Кіріспе

Электрлік схеманың кіріс/шығыс кедергілерін белгілі бір мақсат үшін реттеу

Электртехникада кедергілерді сәйкестендіру – электр құрылғысының кіріс кедергісін немесе шығыс кедергісін қажетті мәнге келтіру немесе жобалау практикасы. Көбінесе, қажетті мән қуат беруді максималдау немесе сигналдың кері шағылысуын азайту үшін таңдалады. Мысалы, кедергілерді сәйкестендіру көбінесе радио хабар таратушыдан антеннаға жалғанатын беру желісі арқылы қуат беруді жақсарту үшін қолданылады. Егер беру желісі сәйкес кедергімен аяқталса, онда желідегі сигналдар шағылыспай таралады. Кедергілерді сәйкестендіру әдістеріне трансформаторлар, біріктірілген кедергілер, сыйымдылық және индуктивтіліктен құралған реттелетін тізбектер немесе дұрыс пропорцияланған беру желілері жатады. Кедергілерді сәйкестендіруге арналған практикалық құрылғылар, әдетте, белгілі бір жиілік диапазонында ең жақсы нәтижелерді көрсетеді. Кедергілерді сәйкестендіру ұғымы электртехникада кеңінен қолданылады, бірақ энергияның бір түрі – міндетті түрде электр емес – көз бен жүктеме арасында берілетін басқа да салаларда, мысалы акустикада немесе оптикада да маңызды.

Теория

Импеданс – жүйенің энергия көзінен энергия ағынына қарсылығы. Тұрақты сигналдар үшін бұл импеданс та тұрақты болуы мүмкін. Ал өзгеріп отыратын сигналдар үшін, ол әдетте жиілікке байланысты өзгереді. Бұл энергия электрлік, механикалық, акустикалық, магниттік, оптикалық немесе жылулық сипатта болуы мүмкін. Электр импедансы түсінігі ең көп танымал. Электр кедергісі сияқты, электр импедансы да омамен өлшенеді. Жалпы алғанда, импеданс (символ: Z) кешенді шама болып табылады; яғни, жүктемелерде әдетте нақты бөлігін құрайтын кедергі (символ: R) және жолғары бөлігін құрайтын реактивтілік (символ: X) компоненттері болады. Қарапайым жағдайларда (мысалы, төмен жиілікте немесе тұрақты токпен қуат беруде) реактивтілік мардымсыз немесе нөлге жуық болуы мүмкін; импеданс нақты сан түрінде берілген таза кедергі деп қарастырылуы мүмкін. Келесі қорытындыда кедергі мен реактивтіліктің екеуі де маңызды болатын жалпы жағдайды және реактивтілік мардымсыз болатын ерекше жағдайды қарастырамыз.

Қуат беру

Кез келген қуат көзі, мысалы электр сигналының көзі, радио хабар таратушы немесе механикалық дыбыс (мәселен, динамик) белгілі бір шығыс кедергісімен жүктемеге жұмыс істеген кезде, жүктемеге ең жоғары қуат беріледі, егер жүктеменің кедергісі (жүктеме кедергісі немесе кіріс кедергісі) көздің кедергісінің кешенді түйіндесіне (яғни оның ішкі кедергісі немесе шығыс кедергісі) тең болса. Екі кедергінің кешенді түйіндес болуы үшін олардың кедергілері бірдей болуы керек, ал реактивтіліктері шамасы бойынша бірдей, бірақ қарама-қарсы таңбалы болуы керек. Төмен жиілікті немесе тұрақты жүйелерде (немесе тек кедергілі көздер мен жүктемелер бар жүйелерде) реактивтілік нөлге тең немесе елеусіз болуы мүмкін. Бұл жағдайда, жүктеме кедергісі көз кедергісіне тең болғанда максималды қуат беру жүзеге асады (математикалық дәлелдеме үшін максималды қуат теоремасын қараңыз). Кедерісті сәйкестендіру әрқашан қажет емес. Мысалы, егер жоғары кернеуді беру (сигналдың нашарлауын азайту немесе қуат тұтынуды азайту) қуат беруді максималды етуден маңыздырақ болса, онда кедерістік көпір немесе кернеу көпірі қолданылады. Ескі аудио жүйелерде (трансформаторларға және пассивті сүзгілерге негізделген, телефон жүйесіне сүйенген) көз бен жүктеме кедергілері 600 Ом-ға сәйкестендірілген. Бұның бір себебі – қуат беруді максималды ету, себебі жоғалған сигналды қалпына келтіретін күшейткіштер болған жоқ. Тағы бір себеп – орталық коммутациялық жабдықта қолданылатын гибридті трансформаторлардың дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ету, осылайша оларды күшейтуге немесе төрт сымды тізбекке беруге болады. Көптеген қазіргі заманғы аудио тізбектері, керісінше, белсенді күшейту және сүзгілеуді пайдаланады және ең жоғары дәлдік үшін кернеулік көпірлік қосылымдарды қолдана алады. Қатаң айтқанда, кедерісті сәйкестендіру тек көз және жүктеме құрылғылары сызықты болған кезде ғана қолданылады; алайда, белгілі бір жұмыс диапазонында сызықты емес құрылғылар арасында да сәйкестендіруге қол жеткізуге болады.

Импедансты сәйкестендіру құрылғылары

Шығарушы кедергісін немесе жүктеме кедергісін реттеу, жалпы алғанда, "импедансты сәйкестендіру" деп аталады. Импеданс сәйкессіздігін жақсартудың үш жолы бар, олардың барлығы "импедансты сәйкестендіру" деп аталады: Zload = Zsource* көзіне көрінетін жүктемені көрсетуге арналған құрылғылар (кешенді конъюгат сәйкес келуі). Белгілі кернеу және белгілі кедергі бар көзді ескере отырып, ең жоғары қуат теоремасы бұл көзден ең жоғары қуатты алудың жалғыз жолы екенін айтады. Эхоны болдырмау үшін Zload = Zline (комплексті импеданстық сәйкестікті) көрінетін жүктеме беруді көздейтін құрылғылар. Белгілі бір импидансы бар беріліс желісі көзін ескере отырып, беріліс желісінің соңында "рефлексиясыз импидансты сәйкестендіру" – кері қайтарылатын эхоларды беріліс желісіне жібермеудің жалғыз жолы. Көздің ішкі кедергісін мүмкіндігінше нөлге жақын етуге немесе көздің кернеуін мүмкіндігінше жоғары көрсетуге арналған құрылғылар. Бұл энергия тиімділігін барынша арттырудың жалғыз жолы, сондықтан оны электр желілерінің басында қолданады. Мұндай кедергілік байланыс бұрмалау мен электромагниттік кедергілерді азайтады; ол сондай-ақ қазіргі заманғы дыбыс күшейткіштерінде және сигнал өңдеу құрылғыларында қолданылады. Энергия көзі мен жүктеме арасында "импедансты сәйкестендіруді" жүзеге асыратын әр түрлі құрылғылар қолданылады. Электр кедергілерін сәйкестендіру үшін инженерлер трансформаторлар, резисторлар, индукторлар, конденсаторлар және беріліс желілерін біріктіреді. Бұл пассивті (және белсенді) импеданстық сәйкестендіру құрылғылары әр түрлі қолданбалар үшін оңтайландырылған және балундар, антенна тюнерлері (кейде олардың сыртқы түріне байланысты ATU немесе роликті тау-кен шоғыры деп аталады), акустикалық мүйіздер, сәйкестендіру желілері және терминаторларды қамтиды.

Трансформаторлар

Трансформаторлар кейде тізбектердің кедергілерін сәйкестендіру үшін қолданылады. Трансформатор бір кернеудегі айнымалы токты басқа кернеудегі бірдей толқынға айналдырады. Трансформаторға түсетін және трансформатордан шығатын қуат бірдей (өзгерту шығындарын ескермегенде). Төмен кернеулі жағы төмен кедергіде болады (өйткені орамдар саны аз), ал жоғары кернеулі жағы жоғары кедергіде болады (өйткені орамдарында көбірек орамдар бар). Бұл әдістің бір мысалы – теледидарлық балун трансформаторы. Бұл трансформатор теңгерілген желіні (300 Омдық екі сымды желі) және теңгерілмеген желіні (мысалы, RG 6 кабельіндей 75 Омдық коаксиалды кабель) қосуға мүмкіндік береді. Кедергілерді сәйкестендіру үшін екі кабель де 2:1 айналу қатынасымен сәйкес келетін трансформаторға қосылуы керек. Бұл мысалда 300 Омдық желі трансформатордың көбірек орамдары бар жағына қосылады; 75 Омдық кабель трансформатордың аз орамдары бар жағына қосылады. Бұл мысал үшін трансформатордың айналу қатынасын есептеу формуласы:

Резистивтік желі

Резистенттік кедерулерді сәйкестендіру жобалау оңай және оны екі резистордан тұратын қарапайым L-түйірмен (L-pad) жасауға болады. Қуатты жоғалту – резистивті тізбектерді пайдаланудың қажетті салдары, және олар көбінесе желілік деңгейдегі сигналдарды беру үшін қолданылады.

Степенді беріліс желісі

Көптеген элементтік құрылғылар жүктеме кедергілерінің белгілі бір диапазонына ғана сәйкес келеді. Мысалы, индуктивті жүктемені нақты импедансқа сәйкес келтіру үшін конденсатор қолдану қажет. Егер жүктеме кедергісі сыйымдылыққа өшсе, сәйкес келтіру элементін индуктормен ауыстыру керек. Көп жағдайда жүктеме кедергілерінің кең ауқымына сәйкес келетін бір схеманы пайдалану және осылайша схема құрылымын жеңілдету қажеттігі туады. Бұл мәселе сатылы беріліс желісі арқылы шешілді, онда беріліс желісінің сипаттамалық кедергісін өзгерту үшін бірнеше, тізбектей орналастырылған, төрттен бір толқынды диэлектрлік цилиндрлер қолданылады. Әрбір элементтің орналасуын бақылау арқылы схеманы қайта жалғау қажеттілігінсіз жүктеме кедергілерінің кең ауқымын сәйкес келтіруге болады.

Сүзгілер

Фильтрлер телекоммуникация және радиотехникада кедергілерді сәйкестендіру үшін жиі қолданылады. Жалпы алғанда, дискретті компоненттерден құралған тізбек арқылы барлық жиіліктерде толық кедергі сәйкестігіне теориялық тұрғыдан қол жеткізу мүмкін емес. Кедергі сәйкестігін қамтамасыз ететін тізбектер белгілі бір өткізу қабілетімен жобаланады, фильтр түрінде болады және олардың жобалауында фильтр теориясы қолданылады. Радио тюнерлер және хабар таратушылар сияқты тар өткізу қабілетін қажет ететін қолданыстарда, мысалы, тұғыр сияқты қарапайым күйделген фильтрлер қолданылуы мүмкін. Бұл тек бір белгілі жиілікте толық сәйкестікті қамтамасыз етеді. Кенет өткізу қабілетін қамтамасыз ету үшін көп бөлімді фильтрлер қажет.

Қуат коэффициентін түзету

Қуат коэффициентін түзету құрылғылары электр желісінің соңындағы жүктеменің реактивті және бейсызық сипаттамаларын жоюға арналған. Бұл электр желісі көретін жүктемені таза кедергілі етеді. Жүкке қажетті белгілі қуат үшін бұл электр желілері арқылы берілетін нақты токты азайтады және осы электр желілерінің кедергісінде ысырап болатын қуатты төмендетеді. Мысалы, максималды қуаттылықты іздеу құрылғысы күн панелінен максималды қуатты алу және оны аккумуляторларға, электр желісіне немесе басқа жүктемелерге тиімді жеткізу үшін қолданылады. Максималды қуат теоремасы оның күн панеліне "жоғары жағындағы" қосылысына қатысты қолданылады, сондықтан ол күн панелінің шығару кедергісіне тең жүктеме кедергісін имитациялайды. Дегенмен, максималды қуат теоремасы оның "төменгі жағындағы" қосылысына қолданылмайды. Бұл қосылыс – кедергілік байланыс; ол тиімділікті арттыру үшін жоғары кернеулі, төмен кедергілі көзді имитациялайды. Электр желісіндегі жалпы жүктеме көбінесе индуктивті болады. Осылайша, қуат коэффициентін түзету көбінесе конденсаторлар тізбегі арқылы жүзеге асырылады. Түзетуді тек бір ғана жиілікте, яғни желінің жиілігінде жүргізу жеткілікті. Жиіліктер диапазонына сәйкес келу қажет болған жағдайда ғана күрделі желілер қажет болады, сондықтан қуат коэффициентін түзету үшін әдетте қарапайым конденсаторлар қолданылады.

Көздің соңындағы кедергі

мұндағы - берілу желісі қайнар көз бен жүктемеде толық сәйкес келген кезде, бір бағыттағы (кез келген бір жағынан екінші жағына) берілу функциясы. Бұл сигналдың транзит кезіндегі барлық өзгерістерін (кешігу, әлсіреу және дисперсияны қоса) ескереді. Егер жүктеме толық сәйкес келсе, және

Телефон жүйелері

Телефон жүйелері алыс қашықтықтағы желілерде эхоны азайту үшін келістірілген кедергілерді де пайдаланады. Бұл беріліс желісі теориясымен байланысты. Келістіру телефондық гибридтік катушканың (2-ден 4-ке сымдарды түрлендіру) дұрыс жұмыс істеуіне де мүмкіндік береді. Сигналдар орталық кеңсеге (немесе коммутаторға) бірдей екі сымды тізбек арқылы жіберіліп, қабылданатындықтан, телефон гарнитурасында жақтағы дыбыстың шамадан тыс естілмеуі үшін жою қажет. Телефон сигналдарының барлық құрылғылары, әдетте, келістірілген кабельге, көздерге және жүктеме кедергілеріне тәуелді болады. Жергілікті желіде таңдалған кедергі 600 Ом (номиналды). Абоненттік желілерге ең жақсы келістіруді қамтамасыз ету үшін коммутаторда терминациялық желілер орнатылады. Әр елдің осы желілерге арналған өз стандарты бар, бірақ олардың барлығы дауыс жиілік диапазонында шамамен 600 Ом-ға жуық болуға есептелген.

Акустика

Электрлік тарату желілеріне ұқсас, дыбыс энергиясын бір ортадан екінші ортаға жеткізген кезде кедергілерді үйлестіру мәселесі туындайды. Егер екі ортаның акустикалық импедансы өте ерекше болса, дыбыс энергиясының көп бөлігі шекарадан өтіп кетпей, кері шағылысады (немесе жұтылады). Медициналық ультрадыбыста қолданылатын гель акустикалық энергияны түрлендіргіштен денеге және кері қайтаруға көмектеседі. Гель болмаса, түрлендіргіш пен ауа арасындағы, сондай-ақ ауа мен дене арасындағы кедергілердің үйлесімсіздігі энергияның көбісін шағылыстырып, дененің ішіне өте аз мөлшерде енеді. Ортаңғы құлақтағы сүйектер барабаншаның (ауадағы дірілдерге түсетін) және сұйықтыққа толы ішкі құлақтың арасында кедергілерді үйлестіреді. Дауыс шығару жүйелеріндегі мүйіздер электр тізбектеріндегі трансформаторлар сияқты түрлендіргіштің кедергісін ауаның кедергісімен сәйкестендіру үшін қолданылады. Бұл принцип мүйізді динамиктерде де, музыкалық аспаптарда да қолданылады. Көптеген драйверлердің кедергілері төмен жиіліктерде еркін ауаның кедергісімен нашар үйлесетіндіктен, динамик корпустары кедергіні үйлестіру және динамик конусының алдыңғы және артқы жағынан шығатын дыбыстардың арасындағы бұрмалаушы фазалық жоюды азайту үшін жасалған. Динамиктен ауада туындайтын дыбыстың күші, динамиктің диаметрі мен шығарылатын дыбыстың толқын ұзындығы арасындағы қатынасқа тікелей байланысты: үлкен динамиктер кішкентай динамиктерге қарағанда жоғары деңгейде төмен жиіліктерді шығара алады. Эллипстік динамиктер күрделі жағдайды білдіреді, олар ұзындығы бойынша үлкен, ал ені бойынша кішкентай динамиктер сияқты әрекет етеді. Акустикалық импедансты үйлестіру (немесе оның болмауы) мегафонның, эхоның және дыбыс оқшаулаудың жұмыс істеуіне әсер етеді.

Оптика

Жарық (немесе кез келген электромагниттік толқын) екі ортаның әртүрлі сындыру индекстері бар шекарасына тигенде ұқсас эффект пайда болады. Магниттік емес материалдар үшін, сындыру индексі материалдың сипаттамалық кедергісіне кері пропорционал. Әрбір орта үшін оптикалық немесе толқын кедергісін (таралу бағытына байланысты) есептеуге болады және оны беру желісінің рефлексия теңдеуінде интерфейстің рефлексия және беру коэффициенттерін есептеу үшін қолдануға болады. Магниттік емес диэлектриктер үшін бұл теңдеу Френель теңдеулерімен сәйкес келеді. Қажетсіз рефлексияларды антирефлекстік оптикалық жабын қолдану арқылы азайтуға болады.

Механика

Егер m массасы бар дене екінші денемен серпімді соқтығысқанда, екінші денеге ең көп энергия берілуі екінші дененің де бірдей m массасына ие болған кезде болады. Тең массалы денелердің бетке шабу соқтығысында, бірінші дененің энергиясы толығымен екінші денеге беріледі (мысалы, Ньютон бесігінде). Бұл жағдайда массалар "механикалық кедергілер" ретінде әрекет етеді, олардың мәндері сәйкес келуі керек. Егер және қозғалмалы және тұрақты денелердің массалары болса, ал P – жүйенің импульсі (соқтығысу кезінде өзгермейді), соқтығысқаннан кейін екінші дененің энергиясы E2 болады:

Бұл қуат беру теңдеуімен аналогтық. Бұл принциптер жоғары энергетикалық материалдарды (жарылғыш заттарды) қолдануда пайдалы. Егер жарылғыш заряд нысанаға орналастырылса, энергияның күрт босауы нысанадағы зарядтың тигізген жерінен радиалды бағытта қысым толқындарын таратуға себеп болады. Қысым толқындары жоғары акустикалық кедергінің сәйкес келмейтін аймақтарына жеткенде (мысалы, нысананың қарама-қарсы жағында), керілу толқындары кері шағылысып, қабыршақтану құбылысын тудырады. Сәйкес келмеушілік қаншалықты жоғары болса, ірілеу және қабыршақтану әсері де соншалықты күшті болады. Ауа қуысы бар қабырғаға қарсы қойылған заряд, топырақпен толтырылған қабырғаға қарсы қойылған зарядтан қабырғаға көбірек зиян келтіреді.