|
Wydział Elektroniki Politechniki Wrocławskiej
|
INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI I AKUSTYKI Laboratorium Teorii Obwodów |
||
Wykonali Krzysztof Krzeminski Arkadiusz Kuziak |
Grupa 9 |
Ćw. nr 3 |
Prowadzący Dr A. Jarzabek |
|
Pomiar parametrów czwórników
|
Data wykonania
|
Data oddania
|
Ocena
|
CEL ĆWICZENIA:
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie podstawowych parametrów charakteryzujących liniowy, bierny czwórnik symetryczny i niesymetryczny. W ćwiczeniu należy:
wyznaczyć elementy macierzy admitancyjnej i łańcuchowej czwórnika,
wyznaczyć parametry charakterystyczne czwórnika,
zbadać łańcuch czwórników dopasowanych falowo,
wyznaczyć parametry robocze czwórnika.
WSTĘP TEORETYCZNY :
Czwórnikiem N nazywa się dowolnie złożony, czterozaciskowy układ elektryczny współpracujący transmisyjnie z dwójnikami N1 i N2, z których jeden jest źródłem energii, a drugi odbiornikiem.
Dla czwórnika muszą być spełnione warunki regularności:
I1 = I1' , I2 = I2'.
Własności czwórnika jako układu transmisyjnego są określone zależnościami między napięciami a prądami na wejściu i wyjściu układu. Współczynniki równań opisujących czwórnik są nazywane parametrami własnymi czwórnika. Gdy czwórnik pracuje w warunkach dopasowania falowego opisują go parametry charakterystyczne.
Własności czwórnika występujące podczas współpracy ze źródłem i obciążeniem charakteryzują parametry robocze.
Czwórnik nazywamy odwracalnym, gdy jego macierz admitancyjna jest symetryczna, tzn. Y = Yt lub równoważnie y12 = y21. Dla macierzy łańcuchowej warunek odwracalności jest postaci: det A = 1. Każdy czwórnik RLCM jest odwracalny.
Czwórnik nazywamy symetrycznym, jeśli jego równania pozostają spełnione po zamianie wejścia z wyjściem. Jest on szczególnym przypadkiem czwórnika odwracalnego. Warunki symetryczności czwórnika są następujące: det A = 1 oraz a11 = a22.
WYKAZ PRZYRZĄDÓW :
generator funkcyjny G-430,
miernik fazy PM-100,
multimetr V-640,
dekada rezystancyjna DR-4b,
dekada kondensatorowa DK-50,
miernik impedancji BM-507,
zestawy laboratoryjne Z3/4, Z3/8,
komputer z oprogramowaniem do analizy danych.
SCHEMATY BADANYCH CZWÓRNIKÓW:
Rys. 1. Schemat badanego czwórnika symetrycznego.
Rys. 2. Schemat badanego czwórnika niesymetrycznego.
PRZEBIEG ĆWICZENIA :
1. Pomiar parametrów łańcuchowych czwórnika symetrycznego
Postać parametrów łańcuchowych czwórnika jest następująca:
.
Współczynniki równań łańcuchowych są określone następująco i wyznacza się je w układach:
|
|
|
|
|
|
|
|
Zgodnie z oznaczeniami na schemacie z rys. 1 element a22 macierzy A możemy wyrazić za pomocą wzorów (prąd mierzymy pośrednio):
.
Zmierzone wartości napięć przy rozwarciu na wyjściu:
f = 2[kHz], I2 = 0
U1 = 2,06 [V] arg{U1} = 0 [deg]
U1'= 1,79 [V] arg{U1'}= -13 [deg]
U2 = 0,846 [V] arg{U2} = -13 [deg]
Zmierzone wartości napięć przy zwarciu na wyjściu:
f = 2[kHz], U2 = 0
U1 = 2,05 [V] arg{U1} = 0 [deg]
U1'= 1,68 [V] arg{U1'}= -16 [deg]
U2'= 0,262 [V] arg{U2'}= 34 [deg]
Postać macierzy łańcuchowej uzyskana z obliczeń komputerowych:
Re{a11}= 2,37E+00 Im{a11}= 5,47E-01
Re{a12}= 3,30E+04 Im{a12}= -2,24E+04
Re{a21}= 5,03E-05 Im{a21}= 1,07E-04
Re{a22}= 2,36E+00 Im{a22}= 5,36E-01
Re{det(A)}= 1,26 Im{det(A)}= 0,193
|a11|= 2,43E+00 arg{a11}= 13,0 [deg]
|a12|= 3,99E+04 arg{a12}= -34,0 [deg]
|a21|= 1,18E-04 arg{a21}= 64,9 [deg]
|a22|= 2,42E+00 arg{a22}= 12,8 [deg]
det(A)= 1,26 arg{det(A)}= 6,32
Czyli ostatecznie macierz A badanego czwórnika symetrycznego ma postać:
a jej wyznacznik:
.
2. Pomiar macierzy admitancyjnej czwórnika niesymetrycznego.
Postać parametrów admitancyjnych czwórnika jest następująca:
.
Współczynniki równań admitancyjnych są określone następująco i wyznacza się je w układach:
|
|
|
|
|
|
|
|
Zgodnie z oznaczeniami na schemacie z rys. 2 element y11 macierzy Y możemy wyrazić za pomocą wzorów (prąd mierzymy pośrednio):
.
Zmierzone wartości napięć przy zwarciu na wyjściu:
f = 2[kHz], U2 = 0
U1 = 1,99 [V] arg{U1} = 0 [deg]
U1'= 1,236 [V] arg{U1'}= -31 [deg]
U2 = 0,193 [V] arg{U2} = 18 [deg]
Zmierzone wartości napięć przy zwarciu na wejściu:
f = 2[kHz], U1 = 0
U2 = 2,04 [V] arg{U2} = 0 [deg]
U2'= 1,198 [V] arg{U2'}= -16 [deg]
U1'= 0,193 [V] arg{U1'}= 18 [deg]
Postać macierzy admitancyjnej uzyskana z obliczeń komputerowych:
Re{y11}= 9,16E-05 Im{y11}= 6,27E-05
Re{y12}= -1,77E-05 Im{y12}= -5,74E-06
Re{y21}= -1,81E-05 Im{y21}= -5,88E-06
Re{y22}= 3,91E-05 Im{y22}= 4,49E-05
|y11| = 1,11E-04 arg{y11}= 34,4
|y12| = 1,85E-05 arg{y12}= -162,0
|y21| = 1,90E-05 arg{y21}= -162,0
|y22| = 5,96E-05 arg{y22}= 48,9
Czyli ostatecznie macierz Y badanego czwórnika niesymetrycznego ma postać:
[S].
Wyznacznik tej macierzy (przydatny w dalszych obliczeniach) ma wartość:
.
3. Pomiar parametrów charakterystycznych czwórnika symetrycznego
a) metoda napięć
Zmierzone wartości napięć przy zwarciu na wyjściu:
f = 1,5[kHz], U2 = 0
U1 = 2,07 [V] arg{U1} = 0 [deg]
U1'= 1,76 [V] arg{U1'}= -12 [deg]
Zmierzone wartości napięć przy rozwarciu na wejściu:
f = 1,5[kHz], I2 = 0
U1 = 2,07 [V] arg{U1} = 0 [deg]
U1'= 1,843 [V] arg{U1'}= -10 [deg]
Postać impedancji i tamowności charakterystycznej uzyskana z obliczeń komputerowych:
Re{Z1Z}= 1,44E+04 Im{Z1Z}= -1,52E+04
Re{Z10}= 1,60E+04 Im{Z10}= -2,02E+04
Re{ZC1}= 1,52E+04 Im{ZC1}= -1,76E+04
|Z1Z|= 2,08E+04 arg{Z1Z}= -46,4
|Z10|= 2,57E+04 arg{Z10}= -51,5
|ZC1|= 2,32E+04 arg{ZC1}= -48,9
Re{GC}= 1,43E+00 Im{GC}= 1,97E-01
Re{a11}= 2,16E+00 Im{a11}= 3,87E-01
Re{a12}= 3,71E+04 Im{a12}= -2,73E+04
Re{a21}= 4,06E-05 Im{a21}= 7,50E-05
Re{a22}= 2,16E+00 Im{a22}= 3,87E-01
|a11|= 2,20E+00 arg{a11}= 10,1
|a12|= 4,60E+04 arg{a12}= -36,3
|a21|= 8,53E-05 arg{a21}= 61,6
|a22|= 2,20E+00 arg{a22}= 10,1
Czyli ostatecznie:
Impedancja charakterystyczna:
Impedancja charakterystyczna wyznaczana jest przez komputer na podstawie wzoru:
lub
.
Tamowność charakterystyczna:
Tamowność charakterystyczna wyznaczana jest przez komputer na podstawie wzoru:
,
Tamowność charakterystyczną definiuje się jako:
,
gdzie A - tłumienność charakterystyczna, B - przesuwność charakterystyczna.
W naszym przypadku mamy:
A = 1,430 [ Np ]
B = 0,197 [ rad ]
Macierz łańcuchowa wyznaczona przez komputer obliczana jest na podstawie wzoru:
.
Ponieważ badany czwórnik jest symetryczny, a więc Zc1 = Zc2, macierz łańcuchowa może być obliczana ze wzoru:
.
Macierz A badanego czwórnika symetrycznego ma postać:
a jej wyznacznik (wyznaczony przy pomocy programu MathCad):
.
b) metoda impedancji
Warunki pomiaru i wartości impedancji zmierzone miernikiem impedancji:
f = 1,5[kHz]
|Z1Z|= 20000 [Ω] arg{Z1Z}= -46 [deg]
|Z10|= 24100 [Ω] arg{Z10}= -50 [deg]
Postać impedancji i tamowności charakterystycznej uzyskana z obliczeń komputerowych:
Re{ZC1}= 1,46E+04 Im{ZC1} = -1,64E+04
|ZC1| = 2,19E+04 arg{ZC1}= -48,0
Re{GC}= 1,50E+00 Im{GC}= 1,78E-01
Re{a11}= 2,31E+00 Im{a11}= 3,78E-01
Re{a12}= 3,76E+04 Im{a12}= -2,81E+04
Re{a21}= 4,97E-05 Im{a21}= 8,37E-05
Re{a22}= 2,31E+00 Im{a22}= 3,78E-01
|a11|= 2,34E+00 arg{a11}= 9,3
|a12|= 4,69E+04 arg{a12}= -36,7
|a21|= 9,93E-05 arg{a21}= 59,3
|a22|= 2,34E+00 arg{a22}= 9,3
Czyli ostatecznie:
Impedancja charakterystyczna:
Tamowność charakterystyczna:
.
Tłumienność charakterystyczna: A = 1,500 [ Np ]
Przesuwność charakterystyczna. B = 0,178 [ rad ]
Powyższe parametry wyznaczane są na podstawie wzorów jak w podpunkcie a).
Macierz A badanego czwórnika symetrycznego, obliczona na podstawie wzoru jak w podpunkcie a), ma postać:
a jej wyznacznik (wyznaczony przy pomocy programu MathCad):
.
Parametry charakterystyczne można również wyznaczyć na podstawie macierzy łańcuchowej wyznaczonej w punkcie 1 ze wzoru:
.
Podstawiając dane otrzymamy:
4. Wyznaczenie wartości elementów dwójnika RC o impedancji równej impedancji badanego czwórnika przy wybranej częstotliwości
a) na podstawie metody napięć
f = 1,5[kHz]
Re{ZC1}= 1,52E+04 ⇒ R = 15200 [Ω]
Im{ZC1}= -1,76E+04 ⇒ XC = 17600 [Ω]
;
Czyli otrzymujemy elementy:
R = 15,2 [kΩ] ; C = 6,03 [nF]
b) na podstawie pomiaru impedancji
f = 1,5[kHz]
Re{ZC1}= 1,46E+04 ⇒ R = 14600 [Ω]
Im{ZC1}= -1,64E+04 ⇒ XC = 16400 [Ω]
;
Czyli otrzymujemy elementy:
R = 14,6 [kΩ] ; C = 6,47 [nF]
5. Pomiar parametrów roboczych czwórnika niesymetrycznego
Parametry robocze czwórnika definiuje się jako:
transmitancja napięciowa:
,
transmitancja prądowa:
.
W ćwiczeniu prądy wyznacza się pośrednio ze spadków napięć na znanym rezystorze, a następnie wylicza się na podstawie prawa Ohma (patrz rys. 2):
,
Uwzględniając zatem powyższe otrzymamy:
,
zaś wzór na transmitancję napięciową nie zmieni się.
Warunki pomiaru i zmierzone wartości napięć:
f = 1,5 kHz ; Z0 = R0 = 1000
U1 = 2,05 [V] arg{U1} = 0 [deg]
U1'= 1,365 [V] arg{U1'}= -24 [deg]
U2 = 0,196 [V] arg{U2} = 20 [deg]
U2'= 0,0332 [V] arg{U2'}= 19 [deg]
Wzmocnienie napięciowe i prądowe uzyskane z obliczeń komputerowych:
Re{KU}= 1,53E-02 Im{KU}= 5,27E-03
Re{Ki}= -1,62E-01 Im{Ki}= 4,16E-02
|KU|= 1,61E-02 arg{KU}= 19
|Ki|= 1,66E-01 arg{Ki}= 165,5
Czyli ostatecznie:
Parametry robocze czwórnika można również wyznaczyć na podstawie wyznaczonych w punkcie 2 parametrów admitancyjnych czwórnika i znajomości impedancji obciążenia:
,
.
Podstawiając odpowiednie dane otrzymujemy:
.
WNIOSKI I UWAGI:
Paweł Pirosz:
Celem ćwiczenia było wyznaczenie parametrów własnych, charakterystycznych i roboczych typowego czwórnika biernego SLS. Naszym obiektem badań były czwórniki odwracalne: symetryczny typu T i niesymetryczny. W ćwiczeniu opieraliśmy się na pomiarze napięć oraz znajomości rezystancji, obliczając interesujące nas prądy wejściowy i wyjściowy z prawa Ohma. Stanowczą większość obliczeń dokonał komputer, podając wynik w notacji inżynierskiej, tzn. część rzeczywistą i urojoną oraz moduł i argument w stopniach. Po przeprowadzeniu ćwiczenia możemy stwierdzić, że potwierdziły się założenia teoretyczne, mimo drobnych uchybień, choć i te mają swoje uzasadnienie.
W pkt. 1 ćwiczenia wyznaczaliśmy parametry łańcuchowe czwórnika symetrycznego typu T (schemat z rys.1). Parametry te określają zależności między prądami i napięciami wejściowymi i wyjściowymi. Z pomiarów i obliczeń widzimy, że a11 = 2,43ej13° i a22 = 2,43ej12,8° są prawie równe, co świadczy o warunku symetryczności badanego czwórnika. Ponieważ każdy czwórnik symetryczny jest odwracalny, powinien także być spełniony warunek det(A) = 1 i arg{det(A)} = 0. Otrzymane wyniki: det(A) = 1,26ej6,32° w przybliżeniu potwierdzają tę zależność, choć są obarczone dużym, bo aż 26% błędem. Ten duży błąd między wartością teoretyczną a praktyczną jest spowodowany oddziaływaniem przyrządów pomiarowych, zwłaszcza fazomierzem, który w istotny sposób miał wpływ na wartość mierzonego napięcia (gdy nie był on podłączony przy pomiarze napięcia, woltomierz wskazywał wyższą wartość napięcia; fazomierz miał małą impedancję wejściową) oraz niedokładnym odczytem mierzonych wartości, zwłaszcza przesunięcia fazowego. Mniejszy wpływ oddziaływania przyrządów na wynik pomiarów byłby przy pomiarze parametrów czwórnika typu Π.
W pkt. 2 ćwiczenia wyznaczaliśmy parametry macierzy admitancyjnej (łączącej zależności między prądami i napięciami) czwórnika odwracalnego niesymetrycznego. Z pomiarów i obliczeń możemy dostrzec, że spełniony został admitancyjny warunek odwracalności y21 = y12, co potwierdzają wyniki y12 = 1,85⋅10-5e-j162° , y12 = 1,90⋅10-5e-j162°. Niewielkie różnice w wartościach wynikają z przyczyn wymienionych w punkcie 1.
W pkt. 3 ćwiczenia wyznaczaliśmy parametry charakterystyczne: impedancję falową i tamowność charakterystyczną, czwórnika symetrycznego metodą pomiaru napięć oraz metodą pomiaru impedancji. Ponieważ badany czwórnik był symetryczny wyznaczane parametry charakterystyczne są takie same zarówno od strony wejścia, jak i wyjścia, czyli Zc1 = Zc2 = Zc, Γc1 = Γc2 = Γc. Uzyskane wyniki Zc = 1,89⋅104e-j53,3° i Zc = 2,19⋅104e-j48° są przybliżone i świadczą o poprawności wykonywania pomiarów. Należy jednak pamiętać, iż mimo stosowania obu metod impedancję charakterystyczną wyznaczamy w sposób pośredni za pomocą impedancji zwarciowej i rozwarciowej zgodnie ze wzorem Zc = √Z1zZ10, a więc wyniki mogą być obarczone większym błędem niż pomiar bezpośredni. Przy metodzie impedancji błąd może być spowodowany niedokładnością odczytu ze względu na nieliniowość skali miernika impedancji, co objawia się zwłaszcza w wyznaczonych częściach rzeczywistych Zc. Podobnie rzecz się ma z wyznaczonymi wartościami tamowności charakterystycznej Γc = 1,43 + j0,197 i Γc = 1,50 + j0,178, której część rzeczywista jest tłumiennością charakterystyczną, a część urojona przesuwnością charakterystyczną.
Należy także zwrócić uwagę na niemal całkowitą zgodność macierzy łańcuchowych wyznaczonych w punktach 1, 3a, 3b. Charakterystycznym jest fakt idealnej zgodności współczynników a11 i a22 w macierzach z punktów 3a i 3b. Wartości parametrów łańcuchowych w tych punktach wyliczane były ze wzoru zamieszczonego w pkt. 3a na podstawie znajomości impedancji i tamowności charakterystycznych, co przy założeniu Zc1 = Zc2 daje nam bezpośrednią równość a11 i a22.
W pkt. 4 ćwiczenia dobieraliśmy elementy dwójnika RC o impedancji równej impedancji charakterystycznej badanego czwórnika symetrycznego. Elementy te wyznaczone zostały z pomiarów w pkt. 3; szukana rezystancja jest częścią rzeczywistą impedancji falowej, zaś częścią urojoną tejże impedancji jest reaktancja pojemnościowa (o czym świadczy znak „ - ” przed tą wielkością). Elementy te wyznaczone z metody napięć i metody impedancji wynoszą odpowiednio R = 15,2 [kΩ], C = 6,03 [nF] oraz R = 14,6 [kΩ], C = 6,47 [nF]. Dwójnik RC o impedancji Zc dołączony do badanego czwórnika jest potrzebny do wyznaczania impedancji falowych, zwłaszcza, gdy czwórnik nie jest odwracalny.
W pkt. 5 ćwiczenia wyznaczaliśmy parametry robocze czwórnika niesymetrycznego, takie jak transmitancja napięciowa i transmitancja prądowa, przy znanej impedancji obciążenia ( naszym przypadku była to rezystancja 1000 ). Z uzyskanych wyników widzimy, że zarówno przy bezpośrednim pomiarze tych parametrów (Ku = 1,61⋅10-2ej19°, Ki = 1,66⋅10-1ej165,5°), jak i przy wyznaczeniu ich z parametrów macierzy admitancyjnej czwórnika (Ku = 1,82⋅10-2ej15,6°, Ki = 1,65⋅10-1ej161,1°) uzyskaliśmy podobne wyniki, zarówno modułu i argumentu, co może świadczyć o poprawności wyznaczenia macierzy Y.
Pieliński Andrzej:
Pierwsza część ćwiczenia była poświęcona pomiarowi parametrów łańcuchowych czwórnika symetrycznego. Wyznaczone parametry określają nam jakie powinny być prąd i napięcie po stronie pierwotnej (na wejściu) , aby otrzymać zadane napięcie i prąd po stronie wtórnej (na wyjściu). Warto dodać, że takiemu sformułowaniu odpowiada przepływ energii w prawo. Badany czwórnik odznaczał się dwoma rodzajami symetrii. Pierwsza z nich to symetria energetyczna. Warunkiem jej spełnienia jest równość: det A = 1. Wyliczona przez komputer wartość wyznacznika macierzy łańcuchowej jest aż o 26% większa od poprawnej. Jest to związane z typem obranego czwórnika oraz podłączeniem do układu przyrządów pomiarowych. Badany układ czterozaciskowy był typu „T”, w związku z tym odczytana wartość napięcia U2=0,846[V] nie uwzględniała napięcia, które odłożyło się na mierniku fazy. Gdyby 0,9 < U2 <1,0 otrzymany wynik wyznacznika byłby bliższy jedności. Drugi rodzaj symetrii jaką cechował się badany czwórnik to symetria impedancyjna. Warunkiem jej istnienia jest następująca zależność między dwoma parametrami wyznaczonej macierzy A: a11=a22. Wyliczone wartości obu parametrów są do siebie porównywalne (rozbieżność co do wartości modułów wynosi 0,01, natomiast różnica pomiędzy argumentami 0,2).
Drugi punkt ćwiczenia obejmował pomiar parametrów macierzy admitancyjnej czwórnika niesymetrycznego. Poszczególne parametry tej macierzy pozwalają na wyrażenie prądów jako funkcji napięć. Macierz Y jest macierzą symetryczną, czyli y12 = y21 (rodzaj symetrii energetycznej). Dokonane pomiary potwierdziły symetrię macierzy admitancyjnej (różnica między modułami porównywanych wartości wyniosła 0,05·105 , natomiast argumenty miały tę samą wartość).
Kolejna część ćwiczenia wiązała się z wyznaczeniem parametrów charakterystycznych dla czwórnika symetrycznego. Wśród parametrów charakterystycznych (falowych) można wyróżnić: impedancję falową, przekładnię impedancyjną i energetyczną oraz współczynnik przenoszenie falowego zwany tamownością falową. Pierwsza seria pomiarów była oparta na metodzie napięć. Rozpatrywany czwórnik jest dopasowany obustronnie. Oznacza to, że jest on dopasowany zarówno od strony pierwotnej, jak i wtórnej. Wyliczona impedancja charakterystyczna została wyliczona w oparciu o impedancję z stanie zwarcia czwórnika Z1Z oraz impedancję rozwarcia Z10 (można ją także obliczyć w oparciu o parametry macierzy łańcuchowej). Drugim parametrem charakterystycznym otrzymanym po pomiarach jest tamowność falowa. Sens fizyczny tego parametru można opisać jako logarytm naturalny stosunku prądu pierwotnego do wtórnego. Jak pokazują to dokonane obliczenia jest od liczbą zespoloną, którego część rzeczywistą nazywamy tłumiennością, a część urojoną współczynnikiem przenoszenia falowego. Współczynnik ten gwarantuje asymetrię napięć i prądów względem osi poprzecznej czwórnika. Należy również dodać, że kierunek tej asymetrii jest uzależniony od kierunku przepływu energii. Związek pomiędzy współczynnikiem przenoszenia falowego, a modułami napięć i prądów jest taki, że w badanym czwórniku pracującym w warunkach dopasowania moduły napięcia i prądu maleją po przejściu przez czwórnik w stosunku e-A, natomiast ich fazy zmniejszają się o B. W celu porównania otrzymanych wyników opisanych parametrów charakterystycznych zostały one obliczone również metodą impedancji. Uzyskane wartości są ze sobą porównywalne.
Kolejna część ćwiczenia polegała na wyznaczeniu wartości elementów dwójnika RC o impedancji równej impedancji badanego czwórnika przy wybranej częstotliwości. Podobnie jak w punkcie poprzednim wykorzystano dwie metody pomiarowe. Obie wykorzystane metody dały porównywalne ze sobą wyniki.
Ostatni punkt ćwiczenia dotyczył pomiaru parametrów roboczych czwórnika niesymetrycznego. Pomiar się ograniczył do wyznaczenia transmitancji napięciowej oraz prądowej. Także w tym przypadku (w celu porównania wyników) wykorzystano dwie metody obliczeniowe. Pierwsza z nich polegała na obciążeniu czwórnika i odczytania napięć na wyjściu i wejściu badanego czwórnika. Do obliczeń w drugiej metodzie wykorzystano obliczone w punkcie drugim parametry macierzy admitancyjnej. Obie metody dały porównywalne ze sobą wyniki obliczanych wartości.
- 1 -