background image

 

- 17 - 

6.3.3. KLASYFIKACJA CZWÓRNIKÓW 

 

Czwórnik pasywny i aktywny 

Czwórnik  nazywamy  pasywnym,  jeżeli  przy  początkowej  energii 

zgromadzonej  w  układzie  równej  zeru,  całkowita  energia  dostarczona  do 
niego jest nieujemna: 

 

+

t

d

i

u

i

u

0

2

2

1

1

0

)]

(

)

(

)

(

)

(

[

τ

τ

τ

τ

τ

 

(6.30) 

Niespełnienie tego warunku oznacza aktywność czwórnika. 

W stanie ustalonym przy wymuszeniach harmonicznych: 

 

czwórnik jest PASYWNY jeśli moc czynna pobierana przez wrota 
czwórnika  jest  nieujemna

 

dla  każdej  pary  napięć  i  prądów  zaci-

skowych 

 

( ) (

)

0

Re

Re

*

2

2

*

1

1

+

I

U

I

U

 

(6.31) 

 

czwórnik  jest  AKTYWNY,  jeśli  istnieją  takie  wartości  napięć  i 
prądów  zaciskowych,  dla  których  pobierana  przez  wrota  moc 
czynna jest ujemna 

 

( ) (

)

0

Re

Re

*

2

2

*

1

1

<

+

I

U

I

U

 

(6.32) 

 

Czwórnik prawidłowy i nieprawidłowy 

Czwórnik klasy SLS nazywamy czwórnikiem prawidłowym, jeśli po-

siada wszystkie macierze charakterystyczne. 

Warunkiem  koniecznym  i  wystarczającym  prawidłowości  czwórnika 

jest aby dowolna z jego macierzy charakterystycznych była nieosobliwa, a 
wszystkie jej elementy były różne od zera. Macierze charakterystyczne Y , 
Z oraz H , G są parami macierzami odwrotnymi: 

 

Z·= Y

-1

 ;   G = H

-1

 

(6.33) 

Czwórnik  nazywamy  zdegenerowanym  (nieprawidłowym),  jeśli  po-

siada nie więcej niż pięć i nie mniej niż dwie macierze charakterystyczne. 

Czwórnik,  który  posiada  wyłącznie  jedną  macierz  charakterystyczną 

nazywamy zerowym

background image

 

- 18 - 

Czwórnik bilateralny, unilateralny i nielateralny 

Ze  względu  na  zdolność  do  przesyłania  sygnałów  w  obu  lub  jednym 

kierunku, czwórnik nazywamy: 
 



 

BILATERALNYM 

–  jeśli  posiada  obydwie  macierze  łańcucho-
we ( A i ) - co oznacza możliwość przesy-
łania sygnałów w obie strony. 



 

UNILATERALNYM  –  jeśli  posiada  tylko  jedną  macierz  łańcu-

chową ( A lub )

 

gdy  istnieje  tylko  macierz  A  –  to 
czwórnik  ma  zdolność  przesyłania  sy-
gnałów  od  zacisków  pierwotnych  do 
wtórnych; 

 

gdy  istnieje  tylko  macierz  B  –  to 
czwórnik  ma  zdolność  przesyłania  sy-
gnałów od zacisków wtórnych do pier-
wotnych. 



 

NIELATERALNYM  –  jeśli  nie  posiada  żadnej  macierze  łańcu-

chowe co oznacza niezdolność do przesyła-
nia sygnałów. 

 

Czwórnik odwracalny i nieodwracalny 

Czwórnik, który spełnia zasadę wzajemności nazywamy czwórnikiem 

ODWRACALNYM lub inaczej ENERGETYCZNIE SYMETRYCZNYM.

 

Zgodnie  z  zasadą  wzajemności  warunki  odwracalności  czwórnika  można 
wyrazić za pomocą elementów macierzy charakterystycznych: 

Macierz 

Y 

Z 

A 

B 

H 

G 

Czwórnik 

odwracalny 

y

12

= y

21

  z

12

= z

21

 

det

 

A=1  det

 

B=1  h

12

= - h

21

  g

12

= - g

21

 

Czwórnik,  który  nie  spełnia  zasady  wzajemności  jest  czwórnikiem 

nieodwracalnym. 

background image

 

- 19 - 

Czwórnik symetryczny i niesymetryczny 

Czwórnik,  który  spełnia  zasadę  wzajemności,  a  ponadto  zamiana 

miejscami wrót wejściowych z wyjściowymi tego czwórnika nie powoduje 
ż

adnych  zmian  wielkości  elektrycznych  zaciskowych,  nazywamy 

CZWÓRNIKIEM  SYMETRYCZNYM  lub  inaczej  IMPEDANCYJNIE 
SYMETRYCZNYM. 

Konsekwencją symetryczności czwórnika są szczególne własności je-

go

 

macierzy charakterystycznych: 

Macierz 

Y 

Z 

A 

B 

H 

G 

 

 

 

 

 

 

y

12

= y

21

  z

12

= z

21

  det

 

A=1  det

 

B=1  h

12

= - h

21

  g

12

= - g

21

 

Czwórnik 

symetryczny 

y

11

= y

22

  z

11

= z

22

 

a

11

= a

22

  b

11

= b

22

  det

 

H=1  det

 

G=1 

 
UWAGA: nie  każdy  czwórnik  odwracalny  jest  symetryczny  -  warunkiem 

koniecznym symetryczności czwórnika jest jego odwracalność

 
 

6.3.4. PARAMETRY ROBOCZE CZWÓRNIKA 

 

Jeżeli do jednych wrót czwórnika dołączono źródło wymuszeń, nato-

miast drugie wrota obciążono dwójnikiem bezźródłowym, to czwórnik taki 
pracuje w układzie przesyłowym i charakteryzują go 

parametry robocze

Przyjmujemy  założenie,  że  źródło  wymuszeń  o  napięciu  źródłowym 

E

g

  i  impedancji  wewnętrznej  Z

g

  dołączono  do  wrót  pierwotnych,  a  wrota 

wtórne czwórnika obciążono dwójnikiem o impedancji Z

obc

 (rys.6.11) 

 

I

 1

U

 1

I

 2

CZWÓRNIK

U

 2

1

Z

 g

E

 g

Z

 obc

1

2

2

 

Rys.6.11.

 

Do parametrów roboczych czwórnika klasy SLS – nale

ży:

 

background image

 

- 20 - 

1.  IMPEDANCYJA WEJ

ŚCIOWA PIERWOTNA 

określana  jest  na  zaciskach  pierwotnych  jako  stosunek  napięcia  do 
prądu  pierwotnego  przy  obciążeniu  czwórnika  po  stronie  wtórnej 
dwójnikiem o impedancji Z

obc

 (

rys.6.12

 

I

 1

U

 1

I

 2

CZWÓRNIK

U

 2

1

Z

 g

E

 g

Z

 obc

1

2

2

Z

 we1 

=

U

 1

I

 1

Rys.6.12.

 

Jeśli czwórnik opisuje się równaniami impedancyjnymi to z pierwsze-

go równania (6.20):

 

 

(

)

2

12

2

11

1

I

a

U

a

U

+

=

 

 

1

2

12

11

1

1

1

I

I

z

z

I

U

Z

we

+

=

=

 

Natomiast z drugiego równania po uwzględnieniu, że 

2

2

I

Z

U

obc

=

 

(

)

2

22

2

21

1

I

a

U

a

I

+

=

 

 

22

21

1

2

z

Z

z

I

I

obc

+

=

 

Stąd: 

22

21

12

11

1

1

1

z

Z

z

z

z

I

U

Z

obc

we

+

=

=

 

(6.34) 

W granicznym przypadku gdy strona wtórna jest: 

 

rozwarta (Z

obc

 = 

 ), impedancja ta staje się 

impedancj

ą

 wej

ś

ciow

ą

 pierwotn

ą

 rozwarciow

ą Z

1o

 i wynosi 

 

11

1

1

z

Z

Z

o

we

=

=

 

(6.35) 

 

zwarta (Z

obc

 = 0 ), impedancja ta staje się 

impedancj

ą

 wej

ś

ciow

ą

 pierwotn

ą

 zwarciow

ą Z

1z

 i wynosi 

 

22

1

1

det

z

Z

Z

z

we

Z

=

=

 

(6.36) 

background image

 

- 21 - 

2.  IMPEDANCYJA WEJ

ŚCIOWA WTÓRNA 

jest impedancją widzianą z zacisków wtórnych czwórnika przy zwar-
tym źródle E

g

 po stronie pierwotnej (tzn. E

g

 = 0) i wyraża się stosun-

kiem napięcia do prądu wtórnego (

rys.6.13

 

I

 1

U

 1

I

 2

CZWÓRNIK

U

 2

1

Z

 g

Z

 obc

1

2

2

Z

 we2 

=

U

 2

I

 2

Rys.6.13.

 

Postępując  analogicznie  jak  dla  impedancji  wejściowej  pierwotnej  i 

pamiętając, że  

1

1

I

Z

U

g

=

  otrzymuje się: 

 

11

21

12

22

2

2

2

z

Z

z

z

z

I

U

Z

g

we

+

=

=

 

(6.37) 

W granicznym przypadku gdy strona pierwotna jest: 

 

rozwarta (Z

g

 = 

 ), impedancja ta staje się 

impedancj

ą

 wej

ś

ciow

ą

 wtórn

ą

 rozwarciow

ą Z

2o

 i wynosi 

 

22

2

2

z

Z

Z

o

we

=

=

 

(6.38) 

 

zwarta (Z

g

 = 0 ), impedancja ta staje się 

impedancj

ą

 wej

ś

ciow

ą

 wtórn

ą

 zwarciow

ą Z

2z

 i wynosi 

 

11

2

2

det

z

Z

Z

z

we

Z

=

=

 

(6.39) 

UWAGA: 
Tak  okre
ślone  impedancje  zwarciowe  i  rozwarciowe,  pierwotne  i  wtórne 
zwi
ązane są zależnością:  

 

Z

det

1

2

2

1

=

=

z

o

z

o

Z

Z

Z

Z

 

 

background image

 

- 22 - 

3.  WZMOCNIENIE NAPI

ĘCIOWE 

(TRANSMITANCJA NAPIĘCIOWA)

 

 

obc

obc

u

Z

z

Z

z

U

U

K

11

21

1

2

det

+

=

=

Z

 

(6.40) 

Gdy uwzględni się fakt zasilania z rzeczywistego źródła energii, mówimy 

skutecznym wzmocnieniu napi

ę

ciowym:

 

 

1

1

1

1

2

1

1

2

2

1

we

g

u

we

g

g

g

sk

u

Z

Z

K

Z

U

Z

U

U

I

Z

U

U

E

U

K

+

=

+

=

+

=

=

 

(6.41) 

 

4.  WZMOCNIENIE PR

ĄDOWE 

(TRANSMITANCJA PRĄDOWA)

 

 

obc

i

Z

z

z

I

I

K

+

=

=

22

21

1

2

 

(6.42) 

Gdy uwzględni się fakt zasilania z rzeczywistego źródła energii, mówimy 

skutecznym wzmocnieniu pr

ą

dowym:

 

 

g

we

i

sk

i

Z

Z

K

K

1

1

+

=

 

(6.43) 

 
UWAGA: 

Wszystkie określone powyżej transmitancje (wzmocnienia) mogą 
by
ć również wyrażone w mierze logarytmicznej, t.j. w neperach 
lub decybelach: 

[ ]

[ ]

 

 

dB

K

K

N

K

K

dB

N

lg

20

ln

=

=

 

 
 

background image

 

- 23 - 

6.3.5. PARAMETRY FALOWE CZWÓRNIKA 

Parametry falowe czwórnika określane są dla szczególnych warunków 

pracy czwórnika a mianowicie przy tzw. dopasowaniu falowym
 

 

IMPEDANCJA FALOWA 

Rozważmy  czwórnik  pracujący  w  układzie  przesyłowym  -  źródło 

wymuszeń  o  napięciu  źródłowym  E

g

  i  impedancji  wewnętrznej  Z

g

  dołą-

czono do wrót pierwotnych, a wrota wtórne czwórnika obciążono dwójni-
kiem o impedancji Z

obc

 (rys.6.14) 

 

I

 1

U

 1

I

 2

CZWÓRNIK

U

 2

1

Z

 obc

1

2

2

Z

 we2 

=

U

 2

I

 2

Rys.6.14.

Z

 we1 

=

U

 1

I

 1

Z

 g

E

 g

E

 g

=0

 

 

W oparciu o równania łańcuchowe oraz uwzględniając, że 

2

2

I

Z

U

obc

=

    i    

1

1

I

Z

U

g

=

 

można impedancje wejściowe określić związkami: 

impedancja wejściowa pierwotna 

22

21

12

11

1

1

1

a

a

Z

a

a

Z

I

U

Z

obc

obc

we

+

+

=

=

  (6.44) 

impedancja wejściowa wtórna 

11

21

12

22

2

2

2

a

a

Z

a

a

Z

I

U

Z

g

g

we

+

+

=

=

  (6.45) 

Dopasowaniem falowym nazywamy tak dobrane impedancje Z

g

 i Z

obc

że zachodzi: 

 

2

1

we

obc

we

g

Z

Z

oraz

Z

Z

=

=

 

(6.46) 

background image

 

- 24 - 

Oznacza to, że przyjmujemy istnienie takich dwóch impedancji 

 

2

1

1

2

we

we

f

Z

Z

oraz

Z

Z

f

=

=

 

(6.47) 

nazywanych 

falowymi  (charakterystycznymi)

  odpowiednio  strony  pier-

wotnej i strony wtórnej. 
 
Mówimy wówczas o dopasowaniu czwórnika do źródła lub do obciążenia. 
 

 

Jeśli  impedancja  wewnętrzna  generatora  zasilającego  czwórnik  od 

strony  wrót  wejściowych  jest  równa  jego  impedancji  falowej  pier-
wotnej  (Z

g

=Z

f1

),  to  mówimy  że  czwórnik  jest  dopasowany  falowo 

na wej

ściu (wówczas impedancja wejściowa wtórna jest równa jego 

impedancji falowej wtórnej). 

CZWÓRNIK

1

1

2

2

Z

 we2 

=

Z

 g

= Z

 f1

Z

 f2

 

 

 

Jeżeli  natomiast  impedancja  obciążenia  dołączona  do  wrót  wyjścio-
wych  czwórnika  jest  równa  jego  impedancji  falowej  wtórnej 
(Z

obc

=Z

f2

),  to  mówimy,  że  czwórnik  jest  dopasowany  falowo  na 

wyj

ściu ( wówczas impedancja wejściowa pierwotna jest równa jego 

impedancji falowej pierwotnej). 

CZWÓRNIK

1

1

2

2

Z

 we1 

=

Z

 obc

= Z

 f2

Z

 f1

 

 

Czwórnik  jest  w  stanie  dopasowania  falowego,  jeśli  jest  dopaso-
wany na wejściu i na wyjściu. 

 

background image

 

- 25 - 

 
Przyjmując zależności 6.47 i 6.46 oraz biorąc pod uwagę wzory 6.44 oraz 
6.45, otrzymamy: 

 

22

21

2

12

11

2

1

a

a

Z

a

a

Z

Z

f

f

f

+

+

=

 

 

 

11

21

1

12

22

1

2

a

a

Z

a

a

Z

Z

f

f

f

+

+

=

 

 

 
Rozwiązując otrzymany układ równań ze względu na Z

f1

 i Z

f2

, dostaniemy: 

impedancja falowa pierwotna

 

22

21

12

11

1

a

a

a

a

Z

f

=

 

(6.48) 

impedancja falowa wtórna

 

11

21

12

22

2

a

a

a

a

Z

f

=

 

(6.49) 

 

Impedancje falowe można uzależnić od impedancji wejściowych stanu 

jałowego i stanu zwarcia. 

Ponieważ impedancja wej

ściowa pierwotna: 

 

rozwarciowa  

21

11

1

a

a

Z

o

=

 

(6.50) 

 

zwarciowa  

22

12

1

a

a

Z

z

=

 

(6.51) 

natomiast impedancja wej

ściowa wtórna: 

 

rozwarciowa  

21

22

2

a

a

Z

o

=

 

(6.52) 

 

zwarciowa  

11

12

2

a

a

Z

z

=

 

(6.53) 

zatem 

background image

 

- 26 - 

 

impedancja falowa pierwotna

 

z

o

f

Z

Z

Z

1

1

1

=

 

(6.54) 

impedancja falowa wtórna

 

z

o

f

Z

Z

Z

2

2

2

=

 

(6.55) 

 

IMPEDANCJ

Ę  FALOWĄ  CZWÓRNIKA

  określamy  jako  średnią 

geometryczną impedancji falowej pierwotnej i wtórnej 

 

2

1

f

f

f

Z

Z

Z

=

 

(6.56) 

 

Jeśli czwórnik jest symetryczny (a

11

=a

22

) to posiada tylko jedną impe-

dancję falową 

 

z

o

f

f

f

Z

Z

a

a

Z

Z

Z

=

=

=

=

21

12

2

1

 

(6.57) 

Dla czwórnika niesymetrycznego możemy również posługiwać się po-

jęciem 

przekładni impedancyjnej

 czwórnika określonej następująco: 

 

1

2

f

f

Z

Z

p

=

 

(6.58) 

Łatwo wówczas wykazać, że 

 

f

f

f

f

Z

p

Z

p

Z

Z

=

=

2

1

,

 

(6.59) 

i co jest oczywiste  p = 1  dla czwórnika symetrycznego. 
 

background image

 

- 27 - 

 

 

TAMOWNO

ŚĆ FALOWA (

współczynnik przenoszenia falowego

Drugim istotnym parametrem falowym czwórnika jest tamowność fa-

lowa „g”. Określa się ją dla czwórnika dopasowanego falowo na  

 

wyj

ściu jak tamowność falową pierwotną 

(

)

2

2

1

1

1

ln

2

1

I

U

I

U

g

=

 

(6.60) 

 

wej

ściu jak tamowność falową wtórną  

(

)

1

1

2

2

2

ln

2

1

I

U

I

U

g

=

 

(6.61) 

 

Dla  czwórnika  odwracalnego  oba  współczynniki  przenoszenia  są  so-

bie  równe  i  wyraża  się  je  za  pomocą  parametrów  macierzy  łańcuchowej 
jako: 

 

(

)

21

12

22

11

2

1

ln

a

a

a

a

g

g

g

+

=

=

=

 

(6.62) 

 

oraz w postaci hiperbolicznej 

 

21

12

22

11

a

a

g

a

a

g

=

=

sh

ch

 

(6.63) 

 

W przypadku czwórnika symetrycznego - pamiętając, że 

 

2

2

1

1

I

U

I

U

Z

f

=

=

 

(6.64) 

 

(

)

2

1

2

1

ln

ln

I

I

U

U

g

=

=

 

(6.65) 

 

(

)

=

+

=

+

=

1

ln

ln

2

11

11

21

12

11

a

a

a

a

a

g

 

(6.66) 

oraz w postaci hiperbolicznej 

 

11

a

g

=

ch

 

(6.67) 

background image

 

- 28 - 

 

Istnieje  również  możliwość  wyznaczenia  tamowności  falowej  czwórnika 
symetrycznego w oparciu o pomiar jego impedancji w  stanie zwarcia i  w 
stanie jałowym. 

 

o

z

Z

Z

g

=

ch

 

(6.68) 

 
 

Ogólnie tamowność jest liczbą zespoloną o postaci  

jb

a

g

+

=

 

gdzie: 

a=Re(g)-współczynnik tłumienia (tłumienność), 
b=Im(g)-współczynnik przesunięcia fazowego (przesuwność). 

 
 

Zależność (6.65) przedstawia liczbę zespoloną: 

 

(

)

(

)

jb

a

jb

a

g

j

j

j

e

e

e

e

e

U

U

e

U

e

U

U

U

=

=

=

=

=

+

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

 

(6.69) 

której 

moduł informuje nas o tym: ile razy sygnał wejściowy przewyższa 
sygnał wyjściowy - jest zatem miarą tłumienia sygnału przy przej-
ś

ciu przez czwórnik; 

 
argument podaje wartość kąta zawartego pomiędzy sygnałem wej-
ś

ciowym  i  wyjściowym  -  jest  zatem  miarą  zmiany  fazy  sygnału 

przy przejściu przez czwórnik.