Введение
Гиратор – это пассивный, линейный, без потерь, двухпортовый электрический элемент схемы, предложенный в 1948 году Бернардом Д. Х. Теллегеном как гипотетический пятый линейный элемент после резистора, конденсатора, индуктора и идеального трансформатора.
A gyrator is a passive, linear, lossless, two port electrical network element proposed in 1948 by Bernard D. H. Tellegen as a hypothetical fifth linear element after the resistor, capacitor, inductor and ideal transformer.
Имя
Тельген назвал этот элемент гиратором, объединив слова "гироскоп" и общепринятый суффикс для обозначения устройств – "тор" (как в резисторе, конденсаторе, транзисторе и т.д.). Окончание "тор" звучит еще более уместно в родном голландском языке Тельгена, где соответствующий элемент – трансформатор – называется "трансформатор". Гиратор связан с гироскопом аналогией в их поведении. Эта аналогия обусловлена соотношением между моментом силы и угловой скоростью гироскопа на двух осях вращения: момент силы, приложенный к одной оси, вызывает пропорциональное изменение угловой скорости на другой, и наоборот. Механико-электрическая аналогия, в которой момент силы и угловая скорость соответствуют напряжению и току, приводит к созданию электрического гиратора.
Отношение к идеальному трансформатору
Идеальный гиратор аналогичен идеальному трансформатору тем, что является линейным, без потерь, пассивным, без памяти двухпортовым устройством. Однако, в то время как трансформатор связывает напряжение на порту 1 с напряжением на порту 2, а ток на порту 1 с током на порту 2, гиратор осуществляет перекрестное соединение напряжения с током и тока с напряжением. Последовательное соединение двух гираторов обеспечивает связь напряжения с напряжением, идентичную таковой у идеального трансформатора. Однако гиратор может быть использован в плавающей конфигурации с другим гиратором, при условии, что плавающие "земли" соединены между собой. Это позволяет создать плавающий гиратор, но имитируемая индуктивность между входными выводами пары гираторов должна быть уменьшена вдвое для каждого гиратора, чтобы обеспечить требуемую индуктивность (импедансы последовательно соединенных индукторов складываются). Обычно это не делают, так как это требует еще больше компонентов, чем в стандартной конфигурации, и результирующая индуктивность является следствием двух имитируемых индукторов, каждый из которых имеет половину требуемой индуктивности.
Инверсия импеданса
В микроволновых схемах инверсия импеданса может быть достигнута с использованием четвертьволнового трансформатора импеданса вместо гиратора. Четвертьволновой трансформатор является пассивным устройством и значительно проще в изготовлении, чем гиратор. В отличие от гиратора, трансформатор – это взаимный компонент. Трансформатор представляет собой пример схемы с распределёнными элементами.
В других энергетических областях
Аналоги гиратора существуют в других энергетических областях. Аналогия с механическим гироскопом уже была отмечена в разделе, посвященном наименованию. Кроме того, при анализе систем, включающих несколько энергетических областей, как единой системы посредством аналогий, таких как механико-электрические аналогии, преобразователи между этими областями рассматриваются либо как трансформаторы, либо как гираторы, в зависимости от того, какие переменные они преобразуют. Электромагнитные преобразователи преобразуют ток в силу, а скорость – в напряжение. Однако, в аналогии с импедансом сила является аналогом напряжения, а скорость – аналогом тока, следовательно, электромагнитные преобразователи в этой аналогии выступают в роли гираторов. С другой стороны, пьезоэлектрические преобразователи являются трансформаторами (в той же аналогии). Таким образом, еще один возможный способ создания электрического пассивного гиратора – использовать преобразователи для перехода в механическую область и обратно, подобно тому, как это делается с механическими фильтрами. Такой гиратор можно реализовать с помощью одного механического элемента, используя мультиферроический материал и его магнитоэлектрический эффект. Например, катушка с током, расположенная вокруг мультиферроического материала, вызовет вибрацию благодаря магнитострикционному свойству мультиферроика. Эта вибрация, в свою очередь, индуцирует напряжение между электродами, встроенными в материал, благодаря пьезоэлектрическим свойствам мультиферроика. Общий эффект заключается в преобразовании тока в напряжение, что приводит к гираторному действию.