Что такое ток согласования

Обновлено: 28.06.2024

Одним из защитных приборов, устанавливаемых в электрощитах, является устройство защитного отключения.

Эти аппараты отличаются по номинальному току, количеству фаз, уставке дифференциального тока и конструкции, но кроме этого различные типы дифреле реагируют на разные виды тока утечки.

Поэтому для обеспечения максимальной безопасности при принятии решения, какое УЗО ставить - A или AC, необходимо учесть предписания нормативных документов и рекомендации производителей защитных приборов.

Что такое ток утечки

Согласно первому правилу (закону) Кирхгофа, сила тока в нулевом и фазном проводниках должна быть одинаковой. Это равенство нарушается при появлении тока, протекающего не через нейтраль, а по заземлённому корпусу или тело человека.

На этом принципе основана работа приборов дифзащиты. При нарушении изоляции сила тока в нулевом проводе уменьшается на величину тока утечки, что вызывает отключение питания линии.

Ток утечки, согласно ГОСТ Р 6075, есть двух типов и они описывается в разных пунктах этого документа:

П.3.1.1 - ток замыкания на землю (от анл. earth fault current). Появляется в аварийных ситуациях при повреждении изоляции или попадании человека под напряжение, требует немедленного отключения питания линии. Такое явление возникает при повреждении изоляции между электросхемой и металлическими элементами электроприборов, например, при разрушении ТЭНа в бойлере или утечке воды в стиральной машине.
П.3.1.2 - ток утечки на землю (от англ. earth leakage current). Присутствует постоянно, его величина зависит от мощности электроприбора или протяжённости кабельных линий. Согласно ПУЭ п.7.1.83 допустимый ток утечки составляет 1,8 мА на 1 кВт и 1 мА на 100 м кабеля. Общая величина тока утечки не должна превышать 1/3 уставки дифзащиты.

Каким бывает ток утечки

Напряжение в сети 220 В всегда переменное и его величина и полярность меняются с частотой 50 Гц. На экране осциллографа оно отображается в виде синусоиды, поэтому такое напряжение называют "синусоидальное", однако тип тока утечки может быть разным, в зависимости от вида оборудования и места повреждения

синусоидальный;
постоянный пульсирующий;
постоянный сглаженный.

Они отличаются друг от друга своими свойствами и требуемым типом дифференциальной защиты.

Синусоидальный ток

Появляется в электроприборах без электронных элементов, таких, как электродвигатели, нагреватели, а так же при неисправности электропроводки.

Возможно возникновение такого тока при повреждениях, появляющихся до встроенных выпрямителей электронных схем. Форма этого тока соответствует напряжению сети и в бытовых сетях оно является переменным с частотой 50 Гц. Для защиты достаточно установить УЗО тип АС.

Пульсирующий постоянный

Различают два вида такого тока:

Синусоидальный . Состоит из полных полуволн синусоиды одного направления, возникающих при однополупериодном выпрямлении переменного напряжения. Такой ток утечки возникает при повреждении изоляции в выпрямителях, являющихся составной частью большинства электронных аппаратов.
Пульсирующий . Состоит из части полуволн синусоиды, появляющихся при тиристорном регулировании мощности электроприборов. В отличие от синусоидального, он может быть любой формы, чаще всего в регуляторах "обрезается" начало или конец полуволны, в результате чего ток резко возрастает или спадает.

Для защиты в таких сетях необходима установка дифзащиты типа А.

Сглаженный постоянный

Это постоянный ток, неравномерность которого не более 10%. Появляется при повреждениях изоляции после выпрямителей и в этих сетях необходимо УЗО типа В , реагирующее на сглаженный постоянный ток. Такие приборы устанавливаются редко из-за высокой цены.

Где может возникнуть несинусоидальный ток утечки?

Если для защиты от поражения электрическим током в сетях, в которых подключены нагреватели, не имеет значения, какое установлено УЗО - тип A или AC, то при утечке в электронных схемах защитного прибора типа АС может оказаться недостаточно.

В таких аппаратах может появиться несинусоидальный ток утечки. В отличие от аппаратов специального назначения, несинусоидальный ток в бытовой технике является частью пульсирующего постоянного тока.

Он появляется в первую очередь из-за использования тиристорных и симисторных регуляторов мощности. Эти аппараты изменяют не максимальное значение полуволны синусоиды, в сетях 220 В составляющей 311 В, а действующее значение выходного напряжения.

Эта регулировка осуществляется за счёт открывания тиристора не в начале синусоиды, а с запозданием. Возможен так же вариант с его преждевременным закрытием.

Такие регуляторы используются практически во всех аппаратах, в которых необходимо плавно изменять величину напряжения, подающегося на исполнительный механизм:

Большинство видов ручного электроинструмента. Некоторые приборы кроме платы регулировки напряжения и числа оборотов имеют дополнительный механизм плавного пуска, при котором напряжение на двигателе и скорость вращения возрастают постепенно, в течение нескольких секунд.
В регуляторах яркости свечения ламп (диммерах). Данные приборы могут подключаться только к лампам накаливания или специальным (диммируемым) энергосберегающим или светодиодным светильникам.
В кухонной технике с регулировкой скорости вращения. Это миксеры и кухонные комбайны.
В стиральных и посудомоечных машинах. В этих аппаратах число оборотов меняется автоматически.
В нагревателях и электроплитах с плавной регулировкой мощности нагрева. Это дорогие и достаточно редко встречающиеся приборы.

Типы УЗО по роду тока утечки

В связи с возможностью появления тока утечки разных видов для защиты от поражения электричеством используются аппараты дифзащиты различной конструкции. Различия между ними указаны в ГОСТе Р 60755 п.п.5.2.9.1-5.2.9.3:

Тип АС . Самые простые и дешёвые устройства, срабатывают только в случае наличия переменного тока утечки. Датчиком утечки служит трансформатор тока с двумя первичными (в трёхфазных сетях с четырьмя) и одной вторичной обмотками.
УЗО тип A . Более совершенный вид дифреле, отключает питание не только при переменном токе утечки, но и при постоянном пульсирующем. Конструкция аппарата похожа на дифреле предыдущего типа, но к обычным вторичным обмоткам добавлена ещё одна высокочастотная, к которой подключён встроенный усилитель.
Тип В . Самый надёжный и многофункциональный аппарат, реагирует на утечку в любых сетях, в том числе на сглаженный постоянный ток. Отличается от УЗО тип А конструкцией электронной платы и более высокой ценой.

Информация! Тип УЗО указан на передней панели аппарата в виде буквенного и(или) графического обозначения.

Разница между УЗО типа A и AC

Разница между УЗО типа A и AC заключается в виде тока утечки, при котором происходит срабатывание защиты.

Производители дифзащиты АС гарантируют срабатывание аппарата только от тока синусоидальной формы . Поэтому такие приборы могут устанавливаться только в сетях, в которых отсутствуют электроприборы с электронными схемами.

Такие УЗО могут быть как электромеханическими, так и электронными, со встроенным усилителем. Аппараты второго вида дешевле, но при этом не отключают питание линии при обрыве нейтрали.

На передней панели дифреле этого типа имеются буквы "АС", а под ними находится прямоугольник с синусоидой внутри.

УЗО типа А срабатывает как на синусоидальное, так и на пульсирующее постоянное напряжение.

Они более чувствительны к току утечки и имеют более сложную конструкцию, из-за чего цена таких устройств выше, чем у аппаратов типа АС.

На передней панели таких приборов имеется буква "А", а под ней в прямоугольнике находятся значок синусоиды и условное изображение пульсирующего напряжения. Принцип действия аппарата отличается в зависимости от вида тока утечки:

Синусоидальный. В этом случае происходит нарушение равенства силы тока в первичных обмотках трансформатора тока и появление напряжения во вторичной, что приводит к срабатыванию катушки расцепителя.
Пульсирующее постоянное. Для аварийного отключения от такого тока утечки на магнитопроводе намотан дополнительный соленоид, на который подаётся переменное напряжение частотой 1000 Гц. При появлении постоянного тока утечки магнитопровод намагничивается, что понижает его индуктивное сопротивление и увеличивает силу тока в высокочастотной катушке. Сама обмотка подключена к электронной схеме, которая подаёт сигнал на расцепитель. Такой ток утечки может появиться при неисправностях в схеме электронных приборов, поэтому производители сложной бытовой техники рекомендуют устанавливать для защиты от поражения электричеством дифреле именно этого типа.

Какой тип УЗО ставить AC или A?

Большая часть бытовых приборов, согласно инструкции по подключению, поставляемой в комплекте с аппаратом заводом-изготовителем, должна присоединяться к УЗО типа А, однако на территории России и других стран СНГ это не является обязательным.

Информация! В странах Евросоюза установка УЗО типа АС запрещена, допускается монтаж УДТ только типа А.

Требования нормативных документов

Согласно ПУЭ п.7.1.78 допускается использование в жилых зданиях УЗО A или AC.

Однако там же приводятся примеры электроприборов с пульсирующим током утечки, которые желательно подключать к УЗО типа А, как обеспечивающие более надёжную защиту в сетях с выпрямителями, импульсными блоками питания и регуляторами напряжения.

Какого типа установить УЗО указано в ГОСТе Р МЭК 60755-2012 "Общие требования к защитным устройствам, управляемым дифференциальным (остаточным) током", в таблице В.1 которого показаны форма тока в обычной ситуации и тока утечки при повреждении изоляции в различных местах электросхемы.

Согласно данным этой таблицы, УЗО типа АС устанавливается для оборудования, имеющего схемы, указанные в п.п.8 и 9, а дифреле типа

А необходимо подключать для электроприборов, со схемами, изображёнными в п.п.1, 4, 5.

Аналогичные материалы предоставил шведско-швейцарский концерн АВВ, являющийся одним из крупнейших производителей защитных устройств.

Выдержки времени максимальной токовой защиты с независимой характеристикой времени срабатывания выбираются по ступенчатому принципу, который состоит в том, что каждая последующая защита в направлении от потребителей электроэнергии к источнику питания имеет выдержку времени больше предыдущей.

Рассмотрим зтот принцип более подробно на примере участка сети с односторонним питанием (рис. 7-19).

Выбор выдержек времени должен начинаться с самых удаленных от источника питания потребителей, в данном случае с электродвигателей Д₁ и Д₂. Для защиты этих электродвигателей выдержка времени принимается равной нулю, т. е.

Для того чтобы при повреждении одного из электродвигателей не отключился трансформатор Т₂, что привело бы к потере питания обеими электродвигателями, максимальная токовая защита трансформатора Т₂ должна иметь выдержку времени t₂ большую, чем t₁ на величину, называемую ступенью селективности (обозначается ), т. е.

Выдержка времени t₃ максимальной токовой защиты линии Л должна в свою очередь быть больше выдержки времени защиты трансформатора Т₂, т. е.

Величина ступени селективности должна быть такой, чтобы успели сработать защита и отключиться выключатель на поврежденном участке, прежде чем истечет выдержка времени защиты на вышестоящем неповрежденном участке. Для максимальной токовой защиты с независимой характеристикой времени срабатывания ступень селективности определяется как сумма следующих составляющих:

где t_вык — время отключения выключателя от момента подачи импульса на отключающую катушку до момента гашения дуги на его силовых контактах; это время составляет 0,08—0,1 с у воздушных выключателей и 0,08—0,25 с у масляных выключателей; — погрешность реле

времени защиты поврежденного участка, которое может подействовать на отключение с выдержкой времени больше расчетной на величину погрешности реле времени; эта погрешность зависит от шкалы реле времени и составляет: 0,06 с у реле со шкалой до 1,3 с; 0,12 с у реле до 3,5 с; 0,25 с у реле до 9 с; 0,8 с у реле до 20 с; — погрешность реле времени защиты следующего к источнику питания участка, которое может подействовать с выдержкой времени меньше расчетной на величину погрешности реле времени (величины погрешностей такие же, как ); t_зап — время запаса, учитывающее неточность регулировки реле времени, погрешность секундомера, которым производится настройка реле времени, увеличение времени отключения выключателей в зимнее время и другие факторы; время запаса принимается равным 0,1—0,15 с.

Таким образом, ступень селективности должна вычисляться с учетом типов установленных выключателей и типов реле времени и обычно составляет:

В случаях, когда из двух согласуемых защит одна не имеет реле времени (например, защита электродвигателей на рис. 7-19), то при вычислении ступени селективности по формуле (7-26) принимается равным нулю.

б) Максимальная токовая защита с зависимой характеристикой времени срабатывания

Выдержка времени максимальной токовой защиты с зависимой характеристикой времени срабатывания выбирается несколько сложнее, так как выбор должен производиться при строго определенных значениях токов к. з.

Ступень селективности для защиты с зависимой характеристикой времени срабатывания должна удовлетворять тем же условиям, что и для защиты с независимой характеристикой, и определяется как сумма составляющих:

где — погрешность токового реле с зависимой характеристикой времени срабатывания защиты поврежденного участка, которое может сработать на отключение с выдержкой времени больше расчетной на величину погрешности реле; эта погрешность для реле типов РТ-80, РТ-90 составляет 0,1 —1 с; — погрешность такого же реле защиты следующей к источнику питания, которое может сработать с выдержкой времени меньше заданной; — время инерционной ошибки, которую имеют реле индукционного типа с диском (см. гл. 3); из-за наличия механической инерции подвижная система реле после отключения поврежденного участка и прекращения прохождения тока к. з. продолжает еще некоторое время движение в сторону замыкания контактов; это время составляет примерно 0,05 с.

в) Согласование выдержек времени максимальных токовых защит с зависимой и независимой характеристиками времени срабатывания

Рассмотрим метод согласования выдержек времени максимальных токовых защит с различными характеристиками времени срабатывания на примере участка сети (рис. 7-20), где защиты 1 и 4 имеют независимые, а защиты 2 и 3 — зависимые характеристики времени срабатывания.

Токи срабатывания пусковых реле определяются по формуле (7-13), и производится графическое построение характеристик защит, как показано на рис. 7-21.

Для защиты 1 по условию селективности с плавкими предохранителями П (см. гл. 2) принимается выдержка времени и строится характеристика этой защиты от I_ср до I_K1 изображаемая прямой линией 1 на рис. 7-21.

Согласование характеристики защиты 2 с защитой 1 должно производиться в условиях, когда при к. з. на участке, защищаемом защитой 1, через защиту 2 проходит наибольший ток к. з., что имеет место при к. з. до реактора в точке K₁. Таким образом, контрольной точкой характеристики защиты 2 является при токе I_K1 .

Зная ток срабатывания и контрольную точку характеристики, по типовым характеристикам реле РТ-80 оценивают и наносят на график еще несколько точек, в том числе и точку с временем t_{2 доп.} при токе I_K2 и строят всю характеристику, которая изображается кривой 2 на рис. 7-21.

Аналогично производится согласование характеристик защит 3 и 2 в условиях, когда при к. з. на участке, защищаемом защитой 2, через защиту 3 проходит наибольший ток к. з., что имеет место при к. з. до трансформатора Т , т. е. в точке К₂. При токе I_K2 защита 2 согласно характеристике имеет выдержку времени t_2доп.. Поэтому основной контрольной точкой характеристики защиты 3 является t_осн.= при токе I_K2.

Однако при согласовании двух зависимых характеристик одной контрольной точки недостаточно, так как характеристики могут недопустимо сблизиться при другом значении тока. Поэтому необходимо рассмотреть второе условие, которое состоит в том, чтобы при к. з. за трансформатором Т, т. е. в точке К₁ когда через защиты 3 и 2 проходит ток к. з. - I_K1, ступень селективности между ними была не меньше .Таким образом, дополнительной контрольной точкой характеристики защиты 3 является при токе I_K1.

Зная ток срабатывания и две контрольные точки при токах I_K1 и I_K2 аналогично по типовым характеристикам реле РТ-80 оценивают и наносят на график еще несколько точек, в том числе точку с временем t_3доп. при токе I_C.34 и строят всю характеристику, которая изображается кривой 3 на рис. 7-21.

Определяется выдержка времени защиты 4 генератора Г по условию селективности с защитой 3. Согласование производится при токе, при котором защита 3 имеет наибольшую выдержку времени. Таким током является ток срабатывания защиты 4 I_C.34. Таким образом, выдержка времени защиты 4 составит:

Поскольку генератор является последним элементом в рассматриваемой сети с односторонним питанием, то в ряде случаев для улучшения отстройки и тем самым повышения надежности при определении выдержки времени максимальной токовой защиты генераторов принимается двойная ступень селективности

8 Июнь, 2009 36310 ]]> Печать ]]>

Согласующий трансформатор

Задача нагрузки обычно состоит в том, чтобы сделать что-то продуктивное с рассеиваемой мощностью. В случае с резистивным нагревательным элементом практическая цель рассеиваемой мощности состоит в том, чтобы нагреть что-либо. Все нагрузки рассчитываются на безопасное рассеивание определенного максимального количества энергии, но, две нагрузки с одинаковой номинальной мощностью не обязательно должны быть идентичными. Давайте рассмотрим два резистивных нагревательных элемента мощностью 1000 Вт каждый:

Оба нагревателя рассеивают по 1000 ватт мощности, но делают это при разных уровнях напряжения и тока (250 вольт 4 ампера, и 125 вольт 8 ампер). Применив закон Ома (R = U / I) для определения необходимого сопротивления этих нагревательных элементов, мы получим 62,5 Ом и 15,625 Ом соответственно. Поскольку обе нагрузки находятся в цепях переменного тока, мы можем говорить не о простом их сопротивлении току, а об импедансе (хотя в нашем случае простое сопротивление - это всё, из чего они состоят, и у них нет реактивного сопротивления). Нагреватель на 250 вольт считается нагрузкой с более высоким импедансом, чем нагреватель на 125 вольт.

Если мы возьмем нагревательный элемент рассчитанный на 250 В (из первой схемы), и подключим его к схеме с источником питания на 125 В (ко второй схеме), то нас ждет большое разочарование. При импедансе (сопротивлении) 62,5 Ом ток в схеме будет составлять всего 2 А (I = U / R; 125 / 62,5), а мощность, рассеиваемая на нагревательном элементе, будет составлять всего 250 Вт (P = IU; 125 x 2) или четвертую часть от его номинальной мощности. Сопротивление нагревательного элемента и напряжение источника в этом случае будут несогласованными, и мы не получим полного рассеивания мощности от нагревателя.

Однако, не все так плохо. У нас получится использовать нагревательный элемент на 250 вольт в схеме с питанием 125 вольт, если мы воспользуемся повышающим трансформатором:

Правильное соотношение обмоток трансформатора обеспечивает повышение напряжения и понижение тока до таких значений, которые необходимы для нормальной работы нагрузки, не соответствующей данному источнику питания. Давайте внимательно посмотрим на параметры первичной цепи этой схемы: напряжение в ней составляет 125 вольт, а ток - 8 ампер. При таких значениях напряжения и тока источник питания "знает", что он питает нагрузку с импедансом 15,625 Ом (R = E / I). Однако, во вторичной цепи прекрасно себя "чувствует" нагрузка с импедансом 62,5 Ом. Отсюда можно сделать вывод, что наш повышающий трансформатор преобразовал не только напряжение и ток, но и импеданс.

Коэффициенты преобразования напряжения, тока и импеданса можно рассчитать по следующим формулам:

Все это согласуется с рассмотренным ранее примером повышающего трансформатора 2:1 и коэффициентом преобразования импеданса от 62,5 Ом до 15,625 Ом (коэффициент 4:1 - это 2:1 в квадрате). Преобразование импеданса - это очень полезная особенность трансформаторов, позволяющая нагрузке рассеивать свою полную номинальную мощность даже в том случае, если система питания не обдадает необходимым напряжением, чтобы сделать это напрямую.

При внутреннем импедансе 500 Ом усилитель сможет отдать полную мощность только на нагрузку (динамик), также имеющую импеданс 500 Ом. Такая нагрузка будет понижать более высокое напряжение и потреблять меньше тока, чем потреблял бы динамик с импедансом 8 Ом, рассеивая при этом такое же количество энергии. Если динамик на 8 Ом подключить непосредственно к усилителю с импедансом 500 Ом, как показано на рисунке, то несоответствие импедансов приведет к значительному ухудшению характеристик (понижению пиковой мощности). Кроме того, пытаясь управлять динамиком с низким импедансом, усилитель значительное количество энергии будет рассеивать в виде тепла.

Чтобы наша система работала лучше, можно использовать трансформатор, который будет согласовывать разные импедансы. Поскольку мы переходим от источника питания с высоким импедансом (высокое напряжение, низкий ток) к нагрузке с низким импедансом (низкое напряжение, большой ток), нам необходимо использовать понижающий трансформатор:

Согласующий трансформатор согласовывает импеданс усилителя (500 Ом) с импедансом динамика (8 Ом) с целью достижения максимальной эффективности.

Чтобы получить коэффициент преобразования импеданса 500 : 8, нам понадобится соотношение витков первичной и вторичной обмоток равное квадратному корню из 500 : 8 (или квадратному корню из 62,5 : 1 или 7,906 : 1). При наличии такого трансформатора динамик будет нагружать усилитель до необходимого предела, потребляя при этом мощность на нужных уровнях напряжения и тока (чтобы соблюсти Теорему о максимуме передаваемой мощности и обеспечить наиболее эффективную подачу мощности в нагрузку). Трансформатор в данном случае будет называться согласующим.

Согласующие трансформаторы п о конструкции или внешнему виду принципиально не отличаются от трансформаторов любого другого типа. На следующей фотографии вы можете увидеть небольшой согласующий трансформатор (шириной около двух сантиметров), использующийся в аудиоусилителях:

Теорема о максимуме отдаваемой мощности гласит: чтобы передать максимальную величину мощности от источника в нагрузку, импеданс нагрузки должен быть согласован с импедансом источника. В общем случае в схеме может быть источник как постоянного, так и переменного тока, а его внутреннее сопротивление R_i или выходной импеданс генератора Z_g управляет сопротивлением нагрузки R_L или импедансом Z_L (см. рис. 1):

Рис. 1. Максимум мощности отдается от источника в нагрузку, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника

График зависимости мощности в нагрузке от сопротивления нагрузки показывает, что при согласовании импедансов нагрузки и источника достигается максимум мощности (см. рис. 2). Ключевым следствием данной теоремы является то, что когда нагрузка согласована с источником, величина мощности, передаваемой в нагрузку, равна мощности, рассеиваемой в источнике. Поэтому при отдаче максимальной мощности достигается эффективность всего 50%.

Источник должен быть способен рассеивать эту мощность. Чтобы отдавать максимальную мощность в нагрузку, генератор должен быть спроектирован так, чтобы его мощность в два раза превосходила требуемую выходную мощность.

Рис. 3. Согласованные импедансы обеспечивают передачу максимальной звуковой мощности от усилителя в динамик

Рис. 4. При согласовании импедансов в радиочастотных схемах следует учитывать индуктивную и емкостную составляющие полного сопротивления

Другим примером может служить передача мощности из одного каскада передатчика в другой (см. рис. 4). Комплексное входное сопротивление (R ± jX) усилителя B должно быть согласовано с комплексным выходным сопротивлением усилителя A. Важно, чтобы реактивные компоненты были взаимно скомпенсированы. Еще одним примером является передача максимальной мощности в антенну (см. рис. 5). В данном случае импеданс антенны согласован с выходным импедансом передатчика.

Рис. 5. Чтобы получить максимальную мощность, необходимо, чтобы импеданс антенны был равен выходному импедансу передатчика

Последний пример позволяет сосредоточить внимание на еще одной причине, по которой необходимо согласовывать импеданс. Выход передатчика обычно подключается к антенне через линию передачи, которая обычно представляет собой коаксиальный кабель. В других приложениях линией передачи может быть витая пара или какая-либо другая среда.
Кабель становится линий передачи, когда его длина превышает λ/8 на рабочей частоте, где λ = 300/f_МГц. Например, длина волны на частоте 433 МГц будет равна: λ = 300/f_МГц = 300/433 = 0,7 м.
Соединительный кабель является линией передачи, если его длина превышает 0,7/8 = 0,0875 м. Все линии передачи имеют характеристическое сопротивление Z_O, которое представляет собой функцию индуктивности и емкости линии:

Чтобы достичь максимальной передаваемой по линии передачи мощности, импеданс линии должен быть согласован с импедансом источника и нагрузки (см. рис. 6). Без согласования импедансов нельзя передать максимальную мощность. Кроме того, вдоль линии будут распространяться стоячие волны. Это означает, что нагрузка не поглотит всю мощность, переданную по линии. Вследствие этого некоторая часть мощности отражается обратно и эффективность снижается. Отраженная мощность может даже вывести из строя источник. Стоячие волны представляют собой распределенный вдоль линии профиль напряжений и токов. Напряжение и ток постоянны в согласованной линии, но могут в значительной степени меняться, если импедансы не согласованы.

Рис. 6. Линия передачи имеет характеристическое сопротивление Z_O, которое должно быть согласовано с нагрузкой, чтобы обеспечить максимальную мощность передачи и преодолеть потери из-за стоячих волн

Величина потерь мощности из-за отражений зависит от коэффициента отражения Γ и коэффициента стоячей волны SWR. Они определяются степенью рассогласования между импедансом источника и нагрузки.
SWR представляет собой функцию импеданса нагрузки Z_L и линии Z_O:

При идеальном согласовании SWR = 1. Предположим, что Z_L = 75 Ом, а Z_O = 50 Ом, тогда:

Коэффициент отражения Γ является еще одним показателем идеального согласования:

Γ = (Z_L – Z_O)/(Z_L + Z_O).
При идеальном согласовании Γ будет равен 0. Можно рассчитать коэффициент отражения Γ и по величине SWR:
Γ = (SWR – 1)/(SWR + 1).

Для примера, описанного выше, расчет дает:

Γ = (SWR – 1)/(SWR + 1) = (1,5 – 1)/(1,5 + 1) = 0,5/2,5 = 0,2.

Рассмотрев величину отраженной мощности для данного значения SWR (см. рис. 7), можно заметить, что коэффициент стоячей волны SWR, равный 2 и менее, отвечает требованиям многих приложений. SWR, равный 2, означает, что отраженная мощность составляет 10%. Поэтому 90% мощности достигнет нагрузки.

Не следует забывать, что все линии передачи, подобные коаксиальному кабелю, вносят потери порядка нескольких дБ на метр длины. Эти потери должны быть учтены в любом расчете мощности, которая достигает нагрузки. В документации на коаксиальный кабель представлены эти значения для различных частот.
Еще одним фактором, который нужно принимать во внимание, является то, что если импедансы линии и нагрузки согласованы, то длина линии не имеет значения. Однако когда импедансы линии и нагрузки не согласованы, генератор увидит комплексное значение импеданса, которое является функцией длины линии.
Отраженная мощность обычно выражается через обратные потери R_L. Они рассчитываются из выражения:

где P_IN представляет собой входную мощность линии, а P_REF – отраженную мощность. Чем больше значение в дБ, тем меньше отраженная мощность и больше величина мощности, переданная в нагрузку.
Согласование импедансов
Общую проблему рассогласования импеданса нагрузки и источника можно скорректировать путем подключения устройства согласования импеданса между источником и нагрузкой (см. рис. 8). Устройством согласования может быть компонент, схема или часть оборудования. При таком способе возможен широкий спектр решений. Два простейших способа предполагают применение трансформатора и согласующей λ/4- (или четвертьволновой) секции.

Трансформатор обеспечивает согласование импедансов с помощью коэффициента трансформации N = N_S/N_P, где N_S – число витков вторичной обмотки трансформатора, а N_P – число витков первичной обмотки трансформатора (см. рис. 9).

Соотношение между импедансами рассчитывается следующим образом:

Z_P представляет собой импеданс первичной цепи, который является выходным импедансом управляющего источника Z_g. Z_S – импеданс вторичной цепи или нагрузки Z_L. Например, выходной импеданс источника, равный 300 Ом, преобразуется в 75 Ом посредством трансформатора для согласования 75-Ом нагрузки с помощью коэффициента трансформации, равного 2:1:

Высокоэффективный трансформатор обеспечивает широкую полосу пропускания. Современные трансформаторы с ферритовым сердечником имеют полосу пропускания до нескольких сот МГц.
Автотрансформатор с одной обмоткой и выводами также может с успехом использоваться для согласования импедансов. В зависимости от подключения импедансы могут быть либо увеличены (см. рис. 10а), либо уменьшены (см. рис. 10б). Для расчета используется та же формула, что и в случае обычных трансформаторов. Обмотка трансформатора находится в катушке и может даже быть частью резонансной цепи с конденсатором.

Рис. 10. Однообмоточный автотрансформатор с выводами может либо понижать (а), либо повышать (б) импедансы как обычный двухобмоточный трансформатор

Рис. 11. С помощью четвертьволновой Q-секции линии передачи можно согласовать нагрузку и генератор на одной частоте

Решение для согласования импедансов на основе линии передачи использует λ/4- (четвертьволновую) секцию линии передачи определенного импеданса (которая называется Q-секцией) для согласования нагрузки и источника (см. рис. 11):

где Z_Q — характеристическое сопротивление Q-секции; Z_O — характеристическое сопротивление входной от управляющего источника линии передачи, а Z_L — импеданс нагрузки.
На рисунке 11 показана схема, в которой 36-Ом импеданс четвертьволновой вертикальной антенны с горизонтальными отражающими элементами согласован с 75-Ом выходным сопротивлением передатчика с помощью 52-Ом коаксиального кабеля. Сопротивление коаксиального кабеля рассчитывается следующим образом:

При рабочей частоте 50 МГц длина волны будет равна:

λ = 300/f_МГц = 300/50 = 6 м,
λ/4 = 20/4 = 1,5 м.

При использовании, например, 52-Ом коаксиальной линии передачи типа RG-8/U с коэффициентом замедления 0,66:

λ/4 = 1,5 м (0,66) = 1 м.

Следует отметить, что существует несколько важных ограничений при использовании данного метода. Во-первых, нужно использовать кабель с требуемым характеристическим сопротивлением. Такой кабель не всегда доступен, поскольку большинство кабелей поставляются всего с несколькими базовыми сопротивлениями (50, 75, 93,125 Ом). Во-вторых, необходимо учитывать, что длина кабеля влияет на рабочую частоту, которая принимает участие в расчете длины волны и коэффициента замедления линии передачи.
Эти ограничения следует особенно принимать во внимание при работе на низкой частоте. Поэтому этот метод более просто реализовать в приложениях, работающих в УВЧ- и СВЧ-диапазонах при использовании микрополосковых линий передачи на печатной плате. В этом случае можно применять любую нужную величину характеристического сопротивления линии передачи.

Читайте также: