background image

- 1 -

3. METODY OPISU UKŁADÓW 

ELEKTRONICZNYCH

3.1. MODELE ZACISKOWE - CZWÓRNIK

3.1.1. WPROWADZENIE

Wielobiegunnikiem nazywamy element, którego liczba zacisków jest 

większa od 2 (m>2). Z każdym zaciskiem wielobiegunnika związana jest 
para wielkości elektrycznych.

Definicja1.

Jeśli: wielobiegunnik posiada parzystą liczbę zacisków (tzn. m=2n

zgrupowanych w n par i dla każdej pary zacisków zachodzi 
związek:

k

k

I

I

'

(3.1)

to: - każdą tak określoną parę zacisków nazywamy "bramą", "wrotami";

- napięcie na bramie określone jest odpowiednią różnicą napięć 

zaciskowych tworzących tę bramę;

- wielobiegunnik nazywamy wówczas WIELOWROTNIKIEM

Definicja 2.

Czwórnikiem  (dwubramnikiem,  dwuwrotnikiem)  nazywamy 
wielowrotnik, dla którego 2n=4, czyli n=2.

m= n

2

1

n

I

 1

I

 1’

I

 n’

I

 n

1’

n’

U

 1

2n

I

 1

I

 1’

I

 n

I

 n’

U

 1

U

 n

I

 1

I

 1’

U

 1

I

 2

I

 2’

n=2

U

 2

...

...

U

 n

1

1’

2

2’

n

n’

1

1’

background image

- 2 -

Przyjęte założenia pozwalają przedstawić czwórnik następująco

1

1’

2

2’

I

 1

U

 1

I

 2

CZWÓRNIK

U

 2

2’

Para zacisków 1-1’ – wrota pierwotne (WE)

2-2’ – wrota wtórne (WY)

Granicznymi stanami pracy każdej z bram są:

stan jałowy – gdy prąd danej bramy jest równy zeru

(I

1

=0 lub I

2

=0)

stan zwarcia – gdy napięcie danej bramy jest równe zeru

(U

1

=0 lub U

2

=0)

3.1.2. TRÓJNIK A CZWÓRNIK

Przyjmijmy  jeden  z  zacisków  trójnika  za  zacisk  odniesienia. 

Rozszczepiając  zacisk  odniesienia  na  dwa  zwarte  zaciski  otrzymamy 
czwórnik  –  nazywany  czwórnikiem  o  strukturze  trójnikowej
(czwórnikiem o wspólnej masie).

1

1’

2

I

 1

U

 1

I

 2

U

 2

2’

1

2

I

 1

U

 1

I

 2

U

 2

background image

- 3 -

3.1.3. PODSTAWOWE RÓWNANIA CZWÓRNIKA

Równaniami  czwórnika  nazywamy  zależności  wiążące  ze  sobą 

WIELKOŚCI  ZACISKOWE,  a  więc  prąd  i  napięcie  wejściowe  (I

1

,  U

1

oraz prąd i napięcie wyjściowe (I

2

, U

2

). 

Spośród  czterech  wielkości  zaciskowych  tylko  dwie  mogą  być 

przyjęte  jako  niezależne,  a  dwie  pozostałe  jako  zależne.  Para  wielkości 
niezależnych  może  być  wybrana  na  sześć  różnych  sposobów,  czwórnik 
można zatem opisać jednym z sześciu rodzajów równań zaciskowych
.

Para wielkości zaciskowych

ZALEŻNYCH

NIEZALEŻNYCH

RODZAJ RÓWNAŃ

1.

I

1

, I

2

U

1

, U

2

ADMITANCYJNE

2.

U

1

, U

2

I

1

, I

2

IMPEDANCYJNE

3.

U

1

, I

2

I

1

, U

2

HYBRYDOWE

4.

I

1

, U

2

U

1

, I

2

HYBRYDOWE ODWROTNE

5.

U

1

, I

1

U

2

, I

2

ŁAŃCUCHOWE

6.

U

2

, I

12

U

1

, I

1

ŁAŃCUCHOWE ODWROTNE

background image

- 4 -

1. RÓWNANIA ADMITANCYJNE CZWÓRNIKA

Przyjmujemy, że  wielkościami  niezależnymi  są  napięcia:  pierwotne 

U

1

  oraz  wtórne  U

2

.  Odpowiada to  następującemu  sposobowi  pobudzenia 

czwórnika

I

 1

U

 1

I

 2

CZWÓRNIK

U

 2

1

1

2

2

I

 11

U

 1

I

 21

CZWÓRNIK

1

1

CZWÓRNIK

U

 2

2

2

I

 12

I

 22

=

+

22

21

2

12

11

1

I

I

I

I

I

I

gdzie:

1

11

11

U

y

I

2

12

12

U

y

I

1

21

21

U

y

I

2

22

22

U

y

I

Zatem równania admitancyjne czwórnika otrzymuje się jako:



2

22

1

21

2

2

12

1

11

1

U

y

U

y

I

U

y

U

y

I

(3.2)

background image

- 5 -



2

22

1

21

2

2

12

1

11

1

U

y

U

y

I

U

y

U

y

I

(3.2)

lub w postaci macierzowej

2

1

2

1

22

21

12

11

2

1

U

U

U

U

y

y

y

y

I

I

Y

Elementy  macierzy  admitancyjnej Y nazywamy  parametrami 

admitancyjnymi czwórnika - można je wyznaczyć z układu równań  3.2 
(jako  stosunki prądów zaciskowych  do napięć zaciskowych  przy  zwarciu
jednej z par zacisków):

0

1

1

11

2

U

U

I

y

admitancja dwójnika 1-1’ (od P)

0

2

1

12

1

U

U

I

y

admitancja wzajemna od W do P

0

1

2

21

2

U

U

I

y

admitancja wzajemna od P do W

0

2

2

22

1

U

U

I

y

admitancja dwójnika 2-2’ (od W)

I

 1

U

 1

I

 2

CZWÓRNIK

1

1

2

2

I

 1

U

 2

I

 2

CZWÓRNIK

1

1

2

2

Model obwodowy (schemat zastępczy) czwórnika dla równań (3.2)

I

 1

U

 1

I

 2

U

 2

y

11

y

12

U

2

y

22

y

21

U

1

background image

- 6 -

2. RÓWNANIA IMPEDANCYJNE CZWÓRNIKA

2

22

1

21

2

2

12

1

11

1

I

z

I

z

U

I

z

I

z

U

    

2

1

2

1

22

21

12

11

2

1

I

I

I

I

z

z

z

z

U

U

Z

(3.3)

Elementy  macierzy  impedancyjnej  Z  (parametry  impedancyjne

mają  wymiar  impedancji  [

]. Można je wyznaczyć  jako  stosunki napięć 

zaciskowych  do  prądów  zaciskowych  przy  rozwarciu  jednej  z  par 
zacisków:

o

I

Z

I

U

z

1

0

1

1

11

2

impedancja dwójnika 1-1’ (od P)

impedancja wejściowa rozwarciowa

0

2

1

12

1

I

I

U

z

impedancja wzajemna od W do P

0

1

2

21

2

I

I

U

z

impedancja wzajemna od P do W

o

I

Z

I

U

z

2

0

2

2

22

1

impedancja dwójnika 2-2’ (od W)

impedancja wyjściowa rozwarciowa

I

 1

U

 1

I

 2

=0

CZWÓRNIK

1

1

2

2

U

 2

I

 1

=0

U

 1

I

 2

1

1

2

2

U

 2

CZWÓRNIK

Schemat zastępczy czwórnika dla równań (3.3)

I

 1

U

 1

I

 2

U

 2

z

11

z

12

I

2

z

22

z

21

I

1

background image

- 7 -

3. RÓWNANIA HYBRYDOWE CZWÓRNIKA

Jeśli przyjmiemy, że wielkościami niezależnymi jest prąd pierwotny 

I

1

oraz napięcie wtórne U

2

- otrzymamy równania hybrydowe (mieszane) 

czwórnika:

2

22

1

21

2

2

12

1

11

1

U

h

I

h

I

U

h

I

h

U

(3.4)

lub w postaci macierzowej

2

1

2

1

22

21

12

11

2

1

U

I

U

I

h

h

h

h

I

U

H

gdzie nazywamy macierzą hybrydową czwórnika.

Schemat zastępczy czwórnika dla równań (3.4)

I

 1

U

 1

h

11

h

12

U

2

I

 2

U

 2

h

22

h

21

I

1

0

1

1

11

2

U

I

U

h

[

]

impedancja wejściowa przy

zwartym wyjściu

0

2

1

12

1

I

U

U

h

[-]

współczynnik oddziaływania

zwrotnego

0

1

2

21

2

U

I

I

h

[-]

zwarciowy współczynnik

wzmocnienia prądowego

0

2

2

22

1

I

U

I

h

[S]

admitancja wyjściowa przy

rozwartym wejściu

background image

- 8 -

3.1.4. PARAMETRY ROBOCZE CZWÓRNIKA

1. IMPEDANCYJA WEJŚCIOWA

Określana  jest  na  zaciskach  pierwotnych  jako  stosunek  napięcia  do 

prądu  pierwotnego  przy  obciążeniu  czwórnika  po  stronie  wtórnej 
dwójnikiem o impedancji Z

obc

.

I

 1

U

 1

I

 2

CZWÓRNIK

U

 2

1

Z

 g

E

 g

Z

 obc

1

2

2

Z

 we 

=

U

 1

I

 1

Jeśli  czwórnik  opisuje  się  równaniami  impedancyjnymi  to  z 

pierwszego równania (3.3):

2

12

1

11

1

I

z

I

z

U

1

2

12

11

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

1

21

2

I

z

I

z

U

22

21

1

2

z

Z

z

I

I

obc

Stąd:

22

21

12

11

1

1

z

Z

z

z

z

I

U

Z

obc

we

(3.5)

background image

- 9 -

2. IMPEDANCYJA WYJŚCIOWA

Jest  impedancją  widzianą  z  zacisków  wtórnych  czwórnika  (przy 
E

g

= 0) i wyraża się stosunkiem napięcia do prądu wtórnego.

I

 1

U

 1

I

 2

CZWÓRNIK

U

 2

1

Z

 g

1

2

2

Z

 wy 

=

U

 2

I

 2

Z drugiego równania (3.3) otrzymujemy

2

22

1

21

2

I

z

I

z

U

2

1

21

22

2

2

I

I

z

z

I

U

Z

wy

Natomiast z drugiego równania po uwzględnieniu, że  

1

1

I

Z

U

g

2

12

1

11

1

I

z

I

z

U

11

12

2

1

z

Z

z

I

I

g

Stąd:

11

21

12

22

2

2

z

Z

z

z

z

I

U

Z

g

wy

(3.6)

background image

- 10 -

3. WZMOCNIENIE NAPIĘCIOWE 

(TRANSMITANCJA NAPIĘCIOWA)

obc

obc

u

Z

z

Z

z

U

U

K

11

21

1

2

det

Z

(3.7)

Gdy uwzględni się fakt zasilania z 
rzeczywistego źródła energii, 
mówimy o

skutecznym (efektywnym)

wzmocnieniu napięciowym:

I

 1

U

 1

U

 2

1

Z

 g

E

 g

Z

 obc

1

2

2

we

g

u

we

g

g

g

sk

u

Z

Z

K

Z

U

Z

U

U

I

Z

U

U

E

U

K

1

1

1

2

1

1

2

2

(3.8)

4. WZMOCNIENIE PRĄDOWE 

(TRANSMITANCJA PRĄDOWA)

obc

i

Z

z

z

I

I

K

22

21

1

2

(3.9)

Gdy uwzględni się fakt zasilania z 
rzeczywistego źródła energii, 
mówimy o

skutecznym (efektywnym)

wzmocnieniu prądowym:

I

 1

U

 1

U

 2

1

Z

 g

Z

 obc

1

2

2

I

 g

(-I

 2

)

 

g

we

i

g

g

we

g

g

g

g

g

sk

i

Z

Z

K

Z

I

Z

I

Z

I

Z

I

Z

U

I

Z

E

I

I

I

K

1

1

1

2

1

1

2

2

2

(3.10)

background image

- 11 -

3.2. OPIS CZĘSTOTLIWOŚCIOWY

3.2.1. POJĘCIE IMMITANCJI I TRANSMITANCJI

Rozpatrzmy  układ  elektryczny,  na  który  działa  wymuszenie 

harmoniczne  o  symbolicznej  wartości  skutecznej  F  (napięciowe  lub 
prądowe)  i  dla  którego  poszukiwaną  funkcją  jest  odpowiedź  o 
symbolicznej wartości skutecznej R (prądowa lub napięciowa). 

F

R

układ

elektryczny

Jeśli  wielkości  F  i  R  występują  na  tych  samych  zaciskach  to 

rozpatrywany układ jest 

dwójnikiem

W zależności od wymuszenia odpowiedź wyznaczamy ze wzoru:

I

 Z

U

Z

Y

U

0

I

Z

I

Z

U

(3.11a)

0

U

Y

I

(3.11b)

Zatem stosunek odpowiedzi do wymuszenia, definiujemy jako:

IMpedancja  

Z

I

U

Z

(3.12a)

adMITANCJA   

0

U

I

Y

(3.12b)

Dla obu tych wielkości spełniających związek

1

Z

Y

(3.14)

stosujemy określenie : IMMITANCJA

background image

- 12 -

W przypadku wyodrębnienia dwóch par zacisków mamy do czynienia 

czwórnikiem

.  Jeśli  wymuszenie  jest  związane  z  jedną  bramą  a 

odpowiedź  z  drugą  to  relacje  pomiędzy  nimi  - stosunek  odpowiedzi  do 
wymuszenia nazywamy TRANSMITANCJĄ.

F

R

K

F

R

K

(3.15)

czyli

F

K

R

(3.16)

Ponieważ w przypadku czwórnika wymuszeniem i odpowiedzią może 

być prąd lub napięcie, należy więc rozróżnić 

cztery transmitancje

:

K

u

I

2

=0

U

2

U

1

transmitancję napięciową

0

1

2

2

I

u

U

U

K

(3.17a)

K

iu

I

2

U

1

transmitancję prądowo-napięciową

0

1

2

2

U

u

i

U

I

K

(3.17b)

K

i

I

2

I

1

transmitancję prądową

0

1

2

2

U

i

I

I

K

(3.17c)

K

ui

I

2

=0

U

2

I

1

transmitancję napięciowo-prądową

0

1

2

2

I

i

u

I

U

K

(3.17d)

background image

- 13 -

3.2.2. CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

Immitancje i transmitancje są wielkościami zespolonymi, zależą od:

 układu (jego struktury i wartości elementów);

 pulsacji (częstotliwości) sygnału wymuszającego.

Dla układu liniowego, badanego przy przebiegach harmonicznych dla 

określonej pulsacji słuszna jest zależność:

F

R

j

j

m

m

e

F

e

R

F

R

K

2

2

F

R

j

e

F

R

 

(3.18)

j

e

K

Charakterystykami częstotliwościowymi układu nazywamy

zależność transmitancji lub immitancji układu

od częstotliwości lub pulsacji sygnału harmonicznego.

)

(

)

(

)

(

j

e

K

K

  dla  

)

0

(

(3.19)

gdzie: K(

) - częstotliwościowa charakterystyka amplitudowo-fazowa

K(

) - częstotliwościowa 

charakterystyka amplitudowa

(

) - częstotliwościowa 

charakterystyka fazowa

UWAGA:

)

(

lg

20

)

(

K

K

dB

Wybrane wartości w decybelach

)

(

K

N

10

0,1

2

/

1

1

2

10

N

10

)

(

lg

20

K

 [dB]

N

20

-20

-3

0

3

20

N

20

moduł transmitancji K

określony 

jest 

stosunkiem 

wartości 

skutecznych 

odpowiedzi do wymuszenia

argument transmitancji 

wyraża 

kąt 

przesunięcia 

fazowego 

odpowiedzi 

odniesieniu do wymuszenia

background image

- 14 -

3.2.3. PARAMETRY CZĘSTOTLIWOŚCIOWE UKŁADÓW

częstotliwość graniczna

częstotliwość  przy  której  moduł  transmitancji 
maleje o 3 dB od wartości nominalnej dla której 
umownie przyjęto poziom 0dB.

pasmo przenoszenia

d

g

P

f

f

S

zakres  częstotliwości,  w  którym  moduł 
transmitancji  maleje  nie  więcej  niż  o  3 dB  od 
wartości  nominalnej,  a  jest  to  zakres 
częstotliwości zawarty między częstotliwościami 
granicznymi.  Miarą  pasma  przenoszenia  jego 
szerokość S

P

selektywność układu

)

20

(

)

3

(

dB

S

dB

S

p

P

P

zdolność 

rozdziału 

częstotliwościowego 

przenoszonych  sygnałów.  Miarą  selektywności 
jest współczynnik prostokątności p

nachylenie charakterystyki

określa  się  liczbą  decybeli  wyrażającą  zmianę 
modułu  transmitancji  układu  na  dekadę  w 
zadanym zakresie częstotliwości

K f

( )

1

0,707

f

g1

0,1

0dB

-3dB

-20dB

f

g2

f

s

f

3.2.4. KLASYFIKACJA UKŁADÓW

wąskopasmowe

S



 f

s

szerokopasmowe

S

P

=f

s

     lub

S

 f

s

dolnoprzepustowe

f

g1

=0

f

g2 

 

górnoprzepustowe

f

g1

0

f

g2 

środkowoprzepustowe f

g1

0

f

g2 

 

środkowozaporowe

f

(f

g1

, f

g2

)  

  f

g1

0  

  f

g2

 

background image

- 15 -

3.2.5. FILTRY RC

GÓRNOPRZEPUSTOWY

R

1

C

1

U

1

U

2

I

Zgodnie z (3.17a):

 

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

C

j

R

R

I

C

j

R

I

R

U

U

K

u





Czyli:

 

1

1

1

1

1

C

R

j

C

R

j

K

u

(3.20)

lub

 

u

K

  





 

1

1

2

2

1

1

1

1

1

C

R

arctg

j

e

C

R

C

R

K(

)

(

)

K(

)

- częstotliwościowa

charakterystyka 

amplitudowa

(

)

- częstotliwościowa

charakterystyka 

fazowa

K( )

1

0,707

g1

=1/R C

1

1

 

( )

/2

/4

g1

=1/R C

1

1

UWAGA:

1

1

1

1

2

1

2

1

C

R

f

g

1

- stała czasu FG

background image

- 16 -

DOLNOPRZEPUSTOWY

R

2

C

2

U

1

U

2

I

Zgodnie z (3.17a):

 

2

2

2

2

2

2

1

2

1

1

1

1

C

j

R

C

j

I

C

j

R

I

C

j

U

U

K

u









Czyli:

 

2

2

1

1

C

R

j

K

u

(3.21)

lub

 

u

K

  

2

2

2

2

2

1

1

C

R

arctg

j

e

C

R

K(

)

(

)

K(

)

- częstotliwościowa

charakterystyka 

amplitudowa

(

)

- częstotliwościowa

charakterystyka 

fazowa

K( )

1

0,707

g2

=1/R C

2

2

 

( )

/2

/4

g2

=1/R C

2

2

UWAGA:

2

2

2

2

2

1

2

1

C

R

f

g

2

- stała czasu FD

background image

- 17 -

3.3. OPIS CZASOWY

3.3.1. WPROWADZENIE

Rozpatrzmy  układ  elektryczny,  na  który  działa  wymuszenie 

przyczynowe  f(t)  (napięciowe  lub  prądowe)  i  dla  którego  poszukiwaną 
funkcją jest odpowiedź r(t) (prądowa lub napięciowa).

f t

( )

r t

( )

układ

elektryczny

Czasową charakterystykę układu o określonym wejściu i 

wyjściu stanowi przebieg sygnału wyjściowego, gdy na 

wejściu działa wymuszenie będące sygnałem wzorcowym.

Jeśli 

sygnałem  wzorcowym  f(t)

  jest  funkcja  skoku  jednostkowego 

1(t) to

 

 

 

 

t

h

s

H

s

K

s

t

r





1

1

1

L

L

(3.22)

gdzie 

h(t)

CHARAKTERYSTYKA  SKOKOWA  UKŁADU

  (zwana 

funkcją/charakterystyką przejściową)

UWAGA:

0

1

0

0

)

(

1

)

(

t

dla

t

dla

t

t

f

t

f t

( )

0

1

Skok jednostkowy

W  chwili  t  =  0  pojawia  się  sygnał  o  wartości  jeden  i  następnie  dla 

czasów t > 0 nie ulega on zmianie. Każde wymuszenie stałe doprowadzone 
do  obwodu  w  chwili  t  =  0  można  traktować  jako  iloczyn  sygnału 
jednostkowego i wielkości stałej.

background image

- 18 -

3.3.2. PARAMETRY CZASOWE UKŁADÓW

t

h =1

ust

0

h(t)

t

o

t

n

0,1

0,5

0,9

t

m

Czas narastania t

n

czas  wzrostu  charakterystyki  skokowej 
układu od 0,1 do 0,9 wartości ustalonej

Czas opóźnienia t

o

czas  wzrostu  charakterystyki  skokowej 
układu od 0 do 0,5 wartości ustalonej

Czas opadania t

m

czas  malenia  charakterystyki  skokowej 
układu od 0,9 do 0,1 wartości ustalonej

background image

- 19 -

3.3.3. UKŁADY RC

RÓŻNICZKUJĄCY

GÓRNOPRZEPUSTOWY

R

1

C

1

u t

t

1

( )=1( )

u t

2

( )

 

dt

u

d

C

R

t

u

1

1

1

2

 

 

 

t

e

t

e

t

u

C

R

1

1

1

1

1

1

1

2

(3.23)

t

1

0

h(t)

CAŁKUJĄCY

DOLNOPRZEPUSTOWY

R

2

C

2

u t

t

1

( )=1( )

u t

2

( )

 

t

dt

u

C

R

t

u

0

1

2

2

2

1

 

 

 

t

e

t

e

t

u

C

R

1

1

1

1

2

2

2

1

1

2

(3.24)

t

1

0

h(t)

background image

- 20 -

3.4. ZWIĄZKI CHARAKTERYSTYK UKŁADU

   

 

 



0

lim

lim

0

h

K

h

K

(3.25)

Są to związki o bardzo dużym znaczeniu praktycznym. Wynika z nich 

jednoznacznie,  że  jeśli  znamy  np.  charakterystykę  amplitudową  K(

), to 

jej graniczne wartości określają jednoznacznie graniczne wartości funkcji 
skokowej (przejściowej) h(t) i odwrotnie.

t

1

0

h(t)

1

0

K( )