Основы теории четырехполюсников

Основные определения. Уравнения и параметры четырехполюсника Теория четырехполюсников — это один из способов описания электрической цепи, когда схема электрической цепи может быть не известна. В теории четырехполюсников электрическую цепь заменяют"черным ящиком" с четырьмя выводами, два из которых являются входными (1, 1¹), а два других — выходными (2, 2¹).

Режим работы цепи и все ее параметры известны (можно рассчитать), если известны входные и выходные токи и напряжения. При этом:

U₁, I₁ — напряжение и ток на входе,.

U₂, I₂ — напряжение и ток на выходе.

Однако это бывает излишнем, теория четырехполюсников позволяет описывать электрическую цепь, для которой известны две из этих четырех величин и параметры четырехполюсника определенные в режиме короткого замыкания и холостого хода на входе и выходе цепи. Две известные величины называют воздействием, обозначим их Х₁, Х₂ (это независимые переменные), а две другие откликом, обозначим их Y₁, Y₂ (это зависимые переменные, т. е. функции).

Уравнения, устанавливающие связь между откликами и воздействиями называют основными уравнениями четырёхполюсника. В общем виде, их можно записать, как две некоторые функции f₁ и f₂от (х₁ и х₂), однако для линейных цепей, в соответствии с принципом суперпозиции, эти функции обращаются в линейную комбинацию переменных (х1и х2).

Коэффициенты L_11, L₁₂, L₂₁, L₂₂, входящие в основные уравнения четырехполюсника, называются параметрами четырехполюсника. В зависимости от того, что считать воздействием (аргументами) Х₁, Х₂и что откликом (функциями) Y₁, Y₂ (см. табл.7.1), можно записать шесть пар основных уравнений четырехполюсника.

Таблица 7.1.

Воздействие.
Отклик.
Параметры.

Связь между напряжениями, токами и Z — параметрами получают из уравненийU₁=f₁(I₁, I₂), U₂=f₂(I₁, I₂). Если считать четырехполюсник линейным, то в силу принципа суперпозиции, функции представляют собой линейную комбинацию аргументов т. е.

Коэффициенты, входящие в эти уравнения имеют размерность сопротивлений и называются Z — параметрами, а сами уравнения — уравнениями четырехполюсника с Z — параметрами. Эти параметры имеют следующие названия:

входное сопротивление при режиме холостого хода (Х.Х) на выходе;

— сопротивление обратной передачи при Х.Х. на входе;

— сопротивление прямой передачи при Х.Х. на выходе;

— выходное сопротивление при Х.Х. на входе.

В общем случае, при наличие в схеме реактивных элементов эти сопротивления являются комплексными.

Полученную систему уравнений можно записать в матричной форме.

(U)=(Z) (I),.

где (I)=(I₁, I₂)^т — матрица-столбец заданных токов, (U)=(U₁, U₂)^т — матрица-столбец напряжений на выводах четырехполюсника,.

— матрица сопротивлений четырехполюсника.

Аналогично можно записать и остальные уравнения четырехполюсника.

Например:Y-параметры. Основные уравнения четырехполюсника в y-параметрах записываются как.

.

а Y-параметры имеют следующие названия:

— входная проводимость в режиме короткого замыкания на выходе;

— проводимость обратной передачи в режиме короткого замыкания на входе;

— проводимость прямой передачи при коротком замыкании на выходе;

— выходная проводимость в режиме короткого замыкания на входе.

Причем, т.к. они определены при разных режимах.

Параметры различных систем уравнений относящиеся к одному четырехполюснику взаимосвязаны, т. е. любой из параметры одной системы уравнений (например z-параметры) могут быть выражены через параметры другой системы (например у, h, gи т.д.). Кроме того, все параметры четырехполюсника связаны с функциями цепи.