рисунке 6б.

Т образная схема замещения уравнения
Рисунок 6 Схема замещения трансформатора с двумя вторичными обмотками

При этом значение импеданса (полного сопротивления) вторичных обмоток Z2 находится как сумма сопротивлений вторичных обмоток и сопротивления их индуктивностей рассеивания:

Т образная схема замещения уравнения

Понравился материал? Поделись с друзьями!

  1. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  2. Схема замещения трансформатора
  3. Режимы работы трансформатора
  4. Параметры схемы замещения трансформатора

Вместе со статьей «Режимы работы и схема замещения трансформатора» читают:

Видео:Лекция 080-4. Теория четырехполюсников. Схемы замещения четырехполюсниковСкачать

Лекция 080-4. Теория четырехполюсников. Схемы замещения четырехполюсников

Четырехполюсники

Содержание:

Основы теории четырехполюсников и фильтров:

Электрическая цепь, имеющая два входных и два выходных зажима, называется четырехполюсником. Теория четырехполюсников в общем виде рассматривает основную проблему электротехники: передачу энергии от источника к приемнику через промежуточное звено — четырехполюсник.

Активные четырехполюсники содержат внутри себя также источники электрической энергии. Далее сначала рассматриваются пассивные четырехполюсники, не содержащие внутри себя источников энергии. Примером их могут служить линия передачи (рис. 9.1, а), трансформатор (рис. 9.1, б), мостовая схема (рис. 9.1, в), а также Т-образная (рис. 9.1, г) и П-образная (рис. 9.1, д) схемы, к зажимам I’, I» которых подключается источник, а к зажимам 2′, 2″ — приемник электрической энергии.

Т образная схема замещения уравнения

На рис. 9.2, а изображена в общем виде схема четырехполюсника. Здесь Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Для вывода уравнений, связывающих входные и выходные напряжения и токи, удобно заменить приемник Z2 с напряжением Т образная схема замещения уравненияэквивалентным источником напряжения без внутреннего сопротивления (рис. 9.2, б). Согласно, э. д. с. последнего должна быть равна Т образная схема замещения уравненияТогда можно применить метод наложения. Считая сначала существующим только источник Т образная схема замещения уравненияи замыкая накоротко зажимы источника — Т образная схема замещения уравнения(рис. 9.2, в), находят токи Т образная схема замещения уравнениякоторые, очевидно, будут пропорциональны напряжению Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Аналогично, при наличии источника Т образная схема замещения уравнения, и коротком замыкании Т образная схема замещения уравнения(рис. 9.2, г)

Т образная схема замещения уравнения

Здесь Т образная схема замещения уравнения— комплексные коэффициенты пропорциональности, имеющие размерность проводимости; Y11 и Y12 называются входными, а Y12 и Y21 — взаимными проводимостями. Проводимости Y12 и Y21 определяют токи в короткозамкнутом выходном или входном контуре при заданном напряжении в другом контуре. При одинаковом напряжении U токи Yl2U и Y21U по принципу взаимности были бы равны между собой. Следовательно, взаимные проводимости

Т образная схема замещения уравнения

Действительные токи на входе и выходе четырехполюсника

Т образная схема замещения уравнения

Совместное решение этих уравнений дает

Т образная схема замещения уравнения

После введения обозначений

Т образная схема замещения уравнения(9.1)

получаются уравнения четырехполюсника:

Т образная схема замещения уравнения

где комплексы А, В, С, D называются параметрами четырехполюсника. Между ними существует следующая связь:

Т образная схема замещения уравнения

Следовательно, из четырех параметров независимыми являются три.

Если входные и выходные зажимы поменять местами (рис. 9.2, д), т. е. осуществить обратное питание (индекс «о»), уравнения, очевидно, получатся аналогичными:

Т образная схема замещения уравнения

а параметры А’, В’, С’, D’ определятся из выражений (9.1), если индекс I заменить индексом 2 и наоборот:

Т образная схема замещения уравнения

Следовательно, уравнения четырехполюсника, питаемого со стороны выхода, получают вид:

Т образная схема замещения уравнения

Отсюда следует, что в симметричном четырехполюснике, который со стороны выходных зажимов представляет ту же цепь, что и со стороны входных, А = D и А 2 — ВС = 1.

С помощью уравнений четырехполюсника можно определить нагрузочный режим, т. е. найти Т образная схема замещения уравнения, для заданных Т образная схема замещения уравнения. Очевидно, уравнения четырехполюсника могут быть использованы также для определения двух любых величин из указанных, если заданы две другие.

Видео:Лекция по электротехнике 4.4 - Схема замещения и уравнения Кирхгофа для неразветвленной цепиСкачать

Лекция по электротехнике 4.4 - Схема замещения и уравнения Кирхгофа для неразветвленной цепи

Холостой ход и короткое замыкание четырехполюсника

При холостом ходе ток на выходе Т образная схема замещения уравнения= 0 и уравнения четырехполюсника дают

Т образная схема замещения уравнения

При коротком замыкании напряжение на выходе Т образная схема замещения уравнения= 0 и из уравнении четырехполюсника вытекает, что

Т образная схема замещения уравнения

Отсюда видно, что параметр А представляет собой отношение входного и выходного комплексных напряжений при холостом ходе четырехполюсника, a D — отношение входного и выходного комплексных токов при коротком замыкании.

Если при холостом ходе напряжение на выходе будет равно напряжению Т образная схема замещения уравненияпри нагрузке, а при коротком замыкании ток на выходе — току Т образная схема замещения уравненияпри нагрузке, уравнения четырехполюсника получают вид:

Т образная схема замещения уравнения

Следовательно, напряжение Т образная схема замещения уравненияи ток I1 при любом заданном режиме Т образная схема замещения уравненияработы приемника могут быть определены путем наложения соответствующих режимов холостого хода и короткого замыкания.

Чтобы осуществить это наложение, надо знать, как расположить друг относительно друга векторные диаграммы холостого хода Т образная схема замещения уравненияи короткого замыкания Т образная схема замещения уравнения. Для этой цели нужно измерить сдвиг фаз σ между векторами Т образная схема замещения уравненияпри опыте холостого хода и сдвиг фаз Т образная схема замещения уравнениямежду векторами Т образная схема замещения уравненияпри опыте короткого замыкания.

После этого построение ведется в следующем порядке (рис. 9.3): строится заданная диаграмма Т образная схема замещения уравнениязатем под углом σ к вектору Т образная схема замещения уравненият. е. отличаются от основных уравнений четырехполюсника тем, что параметры А и D поменялись местами, строится вектор Т образная схема замещения уравнения, а под углом Т образная схема замещения уравненияк нему — вектор Т образная схема замещения уравненияпод углом β к вектору I2 строится вектор Т образная схема замещения уравненияа под углом Т образная схема замещения уравненияк нему — вектор Т образная схема замещения уравненияПосле этого строятся векторы напряжения Т образная схема замещения уравненияи тока Т образная схема замещения уравненияна входе как суммы напряжений и токов при холостом ходе и коротком замыкании.

Так как в симметричном четырехполюснике А = D, то

Т образная схема замещения уравнения

т. е. угол сдвига фаз между векторами Т образная схема замещения уравненияравен заданному углу Т образная схема замещения уравнениясдвига фаз в нагрузке, что сразу определяет взаимное расположение векторных диаграмм холостого хода и короткого замыкания без добавочных измерений.

Указанное применение принципа наложения имеет большое значение при испытании мощных электротехнических устройств, описываемых линейными уравнениями, так как позволяет заменить опыт нагрузки, требующий источников большой мощности, опытами холостого хода и короткого замыкания при значительно меньшей мощности.

Видео:19-1 Схема замещения асинхронного двигателя, механическая характеристикаСкачать

19-1 Схема замещения асинхронного двигателя, механическая характеристика

Определение параметров четырехполюсника

Если известны конкретная схема и сопротивления (проводимости) ветвей четырехполюсника, то его параметры могут быть определены расчетным путем по входным и взаимным проводимостям. Можно также исходить непосредственно из зависимостей, устанавливаемых законами Кирхгофа.

Т образная схема замещения уравнения

Далее в качестве примера рассмотрены простейшие схемы четырехполюсников. Так как из четырех параметров четырехполюсника независимыми являются три, простейшие схемы должны содержать три ветви, т. е. представлять собой соединение звездой (Т-образная схема, рис. 9.1, г) или треугольником (П-образная схема, рис. 9.1, д).

Для Т-образной схемы при режиме холостого хода (рис. 9.4, а) очевидны следующие соотношения:

Т образная схема замещения уравнения

при коротком замыкании (рис. 9.4, б)

Т образная схема замещения уравнения

Отсюда параметры этого четырехполюсника

Т образная схема замещения уравнения

Параметры П-образной схемы могут быть определены аналогичным расчетом (рис. 9.1, д). При холостом ходе

Т образная схема замещения уравнения

при коротком замыкании

Т образная схема замещения уравнения

Отсюда параметры П-схемы

Т образная схема замещения уравнения

Подобно тому, как при расчете цепей любой двухполюсник удобно заменить простейшим эквивалентным двухполюсником — последовательной или параллельной схемой, можно любой сложный четырехполюсник заменить простейшим эквивалентным ему, т. е. Т- или П-схемой. Решая уравнения (9.2) и (9.3), можно найти параметры этих эквивалентных схем, выразив их через параметры четырехполюсника.

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Из этих выражений видно, что схемы, эквивалентные симметричным четырехполюсникам, сами тоже симметричны, так как, если А = D, тоТ образная схема замещения уравнения

Если конкретная схема и параметры ветвей четырехполюсника неизвестны, его параметры могут быть определены из опытов холостого хода и короткого замыкания при питании и измерениях со стороны входа и со стороны выхода. Эти измерения позволяют определить комплексы сопротивлений короткого замыкания Т образная схема замещения уравненияи холостого хода Т образная схема замещения уравненияпри питании схемы со стороны входных зажимов Т образная схема замещения уравнения— при питании схемы со стороны выходных зажимов 2′ —2″:

Т образная схема замещения уравнения

Как видно из этих выражений, полные сопротивления при коротком замыкании и холостом ходе связаны между собой соотношением:

Т образная схема замещения уравнения

поэтому из четырех вышеупомянутых опытов необходимы лишь три, а четвертый может служить для контроля.

Параметры четырехполюсника находят по формулам, вытекающим из (9.4):

Т образная схема замещения уравнения

Видео:2 2 Элементы схем замещенияСкачать

2 2 Элементы схем замещения

Повторное сопротивление и коэффициент распространения симметричного четырехполюсника

В технике электросвязи часто применяются симметричные четырехполюсники и такое согласование их с сопротивлением нагрузки Z, при котором сопротивление между входными зажимами также равно Z, т. е.

Т образная схема замещения уравнения

Сопротивление Z получило название повторного. Уравнения симметричного четырехполюсника после подстановки Т образная схема замещения уравненияпримут вид:

Т образная схема замещения уравнения

Деление первого уравнения на второе дает:

откуда Т образная схема замещения уравнения

и уравнения четырехполюсника, нагруженного повторным сопротивлением, будут иметь вид:

Т образная схема замещения уравнения

Как видно из этих уравнений, равные между собой отношения напряжений Т образная схема замещения уравненияи токов на входе и выходе являются комплексным числом. Последнее может быть представлено в показательной форме:

Т образная схема замещения уравнения

Следовательно, у симметричного четырехполюсника, нагруженного повторным сопротивлением, выходные напряжение и ток меньше входных в Т образная схема замещения уравненияраз, а их фазы — на угол β. Поэтому α называется коэффициентом затухания, β — коэффициентом фазы, Т образная схема замещения уравнения— коэффициентом распространения. Коэффициент β измеряется в радианах, α—в неперах; одному неперу соответствует затухание в е = 2,718. раз.

Т образная схема замещения уравнения

уравнения симметричного четырехполюсника при произвольной нагрузке могут быть переписаны в другой форме:

Т образная схема замещения уравнения

Видео:Уроки-2 и 3.Схемы замещения и параметры двухобмоточного и трехобмоточного трансформатораСкачать

Уроки-2 и 3.Схемы замещения и параметры двухобмоточного и трехобмоточного трансформатора

Передаточные функции и обратные связи четырехполюсников

Как видно из предыдущего, четырехполюсник можно рассматривать как преобразователь входных величин Т образная схема замещения уравненияили Т образная схема замещения уравненияв выходные Т образная схема замещения уравненияили Т образная схема замещения уравнения. Тогда его можно характеризовать передаточной функцией К, равной отношению выходной величины к входной. Например,

Т образная схема замещения уравнения

Очевидно, что первая передаточная функция безразмерна, вторая имеет размерность сопротивления, третья — проводимости.

В ряде электротехнических и автоматических устройств необходимо, чтобы передаточная функция зависела от режима цепи на выходе. Для этого схема усложняется обратной связью — дополнительным четырехполюсником, питаемым выходной величиной основного четырехполюсника, например напряжением Т образная схема замещения уравненияа выходная величина дополнительного четырехполюсника, например напряжение Т образная схема замещения уравнениявключается последовательно с источником первичного напряжения Т образная схема замещения уравнения(рис. 9.5).

Т образная схема замещения уравнения

Пусть передаточная функция четырехполюсника обратной связи равна Т образная схема замещения уравнения. Тогда входное напряжение основного четырехполюсника, передаточная функция которого Т образная схема замещения уравнения

окуда передаточная функция всей системы

Т образная схема замещения уравнения

Из этого выражения видно, что передаточную функцию К’ системы можно изменять, регулируя передаточную функцию Ко устройства обратной связи.

Цепные схемы и электрические фильтры

Цепные схемы состоят из каскадно включенных четырехполюсников, называемых звеньями (рис. 9.6).

Т образная схема замещения уравнения

При этом выходные зажимы каждого предыдущего звена соединяются с входными последующего. Если все n четырехполюсника одинаковы и симметричны, а последний нагружен своим повторным сопротивлением Z, то оно будет также входным сопротивлением последнего звена, нагрузкой предпоследнего звена, его входным сопротивлением и т. д. Величина Т образная схема замещения уравнения— коэффициент распространения одного звена схемы), на которую надо умножать выходные величины каждого звена, чтобы получить входные, также одинакова для всех звеньев. В результате Z является повторным сопротивлением всей цепной схемы, а ее коэффициент распространения

Т образная схема замещения уравнения

Тогда уравнения n-звенной цепной схемы будут:

Т образная схема замещения уравнения

В различных электротехнических устройствах между источником энергии и приемником включают электрические фильтры в виде четырехполюсников или цепных схем, чтобы пропустить к приемнику только токи заданного диапазона частоты.

Фильтры различаются по диапазону пропускаемых частот: низкочастотные — от 0 до заданного значения ω, высокочастотные — от ω до Т образная схема замещения уравнения, полосные — от ω1 до 1 Коэффициенты Т образная схема замещения уравнениячасто также обозначаются через А, В, С и D.

В случае перемены направления передачи электрической энергии, а именно при передаче энергии от выводов 2 к выводам 1, в уравнениях четырехполюсника связывают напряжения и токи Т образная схема замещения уравнения[см. уравнения (9-4) по форме Т образная схема замещения уравненияЕсли заменить в (9-3) токи Т образная схема замещения уравненияна —Т образная схема замещения уравненияна — Т образная схема замещения уравненияи решить уравнения относительно Т образная схема замещения уравнениято получим уравнения четырехполюсника в форме || В ||, выраженные через коэффициенты формы || А ||. Для обратимого четырехполюсника:

Т образная схема замещения уравнения

Сопоставляя уравнение (9-18) с уравнениями (9-3), соответствующими направлению передачи энергии от выводов 1 к выводам 2, заключаем, что с переменой направления передачи энергии коэффициенты Т образная схема замещения уравнениявходящие в системы уравнений, меняются местами.

Параметры холостого хода и короткого замыкания

Было показано, что коэффициенты Т образная схема замещения уравненияпредставляют собой входные проводимости четырехполюсника рис. 9-4, измеренные слева и справа при закороченных противоположных выводах; соответственно Т образная схема замещения уравненияпредставляют собой входные сопротивления четырехполюсника при разомкнутых выводах.

Введя индексы «к» и «х» для обозначения режимов короткого замыкания (выводы замкнуты) и холостого хода (выводы разомкнуты), получим параметры холостого хода и короткого замыкания:

Т образная схема замещения уравнения

Этих параметров достаточно для составления уравнений обратимого четырехполюсника. Для записи уравнений необратимого четырехполюсника недостаточно параметров холостого хода и короткого замыкания, так как из них только три являются независимыми.

Действительно, на основании (9-19) и таблицы приложения IIТ образная схема замещения уравнения

иТ образная схема замещения уравнения

откудаТ образная схема замещения уравнения

Таким образом, параметры холостого хода и короткого замыкания, выражаемые формулами (9-19), принудительно связаны уравнением (9-20).

В случае симметричного четырехполюсника
Т образная схема замещения уравнения

т. е. симметричный четырехполюсник характеризуется только двумя параметрами.

Параметры холостого хода и короткого замыкания могут быть выражены через любую систему коэффициентов, например через коэффициенты А:Т образная схема замещения уравнения
В свою очередь любая система коэффициентов обратимого четырехполюсника может быть выражена через параметры холостого хода и короткого замыкания. Например, для коэффициентов А получаем Т образная схема замещения уравнения
Т образная схема замещения уравнения
и, используя (9-21), выражаем все остальные коэффициенты черезТ образная схема замещения уравненияТ образная схема замещения уравнения

Схемы замещения четырехполюсника

На основании уравнений четырехполюсника могут быть построены различные схемы замещения, которые облегчают исследование общих свойств рассматриваемой цепи. Ниже показаны некоторые схемы замещения четырехполюсника, параметры которых выражаются через коэффициенты У, Z и А.
1 Эта формула дает двузначное решение, так как входящие в нее параметры не меняются от перекрещивания любой пары выводов.

На практике чаще всего пользуются П-образной и Т-образной схемами замещения четырехполюсника.

Т образная схема замещения уравнения

На рис. 9-5, а показана П-образная схема замещения четырехполюсника, в которой проводимости ветвей выражены через коэффициенты Y. При этом зависимый источник тока Т образная схема замещения уравнениясохраняется в эквивалентной схеме

Т образная схема замещения уравнения

только в случае необратимого четырехполюсника; в схеме обратимого четырехполюсника Т образная схема замещения уравненияисточник тока отсутствует (см. рис. 9-6, а).

Схема рис. 9-5, о соответствует системе уравнений (9-1). Действительно, по первому закону Кирхгофа ток Т образная схема замещения уравненияравен сумме токов, входящих в ветви с проводимостями Т образная схема замещения уравненияТок, входящий в первую ветвь, рдвен Т образная схема замещения уравненияа ток, входящий во вторую ветвь, равен Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

В свою очередь ток Т образная схема замещения уравненияравен сумме токов, входящих в ветви с проводимостями Т образная схема замещения уравненияи тока источника Т образная схема замещения уравненияСледовательно,

Т образная схема замещения уравнения

На рис. 9-5, б показана Т-образная схема замещения, в которой сопротивления ветвей выражены через коэффициенты Z четырехполюсника. Применив второй закон Кирхгофа, легко убедиться в тем, что данная схема соответствует уравнениям (9-2).

Схема замещения четырехполюсника содержит зависимый источник э. д. с. или тока в случае, когда четырехполюсник необратим. В схеме обратимого четырехполюсника Т образная схема замещения уравнениязависимый источник отсутствует (рис. 9-6, б).

Параметры схемы замещения четырехполюсника могут быть выражены также через коэффициенты А. Так, например, пользуясь таблицей приложения II, можно в П-об-разной схеме (см. рис. 9-5, а) проводимости ветвей выразить через коэффициенты А. при этом получится схема рис. 9-5, в в случае обратимого четырехполюсника будем иметь схему рис. 9-6, а, которая часто применяется для расчета энергетических систем.

Пассивный П-образный четырехполюсник может быть преобразован в Т-образный (или наоборот) по правилу преобразования треугольника в эквивалентную звезду.

Следует заметить, что П-образ на я и Т-образная схемы замещения четырехполюсника не всегда физически реализуемы Т образная схема замещения уравнения

Под физически реализуемой пассивной схемой понимается такая схема, в которой параметры r, L и С положительны. Если в какой-либо ветви схемы данное условие не выполнено, то схема физически нереализуема.

1 Это не относится к четырехполюсникам, не содержащим реактивных элементов.

Например, схема рис. 9-6, б нереализуема при отрицательном знаке действительной части Т образная схема замещения уравненият. е. если

Т образная схема замещения уравнения

Схемой замещения четырехполюсника может служить и мостовая схема. Мостовая схема является физически реализуемым эквивалентом для любого реально осуществимого симметричного пассивного четырехполюсника.

Схемы замещения необратимых четырехполюсников, описанные выше, применяются для анализа и расчета электрических цепей, содержащих электронные лампы и транзисторы. К этому вопросу предстоит вернуться во второй части курса.

Пример 9-1.

Рассматривая автотрансформатор (см. рис. 8-21, о) как четырехполюсник, построить для него Т-образную схему замещения.

Выбрав положительные направления токов по третьему варианту и воспользовавшись параметрами Z, найдем:

Т образная схема замещения уравнения

На основании рис. 9-6, б получаются следующие сопротивления ветвей Т-образной схемы:

Т образная схема замещения уравнения

Полученный результат совпадает с данными (см, рис. 8-21, б).

Входное сопротивление четырехполюсника при произвольной нагрузке

Обозначим через Т образная схема замещения уравнениявходное сопротивление четырехполюсника со стороны выводов 1, когда к выводам 2 присоединено произвольное комплексное сопротивление Z3 (рис. 9-7, а); соответственно через Т образная схема замещения уравненияобозначим. входное сопротивление четырехполюсника со стороны выводов 2, когда к выводам 1 присоединено произвольное комплексное сопротивление Т образная схема замещения уравнения(рис. 9-7, б).

Следовательно, входное сопротивление Т образная схема замещения уравненияравно отношению напряжения Т образная схема замещения уравненияк току Т образная схема замещения уравненияпри прямой передаче энергии:Т образная схема замещения уравненияa Т образная схема замещения уравненияравно отношению напряжения Т образная схема замещения уравненияк-локу Т образная схема замещения уравненияпри обратной передаче энергии:

Т образная схема замещения уравнения
Входные сопротивления четырехполюсника могут быть выражены через любую систему коэффициентов четырехполюсника и комплексные сопротивления нагрузок Т образная схема замещения уравненияи Т образная схема замещения уравнения.Т образная схема замещения уравнения

а и б — произвольная нагрузка: в и г — согласованная нагрузка.

Например, если воспользоваться системой уравнений (9-3), то, разделив первое из уравнений на второе, получим:

Т образная схема замещения уравнения

Аналогично при обратной передаче на основании (9-18)

Т образная схема замещения уравнения

Если воспользоваться таблицами приложений II и III, то можно выразить Т образная схема замещения уравнениячерез другие коэффициенты четырехполюсника.

На практике применяются и другие выражения для Т образная схема замещения уравнения. Например, в тех случаях, когда известны параметры холостого хода Т образная схема замещения уравненияи короткого замыкания Т образная схема замещения уравненияудобно пользоваться зависимостями Т образная схема замещения уравненияот этих параметров. С этой целью выражениям (9-23) и(9-24) с учетом (9-21) придается следующий вид:

Т образная схема замещения уравнения

Рассмотренные выше функциональные зависимости Т образная схема замещения уравненияпредставляют собой дробнолинейные преобразования, связывающие сопротивления на выводах четырехполюсника; они иллюстрируют одно из свойств четырехполюсника — способность преобразовывать сопротивления.

Характеристические параметры четырехполюсника

Положим, что сопротивления Т образная схема замещения уравненияв схемах рис. 9-7, а и б подобраны таким образом, что Т образная схема замещения уравненияи Т образная схема замещения уравнения. Иначе говоря, будем считать, что существуют два сопротивления: Т образная схема замещения уравнениякоторые удовлетворяют следующему условию: входное сопротивление Т образная схема замещения уравнениячетырехполюсника, нагруженного сопротивлением Т образная схема замещения уравнения, равно Т образная схема замещения уравнения(рис. 9-7, в); входное сопротивление Т образная схема замещения уравнениячетырехполюсника, нагруженного сопротивлением Т образная схема замещения уравненияравно Т образная схема замещения уравнения(рис. 9-7, г).

Такие два сопротивления называются характеристическими сопротивлениями несимметричного четырехполюсника.

Условие, когда четырехполюсник нагружен соответствующим характеристическим сопротивлением, называется условием согласованной нагрузки или согласованного включения.

Положив в (9-23) и (9-24)
Т образная схема замещения уравнения

иТ образная схема замещения уравнения

получимТ образная схема замещения уравнения

Совместное решение этих уравнений относительно Т образная схема замещения уравненияи Т образная схема замещения уравнениядает:
Т образная схема замещения уравнения
Введем для рассматриваемого обратимого четырехполюсника новый параметр g, удовлетворяющий условиям:
Т образная схема замещения уравнения
Эти условия всегда осуществимы, так как параметр g может быть комплексным. Кроме того, эти условия взаимно дополняют друг друга, так как имеющая место связь между коэффициентами (9-16) соответствует тригонометрической формуле

Т образная схема замещения уравнения
Параметр g в общем случае комплексный; Т образная схема замещения уравненияназывается мерой передачи Т образная схема замещения уравнениячетырехполюсника. Это — третий характеристический параметр обратимого четырехполюсника. Его действительная часть а называется собственным затуханием четырехполюсника, а мнимая часть b — коэффициентом фазы.

Физический смысл этих коэффициентов будет пояснен ниже. Выразим коэффициенты четырехполюсника формы Т образная схема замещения уравнениячерез характеристические параметры.

На основании (9-25):

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Умножение (9-26) на (9-27) и (9-28) дает:

Т образная схема замещения уравнения

1 Иногда этот параметр называется коэффициентом передачи, его не следует смешивать с терминами «коэффициент передачи по напряжению» и «коэффициент передачи по току». В литературе ранее применялось обозначение Т образная схема замещения уравнения

Деление (9-26) на (9-27) и (9-28) дает:

Т образная схема замещения уравнения

В результате подстановки (9-29)—(9-32) в (9-3) получаются уравнения несимметричного обратимого четырехполюсника в гиперболической форме, соответствующие положительным направлениям токов Т образная схема замещения уравненияуказанным на рис. 9-4:
Т образная схема замещения уравнения
При согласованно подобранной нагрузке Т образная схема замещения уравненияимеет место равенство

Т образная схема замещения уравнения
Если воспользоваться известным математическим соотношением

Т образная схема замещения уравнения

то уравнения (9-33) упростятся:

Т образная схема замещения уравнения

Отсюда следует, что при согласованно подобранной нагрузке модули напряжений и соответственно токов на входе и выходе четырехполюсника связаны уравнениями:

Т образная схема замещения уравнения
Множитель Т образная схема замещения уравненияравен отношению амплитуд или действующих значений напряжений на входе и выходе четырехполюсника при согласованной нагрузке. В свою очередь множитель Т образная схема замещения уравненияравен отношению амплитуд или действующих значений токов при той же нагрузке.

Если аргументы (углы) комплексных характеристических сопротивлений Т образная схема замещения уравненияобозначить через Т образная схема замещения уравнениято фазовый сдвиг напряжения на входе относительно напряжения на выходе определится величиной Т образная схема замещения уравненияа фазовый сдвиг тока на выходе относительно тока на выходе — величиной Т образная схема замещения уравнения

В общем случае коэффициент фазы b может быть определен как полусумма фазовых сдвигов между напряжениями и соответственно между токами на входе и выходе четырехполюсника, нагруженного согласованно. При равенстве углов Т образная схема замещения уравненияи согласованно подобранной нагрузке фазовые сдвиги между напряжениями и соответственно между токами четырехполюсника одинаковы и равны b.

Характеристические параметры Т образная схема замещения уравненияи g могут быть выражены через параметры холостого хода и короткого замыкания, а именно: на основании (9-21), (9-25) и (9-26)
Т образная схема замещения уравнения
Подстановка (9-26) в формулу ch g + sh g = Т образная схема замещения уравненияприводит к выражению, связывающему характеристический параметр g с коэффициентами четырехполюсника формы ||A||,
Т образная схема замещения уравнения
По этой формуле g вычисляется однозначно, если подставлять под радикалы коэффициенты А в показательной форме с последующим сложением углов и делением их суммы на 2. По формуле (9-35) для тангенса принципиально невозможно получить однозначное решение, так как входные сопротивления под радикалом не изменяются от перекрещивания выводов четырехполюсника. Поэтому формула (9-36) предпочтительнее формулы (9-35) для th g.

Вычисление g по формуле для th g ведется в следующем порядке:

Т образная схема замещения уравнения
откуда
Т образная схема замещения уравнения
в результате логарифмированияТ образная схема замещения уравнения

Следует отметить, что параметр g может быть также получен как половина натурального логарифма отношения произведений комплексных напряжения и тока на входе и выходе четырехполюсника при согласованной нагрузке.

Действительно, на основании (9-34)
Т образная схема замещения уравнения
откуда
Т образная схема замещения уравнения
В случае симметричного четырехполюсника Т образная схема замещения уравненияхарактеристические сопротивленияТ образная схема замещения уравненияравны друг другу:Т образная схема замещения уравнения
Следовательно, входное сопротивление симметричного четырехполюсника, нагруженного характеристическим сопротивлением Т образная схема замещения уравненияравно Т образная схема замещения уравнения. Это означает, что всякому симметричному четырехполюснику соответствует некоторое характеристическое сопротивление Т образная схема замещения уравненияобладающее следующим свойством: если нагрузить данный четырехполюсник сопротивлением Т образная схема замещения уравнениято отноишия напряжения к току на входе и выходе четырехполюсника будут-одинаковыми, т. е.

Т образная схема замещения уравнения
На основании (9-33) уравнения симметричного четырехполюсника при произвольной нагрузке записываются в гиперболической форме (для положительных направлений рис. 9-4) так:

Т образная схема замещения уравнения
Если нагрузка подобрана согласованно, т. е. Т образная схема замещения уравнения Т образная схема замещения уравнениятоТ образная схема замещения уравнения
В этом случае амплитудные изменения напряжения и тока определяются множителем Т образная схема замещения уравненияа фазовый сдвиг между напряжениями или токами — углом b. Собственное затухание а будет:
Т образная схема замещения уравнения
Величины g, а и b — безразмерные. Угол b вычисляется в радианах (рад); собственное затухание а, входящее в (9-39), принято вычислять в б е л а х (Б) или децибелах (дБ), которые определяются следующим образом.

Если полная мощность на выходе четырехполюсника в 10 раз меньше мощности на его входе, то затухание составляет 1-Б если мощность уменьшается в 100 раз, то затухание оценивается в 2 Б и т. д. Поэтому
Т образная схема замещения уравнения
В случае согласованно нагруженного симметричного четырехполюсника

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения
Децибел — единица затухания, в 10 раз мейьшая бела. Затухание 1 дБ соответствует уменьшению полной мощности в 1,26 раза или уменьшению напряжения и тока в 1,12 раза.

Затуханию 1 Нп соответствует уменьшение амплитуды и действующего значения напряжения или тока в е = 2,718 раза (так как при Т образная схема замещения уравненияимеем Т образная схема замещения уравнения).
Табл. 9-1 иллюстрирует зависимость затухания в децибелах от отношений полных мощностей Т образная схема замещения уравненияна входе и выходе четырехполюсника;

Таблица 9-1
Затухание при различных отношениях Т образная схема замещения уравнениядБ

Т образная схема замещения уравнения

соответствующие им отношения величин напряжений или токов симметричного четырехполюсника, нагруженного согласованно, составляют Т образная схема замещения уравнения

Для перехода от децибелов к неперам или обратно можно воспользоваться приведенным выше условием:
Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Вносимое затухание четырехполюсника

Вносимое затухание (или усиление) является мерой оценки изменения условий передачи при включении четырехполюсника между источником и приемником.

Положим, что между источником напряжения, имеющим внутреннее сопротивление Т образная схема замещения уравненияи приемником Т образная схема замещения уравнениявключен четырехполюсник.

Т образная схема замещения уравнения

Под вносимым затуханием четырехполюсника подразумевается десятикратное значение десятичного логарифма (в децибелах) или половина натурального логарифма (в неперах) отношения полной мощности 5,. которую непосредственно отдавал бы источник сопротивлению Т образная схема замещения уравнения(рис. 9-8, о), к полной мощности Т образная схема замещения уравненияна выходе четырехполюсника, нагруженного сопротивлением Т образная схема замещения уравнения(рис, 9-8, б):

Т образная схема замещения уравнения
или
Т образная схема замещения уравнения
Мощности Т образная схема замещения уравнениявыражаются следующим образом:

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения
Отношение Т образная схема замещения уравнениявходящее в (9-42), может быть выражено через характеристические параметры четырехполюсника и сопротивления Т образная схема замещения уравнения

Пользуясь обозначениями рис. 9-8, б и уравнениями четырехполюсника, записанными в форме Т образная схема замещения уравнениянаходим:

Т образная схема замещения уравнения

откуда
Т образная схема замещения уравнения
На основании (9-29) — (9-32)Т образная схема замещения уравнения

Подстановка (9-44) в (9-43) дает:

Т образная схема замещения уравнения

После ряда алгебраических преобразований получается: Т образная схема замещения уравнения
где
Т образная схема замещения уравнения

— так называемые коэффициенты отражения на входе и выходе четырехполюсника.

В связи с этим выражение (9-42) принимает следующий вид:Т образная схема замещения уравнения

Следовательно, вносимое затухание состоит из пяти слагаемых. Первое слагаемое — собственное затухание четырехполюсника, второе — затухание вследствие несогласованности сопротивлений на входе четырехполюсника, третье — затухание вследствие несогласованности сопротивлений на выходе, четвертое — затухание вследствие взаимодействия несогласованностей на входе и выходе и пятое со знаком минус — затухание вследствие несогласованности сопротивлений источника и приемника.

Если вносимое затухание равно нулю, то это означает, что мощности на входе и выходе четырехполюсника равны между собой.

Когда четырехполюсник является усилителем мощности (например, в случае лампового триода или транзистора), выражения (9-40) и (9-41) дают отрицательные значения Т образная схема замещения уравнения; это указывает на то,- что вместо затухания в данном случае имеет место усиление (измеряемое в децибелах или неперах),

Передаточная функция

Передаточной функцией называется зависимость от частоты отношения комплексных амплитуд или комплексных действующих значений электрических величин Т образная схема замещения уравненияна выходе и входе четырехполюсника при заданном режиме передачи. Необходимо помнить, что именно выходная электрическая величина делится на входную, а не обратно.

Передаточные функции, соответствующие отношению одноименных электрических величин, — коэффициент передачи по напряжению

Т образная схема замещения уравнения

и коэффициент передачи по току

Т образная схема замещения уравнения

представляют собой безразмерные, в общем случае комплексные, зависящие от частоты величины. Применительно к усилительным устройствам они носят название коэффициентов усиления по напряжению и току.

Отношения разноименных электрических величин — передаточное сопротивление Т образная схема замещения уравненияи передаточная проводимость Т образная схема замещения уравнения— имеют соответственно размерности сопротивления и проводимости и также являются в общем случае комплексными величинами, зависящими от частоты.

Зависимости модулей комплексных отношений представляют собой амплитудно-частотные, зависимости их аргументов — фазо-частотные характеристики четырехполюсника.
Т образная схема замещения уравненияПод передаточной функцией понимается часто отношение операторных изображенийэлектрических величин на выходе и входе четырехполюсника»

Эти характеристики имеют важное значение для работы устройств автоматики и радиотехники.

В общем случае четырехполюсника, нагруженного произвольным сопротивлением Т образная схема замещения уравненияпередаточные функции могут быть выражены через любую систему коэффициентов четырехполюсника, и сопротивление Т образная схема замещения уравнения

Через коэффициенты формы Т образная схема замещения уравненияони выразятся следующим образом (положительные направления для токов соответствуют прямой передаче):
НТ образная схема замещения уравнения

При холостом ходе и коротком замыкании эти коэффициенты примут вид:
Т образная схема замещения уравнения
В случае обратной передачи, очевидно, можно написатьТ образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения
Отсюда видно, что для обратимого четырехполюсника коэффициент передачи по напряжению при холостом ходе и прямом направлении передачи энергии равен коэффициенту передачи по току при коротком замыкании и обратном направлении передачи энергии. В свою очередь коэффициент передачи по току при коротком замыкании и прямом направлении передачи равен коэффициенту передачи по напряжению при холостом ходе и обратном направлении передачи.

Каскадное соединение четырехполюсников, основанное на согласовании характеристических сопротивлений

На практике широко распространено каскадное или цепочечное соединение четырехполюсников, при котором входные выводы каждого последующего четырехполюсника присоединяются к выходным выводам предыдущего четырехполюсника; цепи, служащие для передачи электрической энергии (каналы связи и т. д.) обычно состоят из звеньев, следующих друг за другом.

Каскадное соединение четырехполюсников, выполненное по принципу согласования характеристических сопротивлений, заключается в том, что входное сопротивление на выводах любого четырехполюсника равно характеристическому.

Рисунок 9-9 иллюстрирует каскадное соединение двух четырехполюсников. Ввиду того что комплексное сопротивление нагрузки согласовано с выходным характеристическим сопротивлением Т образная схема замещения уравнениявторого четырехполюсника, входное сопротивление этого четырехполюсника равно характеристическому Т образная схема замещения уравненияпри этом оно служит согласованной нагрузкой для первого четырехполюсника. Поэтому входное сопротивление первого четырехполюсника также равно характеристическому Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения
Отсюда следует, что каскадно соединенные четырехполюсники с согласованными характеристическими сопротивлениями могут быть замещены одним четырехполюсником, имеющим характеристические сопротивления, равные входному характеристическому сопротивлению первого и выходному характеристическому сопротивлению последнего четырехполюсников (рис. 9-9). Мера передачи g результирующего четырехполюсника определяется алгебраической суммой мер передачи составных четырехполюсников.

В самом деле, применительно к схеме рис. 9-9 в соответствии с (9-34)

Т образная схема замещения уравнения

Полученные выражения подтверждают сказанное выше: результирующий четырехполюсник имеет характеристические сопротивления Т образная схема замещения уравненияи меру передачи Т образная схема замещения уравнения Т образная схема замещения уравненияСоответственно собственное затухание результирующего четырехполюсника Т образная схема замещения уравненияа фазовый коэффициентТ образная схема замещения уравнения

Было показано что передача максимума активной мощности обеспечивается, когда комплексные сопротивления источника и нагрузки являются сопряженными. Это условие не выполняется в случае согласования характеристических сопротивлений каскада в прямом и обратном направлениях, если характеристические сопротивления комплексные. Однако если они активные (включая сопротивление источника), как это нередко имеет место на практике, то обеспечивается оптимальное условие передачи мощности.

Согласование характеристических сопротивлений .широко применяется в автоматике, приборостроении и электронике.

Уравнения сложных четырехполюсников в матричной форме

Для получения параметров результирующего четырехполюсника, составленного из более простых четырехполюсников, параметры которых известны, удобно пользоваться матричной записью,

Т образная схема замещения уравнения
В зависимости от схемы соединения сложного четырехполюсника применяется та или иная форма уравнений, а именно:

  1. при каскадном соединении (рис. 9-10) —формаТ образная схема замещения уравнения
  2. при последовательном соединении (см. рис. 9-11) — формаТ образная схема замещения уравнения
  3. при параллельном соединении (см. рис. 9-12) — форма Т образная схема замещения уравненияКаскадное соединение четырехполюсников (рис. 9-10). Уравнения

составных четырехполюсников в матричной форме Т образная схема замещения уравненияТ образная схема замещения уравнения

Здесь индексом а отмечены величины, относящиеся к первому четырехполюснику, а индексом 6 — величины, относящиеся ко второму четырехполюснику.

При каскадном соединении

Т образная схема замещения уравнения
Следовательно,

Т образная схема замещения уравнения
Таким образом, матрица Т образная схема замещения уравнениярезультирующего четырехполюсника равна произведению матриц составных четырехполюсников:

Т образная схема замещения уравнения

Эго правило распространяется на случай каскадного соединения любого числа четырехполюсника.’ При этом матрицы, подлежащие

Т образная схема замещения уравнения
перемножению, записываются в порядке следования соответствующих четырехполюсников, так как умножение матриц не подчиняется переместительному закону.

Последовательное соединение четырехполюсников (рис. 9-11) Уравнения составных четырехполюсников в матричной формеТ образная схема замещения уравненияимеют вид:
Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Таким образом, матрица Т образная схема замещения уравнениярезультирующего четырехполюсника равна сумме матриц составных четырехполюсников:

Т образная схема замещения уравнения
Параллельное соединение четырехполюсника (рис. 9-12)

Уравнения составных четырехполюсников в матричной форме Т образная схема замещения уравненияимеют вид:
При параллельном соединении четырехполюсников:

Т образная схема замещения уравнения

При параллельном соединении четырехполюсников:

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Таким образом, матрица Т образная схема замещения уравнениярезультирующего четырехполюсника равна сумме матриц Составных четырехполюсников

Т образная схема замещения уравнения

Правила нахождения матриц сложных четырехполюсников сведены в табл. 9-2. Они справедливы при любом числе составных четырехполюсников. Однако правила сложения матриц применимы только при равенстве токов входящего и выходящего в каждой паре выводов составных четырехполюсников, которое должно быть обеспечено тем или иным способом.

Одноэлементные четырехполюсники

Простейшими четырехполюсниками являются одноэлементные четырехполюсники, состоящие из последовательного (рис. 9-13, а) или параллельного (рис. 9-13, б) двухполюсника.

Уравнения первого из них в форме Т образная схема замещения уравнениязаписываются следующим образом:

Т образная схема замещения уравнения
или, что то же,
Т образная схема замещения уравнения
Уравнения одноэлементного четырехполюсника с параллельной ветвью (рис. 9-13, б) в формеТ образная схема замещения уравнениязаписываются следующим образом:

Т образная схема замещения уравнения
или, что то же,

Т образная схема замещения уравнения
Если в первом четырехполюснике (рис. 9-13, а) положить Z = 0 или, что то же, во втором четырехполюснике (рис. 9-13, б) принять Т образная схема замещения уравнениято получится уравнение

в форме Т образная схема замещения уравненияТ образная схема замещения уравнения

соответствующее непосредственному прямому соединению, показанному на рис. 9-14, а.
Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения
Поэтому при перекрещивании входных или выходных выводов любого четырехполюсника его матрица Т образная схема замещения уравненияумножается на Т образная схема замещения уравнениячто равносильно перемене знаков коэффициентов А.

Г-образный четырехполюсник

Коэффициенты Г-образного четырехполюсника (см. рис. 9-15) могут быть получены непосредственно по формулам. Например, для схемы рис. 9-15, а коэффициенты формы ||Л|| согласно формулам будут:
Легко убедиться, что перекрещенному соединению (рис. 9-14, б) соответствует уравнение в формеТ образная схема замещения уравнениясогласно формулам будут:

Т образная схема замещения уравнения

Аналогично могут быть вычислены и другие коэффициенты.

Характеристические параметры Г-образного четырехполюсника могут быть вычислены по формулам (9-25) и (9-26).

Т образная схема замещения уравнения
Для схемы рис. 9-15, а:

Т образная схема замещения уравнения

Для схемы рис. 9-15, б:

Т образная схема замещения уравнения
При расчете электрических фильтров и в ряде других случаев за исходные схемы Г-образных четырехполюсников принимаются схемы рис. 9-15, виг, причем мера передачи Г-образного четырехполюсника обозначается через g/2, для того чтобы при согласованном каскадном соединении двух таких четырехполюсников получался Т- или П-образный четырехполюсник с мерой передачи g. При этом характеристическое сопротивление со стороны параллельной ветви обозначается через Т образная схема замещения уравненияа со стороны последовательной ветви — через Т образная схема замещения уравнения
На основании (9-45) или (9-46):

Т образная схема замещения уравнения
Эти выражения используются в теории электрических фильтров.

Т-образный и П-образный четырехполюсники

Рассматривались схемы замещения четырехполюсника и приводились схемы Т-образного и П-образного четырехполюсников. Коэффициенты таких четырехполюсников вычисляются по общей методике.

Так, для Т-образной схемы рис.

9-16 получим:
Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения
Характеристические параметры находятся по формулам (9-25) и (9-26).

Симметричные Т- и П-образные четырехполюсники можно получить согласованным каскадным соединением двух одинаковых Г-образных четырехполюсников (рис. 9-17, а и б). Результирующие четырехполюсники имеют характеристические сопротивленияТ образная схема замещения уравненияопределяемые согласно (9-47), и меру передачи g, вдвое превышающую меру передачи Г-образного четырехполюсника.

С учетом (9-48) имеем:

Т образная схема замещения уравнения

Тот же результат получается на основании (9-26).

Т образная схема замещения уравнения

Симметричный мостовой четырехполюсник

Для симметричного мостового четырехполюсника (см.рис. 9-18) в соответствии с можно получить коэффициенты формы Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения
Т образная схема замещения уравнения
Характеристические параметры симметричного мостового четырехполюсника находятся по формулам:

Т образная схема замещения уравнения

Как уже отмечалось, мостовой четырехполюсник является физически реализуемым эквивалентом для любого реально осуществимого симметричного пассивного четырехполюсника.

Обратная связь

Последовательно-параллельное соединение двух четырехполюсников представляет собой один из основных видов цепи с обратной связью, в которой напряжение на выходе воздействует на входные напряжения системы. Пусть некоторое устройство, которое назовем основным, представляет собой четырехполюсник с передаточной функцией Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения(рис. 9-19). Если выходное напряжение Т образная схема замещения уравненияподвести к выводам другого четырехполюсника, называемого устройством обратной связи, и включить его противоположные выводы последовательно с входными выводами основного устройства, то получится система с обратной связью по напряжению.

Обозначим передаточную функцию устройства обратной связи черезТ образная схема замещения уравненияОчевидно, Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Следовательно, передаточная функция всей системы

Т образная схема замещения уравнения

или, если разделить числитель и знаменатель наТ образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения
Если поменять полярность одной из пар выводов устройства обратной связи, то в знаменателе (9-51) вместо знака минус получится знак плюс.

Обратная связь, при которой напряжение, пропорциональное выходному напряжению, добавляется к входному напряжению системы так, чтоТ образная схема замещения уравненияназывается положительной; если же Т образная схема замещения уравнениято обратная связь называется отрицательной.

Выражение (9-51) может быть переписано так:

Т образная схема замещения уравнения

Если Т образная схема замещения уравнениято

Т образная схема замещения уравнения
Это выражение показывает, что передаточная функция системы зависит от передаточной функции устройства обратной связи. Регулируя последнюю, можно воздействовать на передаточную функцию всей системы.

Видео:Теоретические основы электротехники 53. Четырёхполюсники. Нахождение сопротивлений схем замещенияСкачать

Теоретические  основы электротехники 53. Четырёхполюсники. Нахождение сопротивлений схем замещения

Методы расчета электрических цепей с использованием теории четырехполюсников

Основные теоретические сведения:

В радиотехнике обычно интересуются прохождением сигналов через произвольную сложную электрическую цепь. При этом важно установить связь между выходными и входными значениями сигнала, не рассчитывая токи и напряжения на элементах внутри цепи.

Для такого анализа цепь (или часть цепи) представляется обобщенной схемой в виде четырехполюсника. Анализ цепи в этом случае производится на основе классической теории четырехполюсников, которая устанавливает связь между токами и напряжениями, действующими на входных и выходных зажимах (полюсах).

Краткая характеристика четырехполюсников

На рис. 5.1. показан неавтономный активный четырехполюсник. В зависимости от того, какая пара переменных величин считается независимой, процессы в четырехполюсниках можно описать одной из шести форм уравнений, приведенных и табл. 5.1.

Коэффициенты уравнений характеризуют свойства четырехполюсника, зависящие только от схемы цепи и параметров ее элементов. Поэтому коэффициенты уравнения называют собственными (иногда первичными) параметрами четырехполюсника. Их можно определить экспериментально или аналитически по известной схеме цепи. Для определения параметров применяют режим холостого хода (XX) или режим короткого замыкания (КЗ) на соответствующих зажимах четырехполюсника.

Т образная схема замещения уравнения

Режим работы четырехполюсника выбирают так, чтобы одно из слагаемых данных уравнений (табл. 5.1) было равно нулю. Например, для выходных зажимов при XX Т образная схема замещения уравненияпри КЗ Т образная схема замещения уравненияДалее, полагая одну из двух переменных величин (ток, напряжение) заданной, по схеме цепи рассчитывают данный параметр.

При выбранном режиме работы четырехполюсника каждый коэффициент уравнений имеет конкретный физический смысл. Например, из уравнений в форме Y (табл. 5.1) видно, что каждый коэффициент равен отношению тока к напряжению. Поэтому по физическому смыслу Y-параметры являются входными или передаточными проводимостями. В этом смысле Z- параметры являются входными или передаточными сопротивлениями.
Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

А- и В-параметры называют передаточными, так как по физическому смыслу они являются передаточными сопротивлениями (проводимостями) или коэффициентами передачи по напряжению (току). Параметры вида Н и G называются гибридными, так как они содержат входные сопротивления (проводимости) и коэффициенты передачи по напряжению (току).

В общем случае четырехполюсник характеризуется четырьмя параметрами. Для взаимных и симметричных четырехполюсников число параметров уменьшается, так как могут быть два параметра, равных по величине. Условия взаимности и симметричности четырехполюсников для различных собственных параметров приведены в табл. 5.2.

Любая система параметров может быть выражена через каждую из других пяти систем (табл.5.3). Например, в справочнике приведены Н-параметры транзистора, а для расчета цепи необходимо знать Y-параметры транзистора. В этом случае необходимо воспользоваться формулами, расположенными на пересечении строки Y и столбца Н (табл. 5.3):

Т образная схема замещения уравнения

где Н — определитель матрицы Н-параметров.

Использование собственных параметров четырехполюсника позволяет при расчете любую электрическую цепь представить эквивалентной схемой замещения.
Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

На рис. 5.2 показаны схемы замещения на базе Y-, Z- и Н-параметров. Наиболее часто схемы замещения применяют для описания электрических приборов (триодов, транзисторов), включенных в электрическую цепь.

Собственные параметры четырехполюсника не учитывают влияние внешних цепей (источника и нагрузки). Для расчета четырехполюсника с учетом этих целей применяют комплексные функции, которые иногда называют вторичными или рабочими параметрами. Эти параметры выражают через собственные параметры Y или Z.

Если источник задан напряжением или током на входе четырехполюсника, то при расчете необходимо учитывать только нагрузку. Комплексные входные и передаточные функции для этого случая приведены соответственно в табл. 5,4 и 5.5.

Расчет в ряде случаев удается упростить, если цепь представить в виде сложного четырехполюсника. Основные виды соединения двух простых четырехполюсников показаны в табл. 5.6. Матрицы параметров некоторых простых четырехполюсников приведены в табл. 5.7 и 5.8.
Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Примеры решения задач:

Пример 5.1.1.

Для четырехполюсника (рис. 5.3, а) определить А-параметры. Y- и Z-параметры найти по связям с полученными параметрами.

Дано: Т образная схема замещения уравнения

Решение

1. Строим схемы для холостого хода и короткою замыкания на зажимах 2—2′ (рис. 5.3, б, в).

Т образная схема замещения уравнения

Для режима холостого хода Т образная схема замещения уравнениясистема уравнений вида А примет вид:

Т образная схема замещения уравнения

Отсюда
Т образная схема замещения уравнения
Для определении Т образная схема замещения уравненияна вход цепи рис. 5.3,6 подаем Т образная схема замещения уравненияи определяем Т образная схема замещения уравненияТ образная схема замещения уравнения

При расчете Т образная схема замещения уравнениязадаемся Т образная схема замещения уравненияи находим Т образная схема замещения уравнения(рис. 5.3, б)

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Для режима короткого замыкания Т образная схема замещения уравнениясистема уравнений вида А примет вид

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Для определения Т образная схема замещения уравненияна вход цепи (рис. 5.3, в) подаем Т образная схема замещения уравненияи находим Т образная схема замещения уравнения. Из схемы видно, что Т образная схема замещения уравненияпоэтому

Т образная схема замещения уравнения

Подставляя по значение в исходную формулу, получаем

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравненияможно найти из соотношения

Т образная схема замещения уравнения

т.е. Т образная схема замещения уравнения

2. Рассчитаем Y- и Z-параметры по формулам связи с А-параметрами (см. табл. 5.3):

Т образная схема замещения уравнения
Т образная схема замещения уравнения

Пример 5.1.2.

Найти матрицу А низкочастотного фильтра, изображенного на рис. 5.4, пользуясь матрицами элементарных четырехполюсников.

Решение

1. Определяем матрицу Т образная схема замещения уравненияэлементарного четырехполюсника (см. табл. 5.7) Т образная схема замещения уравненияТ образная схема замещения уравнения

2. Находим матрицу Т образная схема замещения уравненияэлементарного четырехполюсника (см. табл. 5.7)
Т образная схема замещения уравнения

3.Рассчитаем матрицу А сложного четырехполюсника при каскадном включении элементарных четырехполюсников

Т образная схема замещения уравнения

Пример 5.1.3.

Определить комплексную передаточную функцию по напряжению реактивного фильтра нижних частот (см. рис. 5.4), нагруженного на активное сопротивление Т образная схема замещения уравнения.

Решение

1. Рассчитаем Y-параметры ненагруженного четырехполюсника. Из табл. 5.8 определим Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

2.Комплексную передаточную функцию по напряжению нагруженного четырехполюсника определим по формуле (см. табл. 5.5).

Т образная схема замещения уравнения

Учитывая, что Т образная схема замещения уравнения, получаем

Т образная схема замещения уравнения

Видео:2. Моделирование асинхронного двигателя на основе Г-образной схемы замещенияСкачать

2. Моделирование асинхронного двигателя на основе Г-образной схемы замещения

Методы расчета линейных активных цепей с использованием теории четырехполюсников

Основные теоретические сведения:

Цепи с электронными приборами (электронными лампами, транзисторами, операционными усилителями и т.п.), способные в определенных режимах усиливать по мощности входной сигнал, называются активными. Вследствие нелинейности вольт-амперных характеристик (ВАХ) электронных приборов такие цепи, строго говоря, являются нелинейными. Если амплитуда входного сигнала мала, а рабочая точка выбрана на линейном участке ВАХ прибора, id активные цели можно рассматривать как линейные.

В этом случае их анализ производят методами теории линейных электрорадиоцепей.

Для расчета линейных электрических цепей активные элементы заменяют их моделями, которые с определенной степенью точности отражают происходящие в них физические процессы. Paзличают математические (аналитические) и электрические модели электронных приборов. При расчете линейных активных цепей (ЛАЦ) известными методами теории цепей используют электрические модели, т. е. эквивалентные электрические схемы активных элементов. Обычно применяют два вида эквивалентных схем электронных приборов — физическую и схему на базе собственных параметров четырехполюсника.

Физическая эквивалентная схема строится на основе структуры прибора и принципа его работы, т. е. на основе так называемых физических параметром.

Рассмотрим эквивалентные схемы трех основных видов электронных приборов, применяемых для усиления сигналов. Способность прибора усиливать сигнал отражается включением в эквивалентную схему зависимого источника тока или напряжения.

На рис.5.9 схематически показано устройство плоскостного биполярного транзистора и его условное графическое изображение. В электрическую цепь транзистор может быть включен по схеме с обшей базой (ОБ), но схеме с общим эмиттером (ОЭ) или по схеме с общим коллектором (ОК). В табл. 5.9 приведены физические эквивалентные схемы биполярного транзистора для трех схем включения.

Элемент Т образная схема замещения уравнения, схемы является дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода в прямом направлении, Т образная схема замещения уравнения— дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в обратном направлении, Т образная схема замещения уравнения— сопротивление объема полупроводника базы. Обычно в транзисторах Т образная схема замещения уравненияТ образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

В общем случае все физические параметры являются частотно-зависимыми. Этот факт учитывается включением в электрическую модель емкостей эмиттера и коллектора. Эти емкости достаточно малы, поэтому их влияние необходимо учитывать лишь на высоких частотах. Наиболее вредной является емкость коллектора шунтирующая источник.

В рассматриваемых схемах усилительные свойства отображены зависимыми источниками тока в цепи коллектора, которые выражены через коэффициент передачи тока;

Т образная схема замещения уравнения

Зависимый источник можно выразить также через коэффициент Т образная схема замещения уравненияпередачи тока базы:Т образная схема замещения уравненияТак как Т образная схема замещения уравнениято

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

В современных транзисторах ток базы мал по сравнению с током эмиттера. Обычно Т образная схема замещения уравненияпоэтому Т образная схема замещения уравнения

На рис.5.10 приведены условное графическое изображение и физическая эквивалентная схема электровакуумного триода.

Эквивалентная схема характеризуется физическими параметрами: входным и внутренним Т образная схема замещения уравнениясопротивлениями триода переменному току и межэлектродными емкостями, которые пунктиром показаны на условном графическом изображении. Для большинства триодов эти емкости имеют значения от 2 до 15 пФ, поэтому на низких частях их можно не учитывать.

Величины входного и внутреннего сопротивлений зависит от режима работы триода. Обычно на сетку подается отрицательное относительно катода напряжение. При этом ток сетки близок к нулю, а входное сопротивление велико — единицы — десятки мегаом. Внутреннее сопротивление триода при работе в линейном режиме обычно лежит в пределах от 10 до 30 кОм.

Зависимый источник тока в эквивалентной схеме определяется крутизной S вольт-амперной характеристики и напряжением Т образная схема замещения уравнениямежду сеткой и катодом:

Т образная схема замещения уравнения

где Т образная схема замещения уравнения— ток анода.

Важным параметром триода является коэффициент усиления

Т образная схема замещения уравнения
где Т образная схема замещения уравнения— напряжение между анодом и катодом.

Современные триоды имеют коэффициент усиления от 3 до 100 и крутизну от 1 до 50 мА/В.

Рассмотренная физическая эквивалентная схема соответствует включению триода и цепь по наиболее распространенной схеме с общим катодом. Кроме того, триод может включаться в цепь по схеме с общим анодом или с обшей сеткой.

Полевой (униполярный, канальный) транзистор является полупроводниковым аналогом электровакуумного триода. На рис.5.11 схематически показано устройство полевого транзистора с управляющим Т образная схема замещения уравненияпереходом и каналом Т образная схема замещения уравнениятипа, а также его условное графическое изображение.

Сетке триода соответствует затвор (3) транзистора, катоду -исток (И), аноду — сток (С).

Физическая эквивалентная схема этого транзистора, включенного на схеме с общим истоком, показана на рис. 5.12. Видно, что эта схема аналогична схеме триода. Зависимый источник тока характеризуется крутизной ВАХ и напряжением Т образная схема замещения уравнениямежду затвором и истоком:

Т образная схема замещения уравнения

где Т образная схема замещения уравнения— ток стока.

Величина внутреннего сопротивления может достигать сотен килоом.

Т образная схема замещения уравнения

Второй тип эквивалентных схем электронных приборов основан на представлении их линейными невзаимными четырехполюсниками. В этом случае параметрами активных элементов являются коэффициенты уравнений четырехполюсников (см. табл. 5.1). Поэтому эквивалентными схемами электронных приборов являются схемы замещения четырехполюсников на базе соответствующих параметров (см. рис. 5.2). Аналогично физическим эквивалентным схемам усилительные свойства электронных приборов отражаются зависимыми источниками.

В настоящее время основными параметрами транзисторов считаются гибридные Н-параметры, так как они наиболее просто измеряются. Именно эти параметры приводятся во всех справочниках. При расчете некоторых цепей удобнее применять Y-napaметры. Переход от одних параметров к другим производится по известным формулам связи собственных параметров четырехполюсников разных систем (см. табл. 5.3).

Н- и Y-параметры называются низкочастотными мало сигнальными, так как они справедливы лишь на низких частотах и для входных сигналом с малыми амплитудами. При работе электронных приборов на низких частотах все их параметры являются вещественными.

Параметры электронных приборов как четырехполюсников, в отличие от физических параметров, существенно зависят от схемы включения прибора в цепь. Поэтому к цифровому индексу параметра добавляют соответствующую букву.

Например, матрицы Н-параметров транзисторов, включенных по схеме с ОЭ и по схеме с ОБ, соответственно имеют вид:

Т образная схема замещения уравнения

Аналогично записываются матрицы Y-параметров.

Зная параметры прибора для одной схемы включения, можно найти его параметры для другой схемы. В табл. 5.10 приведены формулы, связывающие Т образная схема замещения уравнения-параметры транзистора при различных схемах включения в цепь.

Н-параметры так же, как и Y-параметры, непосредственно связаны с физическими параметрами электронного прибора. Некоторые формулы, определяющие эту связь для биполярных транзисторов, приведены в табл. 5.11 и 5.12.

Отметим физический смысл Н-параметров транзистора, который следует из уравнений четырехполюсника в форме Н (см. табл. 5.1).

В систему Н-параметров входят величины:

Т образная схема замещения уравнения. — входное сопротивление при коротком замыкании выходных зажимов транзистора Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения— коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входных зажимах;

Т образная схема замещения уравнения— коэффициент передачи тока ( Т образная схема замещения уравненияили Т образная схема замещения уравненияв зависимости от схемы включения) при Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения— выходная проводимость транзистора при холостом ходе на входе Т образная схема замещения уравнения

По физическому смыслу выходная проводимость есть внутренняя проводимость транзистора;

Т образная схема замещения уравнения

Для полевого транзистора или электровакуумного триода эквивалентную схему можно упростить. Наиболее часто эти приборы включают в цепь по схеме с общим катодом (истоком). При этом входное сопротивление велико, поэтому ток сетки (затвора) близок к нулю.

Из уравнений в форме Т образная схема замещения уравнения(см. табл. 5.1) видно, что Т образная схема замещения уравненияПоэтому эти активные элементы характеризуются двумя параметрами: Т образная схема замещения уравнения

Расчет линейных активных целей (ЛАЦ) с использованием рассмотренных эквивалентных схем активных элементов может производиться по известным методам. В настоящее время наиболее часто применяют MУH, MKT, метод сигнальных графов.

Введение в эквивалентные схемы активных элементов зависимых (управляемых) источников позволяет исключить из расчета независимые источники цепи (источники питания), которые обеспечивают заданный режим работы. При этом зависимые источники работают на частоте сигнала, подаваемого на вход цепи.

Таким образом, при расчете полагают, что в цепи действует один независимый источник сигнала на входе. Поэтому расчет цепи проводят обычным способом, определяя заданные токи (напряжения) или комплексные функции.

Особенность расчета ЛАЦ по MKT или МУН состоит в следующем. Электрическая схема цепи заменяется эквивалентной схемой, в которой активные элементы заменяются физическими эквивалентными схемами или схемами на базе параметров четырехполюсника. Далее, в соответствии с выбранным методом расчета составляются по общим правилам контурные или узловые уравнения.

Например, допустим, что схема имеет три независимых контура. Источник сигнала Т образная схема замещения уравнениявключен в первый контур, а зависимый источник электронного прибора находится в третьем контуре. В соответствии с MKT система контурных уравнений в матричной форме будет иметь видТ образная схема замещения уравнения

В этом случае матрица контурных сопротивлений описывает только пассивные элементы цепи. Условимся называть такие матрицы матрицами пассивной части цепи и обозначим соответственно Т образная схема замещения уравненияили Т образная схема замещения уравненияЭти матрицы являются симметричными относительно главных диагоналей, т. е. Т образная схема замещения уравнения

Зависимые источники активных элементов неизвестны, они определяются токами (напряжениями) в цепи. Поэтому их необходимо выразить через контурные токи (при MKT) или через узловые напряжения (при МУН) и перенести в соответствующие элементы правой части уравнений.

После преобразований все уравнения, кроме первого, будут иметь нулевые правые части. При этом матрица Z или Y характеризует цепь с учетом активных элементов. Такую матрицу будем называть полной.

Так как электронной прибор является невзаимным (однонаправленным), то полная матрица будет несимметричной, т. е. в общем случае

Т образная схема замещения уравнения

Полная матрица Z или Y позволяет но известным формулам через определители рассчитать любую комплексную функцию цепи.

Эти методы расчета обычно называют методами эквивалентных схем. Они отличаются наглядностью, простатой и логичностью действий, позволяют использовать любые эквивалентные схемы активных элементов. Однако их применение ограничено, так как для сложных многокаскадных цепей метод становится громоздким.

Представление зависимых источников через искомые точки или напряжения, перенос этих величин в левые части уравнений имеют общие закономерности. Исследования этих закономерностей позволило обобщить (формализовать) методы расчета. Суть обобщения состоит в том, что можно по известным правилам составлять полную матрицу сопротивлений (проводимостей) цепи, не составляя систему уравнений.

Рассмотрим обобщенный метод узловых напряжений (ОМУН). Сущность этого метода состоит в следующем. Электронные приборы в схеме заменяют физической эквивалентной схемой, затем по известным правилам определяют независимые узлы и для них составляют матрицу Т образная схема замещения уравненияпассивной части цепи, включая физические параметры электронного прибора. Далее в эту матрицу вписывают так называемые управляющие параметры, учитывающие зависимые источники активных элементов. Полученная в результате этого матрица является полной матрицей активной линейной цепи, позволяющей произвести расчет заданных величин.

Управляющим параметрам называют коэффициент (по модулю) при узловом напряжении, которое создает ток зависимого источника активного элемента. Он рассчитывается непосредственно из выражения для зависимого источника тока.

Для биполярного транзистора Т образная схема замещения уравненияТок эмиттера зависит от сопротивления Т образная схема замещения уравненияветви эмиттера (внутреннего Т образная схема замещения уравненияи внешнего) и от приложенного к ней узлового напряжения. Например, если Т образная схема замещения уравнениято

Т образная схема замещения уравнения

Проводимость Т образная схема замещения уравненияи является управляющим параметром, который вписывается в два элемента матрицы Т образная схема замещения уравнения. В общем случае ток эмиттера может определяться разностью двух узловых напряжений: Т образная схема замещения уравненияВ этом случае управляющий параметр необходимо вписать в четыре элемента матрицы.

Номера строк этих элементов определяются номерами узлов цепи, к которым подключен зависимый источник тока Т образная схема замещения уравнения, а номера столбцов — номерами узловых напряжений, создающих этот ток. Например, пусть источник включен между узлами 3 и 5, а управляется он узловым напряжением Т образная схема замещения уравнения. Тогда управляющий параметр необходимо вписать в элементы Т образная схема замещения уравненияматрицы.

Параметр вписывают со знаком плюс, если источник и напряжение относительно своих углов направлены одинаково. Например, в элемент параметр необходимо вписать со знаком плюс, если ток источника направлен к узлу 5, а напряжение Т образная схема замещения уравнения— к узлу 3 (или оба направлены от узлов). В противном случае необходимо ставить знак минус.

Необходимо помнить, что при определении направления напряжения Т образная схема замещения уравненияотносительно Т образная схема замещения уравнения-го узла необходимо учитывать его знак в формуле для расчета эмиттерного тока.

Для расчета ЛАЦ применяют также другой вариант ОМУН, принципиально отличающийся от рассмотренного выше. Сущность этого метода состоит в следующем. Для расчета составляют эквивалентную схему цепи, из которой исключают все активные элементы. Точки включения электродов этих элементов на схеме считаются узлами. Для этой схемы по известным правилам МУН составляют матрицу Т образная схема замещения уравнения

Электронные приборы описывают матрицами Y-параметров. Для получения полной матрицы цепи элементы матрицы Y-napaметров необходимо вписать в одноименные элементы матрицы Т образная схема замещения уравненияДалее расчет ведется обычным способом.

Если электронный прибор включен в цепь определенно, т. е. по схеме с общим электродом, то он характеризуется четырьмя параметрами, например:Т образная схема замещения уравнения

В общем случае электронный прибор включается в цепь неопределенно, т. е. без общего электрода. При этом на всех электродах имеется напряжение относительно базисного узла (относительно земли).

Пример неопределенного включения транзистора показан на рис. 5.13. В этом случае транзистор описывается не четырьмя, а девятью Y-параметрами. Такая матрица формируется на основе параметров транзистора с определенной схемой включения. Для схемы, прицеленной на рис. 5.13, матрица Y-параметров транзистора имеет вид:
Т образная схема замещения уравненияТ образная схема замещения уравнения
Можно показать, что такая матрица является неопределенной, т. е. суммы ее элементов в каждой строке и в каждом столбце тождественно равны нулю. На основании этого свойства определяют дополнительные параметры. Например: Т образная схема замещения уравнения Т образная схема замещения уравненияи.т.д.

Чтобы получить правильную полную матрицу проводимостей ЛАЦ, необходимо знать правила вписывания Y-параметров электронных приборов. Если, например, электроды транзистора включены к узлам с номерами Т образная схема замещения уравнениято строки и столбцы неопределенной матрицы необходимо обозначить соответственно этими же номерами (см. Т образная схема замещения уравнения). Тогда элементы этой матрицы вписываются в элементы матрицы Т образная схема замещения уравненияимеющие те же номера.

Примеры решения задач:

Пример 5.2.1.

Рассчитать комплексный коэффициент передачи по напряжению однокаскадного транзисторного усилителя (рис. 5.14) методом контурных токов (MKT). Транзистор представить физической схемой замещения.

Решение

1. Составим эквивалентную схему транзисторного усилителя по переменному току (рис. 5.15).

2. Выполним эквивалентные преобразования сопротивлений в схеме (рис. 5.16).

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

3. Выберем независимые контуры и зададим положительное направление контурных токов в них (рис. 5.16).

Т образная схема замещения уравнения

4. Составим систему уравнении по MKT:

Т образная схема замещения уравнения

5. Выразим ток эмиттеpa через контурный ток

Т образная схема замещения уравнения

6. Подставим ток эмиттера в уравнения

Т образная схема замещения уравнения

7. Сгруппируем подобные слагаемые в уравнениях

Т образная схема замещения уравнения.

8. Рассчитаем ток Т образная схема замещения уравненияпо формуле Крамера

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения
9. Рассчитаем выходное напряжение транзисторного усилителя

Т образная схема замещения уравнения

10. Рассчитаем комплексный коэффициент передачи по напряжению транзисторного усилителя

Т образная схема замещения уравнения

Пример 5.2.2.

Рассчитать комплексный коэффициент передачи по напряжению однокаскадного транзисторного усилителя (рис. 5.17) MKT. Транзистор представить схемой замещения на базе Н-параметров.

Т образная схема замещения уравнения

1. Составим эквивалентную комплексную схему транзисторного усилителя по переменному току (рис. 5.18).

2.Выполним эквивалентные преобразования сопротивлений в схеме и преобразуем источник тока в эквивалентный источник ЭДС (рис. 5.19):

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

3. Выберем независимые контуры и зададим положительное направление в них контурных токов.

4. Составим систему уравнений по MKT:

Т образная схема замещения уравнения

5. Выразим ток Т образная схема замещения уравненияи напряжение Т образная схема замещения уравнениячерез контурные токи:

Т образная схема замещения уравнения

6. Подставим их выражения в уравнения:

Т образная схема замещения уравнения

7. Сгруппируем подобные слагаемые в уравнениях:

Т образная схема замещения уравнения

8. Рассчитаем комплексный ток третьего контура Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

9. Рассчитаем выходное напряжение транзисторного усилителя

Т образная схема замещения уравнения

10. Рассчитаем комплексный коэффициент передачи по напряжению транзисторного усилителя

Т образная схема замещения уравнения

Пример 5.2.3. Рассчитать комплексный коэффициент передачи по напряжению однокаскадного транзисторного усилителя (рис. 5.20) ОМУН. Транзистор представить физической схемой замешения.

Решение

1. Составим эквивалентную комплексную схему транзисторного усилителя по переменному току (рис. 5.21).
2. Выберем независимые углы и зададим положительное направление узловых напряжений.

Т образная схема замещения уравнения

3. Составим матрицу проводимостей пассивной части схемы.

Т образная схема замещения уравнения

4. Определим управляющий параметр. Из схемы видно, что Т образная схема замещения уравненияпоэтому источник тока

Т образная схема замещения уравнения

Отсюда получим управляющий параметр: Т образная схема замещения уравнения

5. Впишем управляющий параметр в матрицу Т образная схема замещения уравнения

Источник тока включен в узлы 3 и 4, а управляется он узловым напряжением третьего узла Т образная схема замещения уравнения. Поэтому параметр Т образная схема замещения уравнениянеобходимо вписать в элементы матрицы Т образная схема замещения уравнения

Ток источника направлен от yзла 3, а напряжение Т образная схема замещения уравненияс учетом знака в формуле (5.1) направлено к. узлу. Поэтому в элемент Т образная схема замещения уравненияпараметр Т образная схема замещения уравнениявписывается со знаком минус. Рассуждая аналогично, найдем, что в элемент Т образная схема замещения уравненияпараметр необходимо вписать со знаком плюс. После вписывания получим полную матрицу Y проводимостей усилителя

Т образная схема замещения уравнения

6. Рассчитаем комплексный коэффициент передачи усилителя по формуле (см. табл. 4.1)

где Т образная схема замещения уравнения— алгебраические дополнения полной матрицы проводимостей, получаемые из нее путем вычеркивания соответствующих строк (в данном случае первой) и столбцов (первого и четвертого соответственно).

Пример 5.2.4.

Рассчитать Y-параметры транзистора Т образная схема замещения уравнения— 623 В.

Дано: Т образная схема замещения уравнения

Решение

1. Рассчитаем параметр Т образная схема замещения уравнениятранзистора по формуле (см. табл. 5.9)

Т образная схема замещения уравнения

2. Рассчитаем Т образная схема замещения уравнения-параметры транзистора, включенного в схему с общей базой, по формулам пересчета параметров (см. табл. 5.3):

Т образная схема замещения уравнения

3. Используя основное свойство неопределенной матрицы, составим матрицу Y-параметров транзистора
Т образная схема замещения уравнения

4. Составим матрицу Т образная схема замещения уравнения-параметров транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Т образная схема замещения уравнения

Пример 5.2.5.

Рассчитать комплексный коэффициент передачи по напряжению однокаскадного транзисторного усилителя (см. рис. 5.20) ОМУН. Транзистор описать матрицей Y-параметров.

Решение

1.Составим эквивалентную комплексную схему однокаскадного транзисторного усилителя без учета транзистора (рис. 5.22).
Т образная схема замещения уравнения
2. Выберем независимые узлы и зададим положительное направление узловых напряжений.

3. Составим матрицу проводимостей пассивной части схемы
Т образная схема замещения уравнения

4. Впишем матрицу проводимостей пассивной части схемы в матрицу Y-параметров транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Т образная схема замещения уравнения

5. Рассчитаем комплексный коэффициент передачи по напряжению

Т образная схема замещения уравнения

Пример 5.2.6.

Рассчитать комплексный коэффициент передачи по напряжению однокаскадного транзисторного усилители (рис. 5.23) МУН. Транзистор представить схемой замещения на базе Y-параметров. Построить АЧХ усилителя в диапазоне Т образная схема замещения уравненияТ образная схема замещения уравнения

Дано: Т образная схема замещения уравненияТ образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Решение

1. Составим эквивалентную комплексную схему транзисторного усилителя по переменному току (рис. 5.24).

Т образная схема замещения уравнения

2. Выберем независимые узлы и зададим положительное направление узловых напряжений.

3. Составим систему уравнений по МУН

Т образная схема замещения уравнения

4. Выразим напряжения Т образная схема замещения уравнениячерез узловые напряжения:

Т образная схема замещения уравнения

5. Подставим значения напряжений Т образная схема замещения уравненияв систему уравнений (5.2):

Т образная схема замещения уравнения

6. Сгруппируем подобные слагаемые в уравнениях (5.3):

Т образная схема замещения уравнения

7. Запишем матрицу проводимостей из полученной системы уравнений (5.4)

Т образная схема замещения уравнения

8. Подставим числовые значения и матрицу проводимостей

Т образная схема замещения уравнения

9. Рассчитаем комплексный коэффициент передачи по напряжению:
Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

Т образная схема замещения уравнения

После подстановки и преобразований получим

Т образная схема замещения уравнения
Модуль комплексного коэффициента передачи определяется выражением
Т образная схема замещения уравнения
10. Рассчитаем значения модуля комплексного коэффициента передачи по напряжению и диапазоне частот Т образная схема замещения уравнения

По результатам расчета построим график АЧХ и среде Mathcad (рис. 5.25).

Т образная схема замещения уравнения

Рекомендую подробно изучить предметы:
  1. Электротехника
  2. Основы теории цепей
Ещё лекции с примерами решения и объяснением:
  • Линейные диаграммы
  • Круговые диаграммы
  • Цепи с взаимной индукцией
  • Трехфазные цепи
  • Нелинейные электрические цепи
  • Магнитные цепи и их расчёт
  • Цепи переменного тока
  • Символический метод расчета цепей

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

📺 Видео

1 3 4 Комплексные схемы замещения идеализированных пассивных элементовСкачать

1 3 4 Комплексные схемы замещения идеализированных пассивных элементов

26.1 Эквивалентная схема трансформатора.Скачать

26.1 Эквивалентная схема трансформатора.

Схемы замещения и соединение источников ЭДС| Физика в техникумеСкачать

Схемы замещения и соединение источников ЭДС| Физика в техникуме

3,9 Уравнения состояния АДСкачать

3,9 Уравнения состояния АД

Классификация четырехполюсников. Системы уравнений четырехполюсниковСкачать

Классификация четырехполюсников. Системы уравнений четырехполюсников

1 5 ЧетырехполюсникиСкачать

1 5 Четырехполюсники
Поделиться или сохранить к себе: