Odbicie linii przesyłowej. Chciałbym wyjaśnienia niematematyczne

Jestem licencjonowanym radiem-amatorem i oszałamiam wiele różnych wyjaśnień, od ludowego mitu miejskiego po równania Maxwella-Heaviside'a, o tym, co dzieje się na końcu linii przesyłowej lub podajnika. Zdaję sobie sprawę, że wszyscy ostatecznie doszli do tego samego (lub powinni zrobić, perfekcyjnie), ale żaden z nich nie daje mi przeczucia, co się dzieje.

Lubię diagramy, więc odpowiedź pod względem (graficznych) fazorów dla prądów i napięć przy obciążeniu najbardziej by mi odpowiadała. Jak na przykład skok impulsowy w dół linii powoduje dwukrotne napięcie na zakończeniu obwodu otwartego? Podobnie w przypadku prądu zwarciowego. A w jaki sposób krok odbity jest generowany przez indukcyjność i pojemność linii?

Czy ktoś może pomóc, nie rozumiejąc matematyki i nie kłamiąc dzieciom „kłamstw”?

OK, za co jest warte, oto jak to wizualizować.

Jak mówisz, linia przesyłowa ma zarówno rozproszoną pojemność, jak i rozproszoną indukcyjność, które łączą się, tworząc charakterystyczną impedancję Z ₀ . Załóżmy, że mamy źródło napięcia krokowego, którego impedancja wyjściowa Z _S odpowiada Z ₀ . Przed t = 0 wszystkie napięcia i prądy wynoszą zero.

W momencie wystąpienia kroku napięcie ze źródła dzieli się równomiernie na Z _S i Z ₀ , więc napięcie na tym końcu linii wynosi V _S / 2. Pierwszą rzeczą, która musi się zdarzyć, jest to, że pierwszy bit pojemności należy naładować do tej wartości, co wymaga przepływu prądu przez pierwszy bit indukcyjności. Ale to natychmiast powoduje, że kolejny bit pojemności zostanie naładowany przez kolejny kawałek indukcyjności i tak dalej. Fala napięcia rozchodzi się wzdłuż linii, a prąd płynie za nią, ale nie przed nią.

Jeśli drugi koniec linii zostanie zakończony obciążeniem o tej samej wartości co Z ₀ , gdy fala napięciowa się tam dostanie, obciążenie natychmiast zacznie pobierać prąd, który dokładnie odpowiada prądowi, który już płynie w linii. Nie ma powodu, aby cokolwiek zmieniać, więc nie ma odbicia w linii.

Załóżmy jednak, że drugi koniec linii jest otwarty. Kiedy fala napięcia dociera, nie ma miejsca, aby płynął tuż za nią prąd, więc ładunek „gromadzi się” w ostatnim kawałku pojemności, dopóki napięcie nie osiągnie punktu, w którym może zatrzymać prąd w ostatnim odrobina indukcyjności. Napięcie wymagane do tego celu jest dokładnie dwa razy większe niż napięcie przychodzące, co tworzy napięcie odwrotne na ostatnim kawałku indukcyjności, które odpowiada napięciu, które w nim uruchomiło prąd. Jednak teraz mamy V _S na tym końcu linii, podczas gdy większość linii jest naładowana tylko do V _S / 2. Powoduje to falę napięciową, która rozchodzi się w odwrotnym kierunku, a gdy propaguje, prąd, który wciąż płynie do przodu fali zmniejsza się do zera za falą, pozostawiając linię za nią naładowaną do V. _S . (Innym sposobem myślenia jest to, że odbicie tworzy prąd wsteczny, który dokładnie anuluje pierwotnego prądu do przodu). Podczas tego odbita fala napięcie osiąga źródła, napięcie na Z. _S gwałtownie spada do zera i dlatego prąd spada do zera , zbyt. Ponownie wszystko jest teraz w stanie stabilnym.

Teraz, jeśli drugi koniec linii jest zwarty (zamiast otwartego), gdy dotrze tam fala incydentu, mamy inne ograniczenie: Napięcie nie może faktycznie wzrosnąć, a prąd po prostu przepływa do zwarcia. Ale teraz mamy kolejną niestabilną sytuację: ten koniec linii ma 0 V, ale reszta linii wciąż jest naładowana do V _s / 2. Dlatego dodatkowy prąd płynie do zwarcia, a ten prąd jest równy V _S / 2 podzielonemu przez Z ₀ (który akurat jest równy pierwotnemu prądowi przepływającemu do linii). Fala napięcia (od V _S/ 2 w dół do 0 V) ​​propaguje się w odwrotnym kierunku, a prąd za tą falą jest dwa razy większy niż prąd pierwotny przed nią. (Ponownie, można pomyśleć o tym, jako negatywnej fali napięcia, które eliminuje oryginalnego pozytywny fali). Gdy fala osiąga źródło terminal źródłowy jest napędzany na 0V, pełne napięcie źródła spadła całej Z. _S i prąd płynący przez Z. _S równa się prądowi płynącemu teraz w linii. Wszystko znów jest stabilne.

Czy coś z tego pomaga? Jedną z zalet wizualizacji tego w kategoriach rzeczywistej elektroniki (w przeciwieństwie do analogii dotyczących lin, ciężarków lub hydrauliki itp.), Jest to, że pozwala łatwiej zrozumieć inne sytuacje, takie jak skupione pojemności, indukcyjności lub niedopasowane obciążenia rezystancyjne podłączone do linii przesyłowej.

Oto seria eksperymentów lub eksperymentów myślowych, jeśli chcesz.

1) Weź długą linę trzymaną na obu końcach przez dwóch przyjaciół i trzymaną mocno. Stań na środku i poproś osobę na jednym końcu, aby szybko przeciągnęła linę pionowo, wysyłając impuls w dół liny do drugiej osoby. Gdy fala przechodzi przez ciebie (w środku), zauważysz, że fala tylko propaguje się obok ciebie. Brak refleksji (w tym momencie). Zauważysz, że charakterystyka lin jest identyczna przed i po Twojej lokalizacji. Tak jest w przypadku dopasowanej impedancji, nie ma przejścia, więc nie ma odbicia.

2) weź tę samą linę, przywiąż ją do stałego miejsca na sztywnej ścianie. Poproś znajomego, aby wysłał impuls w dół liny i obserwował zbliżającą się falę, uderza ona w ustalone miejsce, a następnie odbija się. Zauważysz, że gdy to odzwierciedla, odwraca się. Jest to równoważne z krótkim. Lina unosi się, ale nie może się ruszyć, ponieważ jest zakotwiczona, energia jest magazynowana w energii sprężystej, która odciąga linę do tyłu (odwracając puls)

3) Weź tę samą linę i przywiąż do niej bardzo, bardzo lekki sznurek. Znowu niech twoi dwaj przyjaciele staną na każdym końcu i przytrzymają linę / sznur napięty, a puls wyrzuci go z liny. Przy przejściu między liną / sznurkiem puls odbije się, ale nie zostanie odwrócony. To jest przykład obwodu otwartego. Lina unosi się, ale energia nie może wejść w sznurek (lub raczej znacznie mniej energii), ponieważ masa sznurka jest znacznie mniejsza. Tak więc koniec liny podnosi się, energia jest gromadzona w energii potencjalnej, a następnie po prostu rozprasza się, opadając z powrotem, wysyłając falę z powrotem wzdłuż linii.

W falowodzie energia przekształca się z magnetycznego (prądu) w elektryczny (napięcie) w miarę rozprzestrzeniania się fali. Na otwartej końcówce prąd nie może płynąć, więc energia przechodzi w postaci napięcia. W skrócie, napięcie nie może być wyrażone (jest zwarte - lub ekwipotencjalne), więc energia trafia do lokalnych pętli prądowych.

Lubię myśleć o linii przesyłowej jako o zbiorze równych ciężarów związanych z dopasowanymi sprężynami. Kiedy impuls kompresyjny jest wstrzykiwany z jednego końca, każdy ciężar ostatecznie popycha następny ciężar w taki sposób, że popychanie lub ciągnięcie od ciężaru „w górę” zostaje dokładnie zrównoważone przez ciągnięcie lub pchanie od ciężaru „w dół”, pozostawiając każdy ciężar nieruchomy po przejściu fali.

Jeśli koniec linii przesyłowej nie może się poruszać, efektem jest to, że sprężyna, która nie może się poruszać, „odpycha” dwa razy mocniej, niż gdyby mogła się poruszyć. Połowa tego uderzenia przeciwdziała uderzeniu z poprzedniej fali, a druga połowa służy do popychania poprzedniego ciężaru w kierunku przeciwnym do jego wcześniejszego ruchu. Efektem netto jest to, że fala kompresji wraca.

Gdyby koniec linii przesyłowej był po prostu „otwarty”, efekt byłby taki, że ostatni ciężar nie przesuwałby się tylko do punktu początkowego po przeniesieniu swojej energii do następnego ciężaru, ale kiedy osiągnąłby swój punkt początkowy, wciąż mają całą energię, którą otrzymała z poprzedniej wagi. W tym momencie bezwładność i pęd spowodowałyby, że będzie on kontynuował przekraczanie tego punktu i skutecznie „szarpał” przy poprzedniej wadze z całą energią, którą włożył poprzedni ciężar. Skutecznie wygenerowałoby to falę napinającą z powrotem na sprężynę.

Ten fascynujący film Bell Labs pięknie pokazuje sekcje ruchu falowego, SWR i impedancji na całkowicie mechanicznym urządzeniu stołowym bez potrzeby matematyki . Jest przedstawiony w taki sposób, że nawet laik może zrozumieć te pojęcia.

• Odbicie fal od wolnych i zaciśniętych końców
• Nałożenie
• Fale stojące i rezonans
• Utrata energii przez niedopasowanie impedancji
• Zmniejszenie strat energii przez transformatory ćwierćfalowe i o przekroju stożkowym