Согласованная нагрузка: теоретические основы практической пользы

В учебной литературе согласование с нагрузкой рассматривается чаще всего применительно к волновым свойствам длинной линии при передаче высокочастотного сигнала. В этой же статье подробно рассмотрен вопрос передачи в нагрузку максимальной мощности электрической энергии или сигнала и дано соответствующее определение понятия "согласованная нагрузка". Отдельно рассмотрен способ согласования с нагрузкой при помощи согласующего трансформатора. Статья будет полезна студентам радиотехнических специальностей, а также широкому кругу радиолюбителей.

идеального согласующего трансформатора

Жаль что такого нет в природе.

RadioKoteg:
^{идеального согласующего трансформатора}
Жаль, что такого нет в природе.

И не надо. Изготовить, например, согласующий ШПТЛ для диапазона частот в пределах двух-трёх октав не сложно, при этом от "идеального" он будет отличаться всего на несколько процентов. Суть не в этом.

В Википедии, в статье Внутреннее сопротивление я наткнулся на т.н. "согласование по напряжению" и "согласование по току" путем... соответственно бесконечного увеличения и уменьшения сопротивления нагрузки. (?!) Мне это показалось сущей бессмыслицей. Согласование - это когда к имеющемуся источнику сигнала с уже определёнными параметрами надо подключить вполне конкретную нагрузку. Так вот согласование источника сигнала с нагрузкой даёт и максимальную мощность в нагрузке, и максимальное напряжение на ней, и максимальный ток в ней. Если источником сигнала служит, например, усилительный каскад, то согласование с его нагрузкой даёт максимальный коэффициент усиления, в том числе по напряжению, и т.д., и т.п.

semizador
согласование по напряжению.......Мне это показалось сущей бессмыслицей.

А я с удовольствием использую такое согласование.
Это короткая балконная антенна с антенным усилителем на полевом транзисторе.

semizador В ШПТЛ и в ШПТДЛ есть свои проблемы с некоторыми коэффициентами трансформации при практических реализациях. Вот почему я не считаю это панацеей на все случаи жизни.


"согласование по напряжению" и "согласование по току" путем... соответственно бесконечного увеличения и уменьшения сопротивления нагрузки. (?!)

В принципе так правильней потому что относительно напряжений токов сопротивление является неизвестной величиной.

В общем я против вас ничего не имел ввиду, и так и так правильно, для общепринятых устоявшихся сопротивлений для нас "практиков" цифры 50 75 150 300 Ом естественно будут правильней с ваше стороны, но для например кварцевых фильтров все до наоборот плясать от токов и напряжений.

Valery, Вы используете не "согласование по напряжению" , а бесконечно большой ( в идеале) Кпер по мощности полевого транзистора в первую очередь и его большое входное сопротивление уже потом. Можно же было согласовать вашу короткую антенну и при помощи индуктивности, но сигнал Вы получили б значительно меньший, да и подстраивать пришлось бы этот контур.
Ваша антенна имеет очень низкое омическое сопротивление и очень большое емкостное (конкретизировал), так вот вы используете усилитель в первую очередь с низкой входной емкостью коим является ИП или ЭП для того, что бы не возиться с согласованием реактивностей.

Я всегда понимал "согласование по напряжению (току)", как согласование уровней этих напряжений (токов). В http://ru.wikipedia.org/wiki/Внутреннее_сопротивление они, ИМХО, слегка намудрили.
Проще было написать "работа на ХХ или при КЗ".

слегка намудрили

Не сильно :)
Вот название лабораторной работы по ТОЭ в МЭИ:

"Согласование источника и нагрузки по напряжению, току и мощности"

Valery, я уже далек от лаб. работ и учебы. Не помню, чтоб использовал термины типа Согласование источника и нагрузки по напряжению, току, мне более понятны те , что я привел.Я не возражаю против них. Согласование по мощности - есть такой термин и его употреблял точно.

ats52
Согласование по мощности - есть такой термин и его употреблял точно.

Мы привыкли рассматривать только слаботочные цепи.
А посчитайте потери при передаче мощности на согласованную нагрузку от Красноярской ГЭС :)

.....

А посчитайте потери при передаче мощности на согласованную нагрузку от Красноярской ГЭС :)

А никто и не ставит задачу выкачать из ГЭС максимально возможную мощность- это для неё закончится плачевно. А расчётная мощность- эта та мощность, которую способна выдать электростанция, не выходя за диапазон допустимых механических нагрузок и минимальных напряжений на выходе.
По моему, применительно к силовой низкочастотной технике, только из солнечной батареи допускается высасывать максимально возможную мощность, для всех остальных источников энергии, это весьма чревато...

ats52
Можно же было согласовать вашу короткую антенну и при помощи индуктивности, но сигнал Вы получили б значительно меньший, да и подстраивать пришлось бы этот контур.

Вы не уточнили, про какую индуктивность пишите. Так, например, поставив правильную индуктивность параллельно входу полевика, Вы получите заметно лучшее согласование по мощности, и, естественно, значительный прирост полезного сигнала на затворе, если очень повезёт, то согласование может оказаться и идеальным...

Igor 2, я имел в виду согласование на сопротивление равное сопротивлению антенны, т.е. без использования полевика и без трансформирующих свойств контура.

Valery:
^{semizador
согласование по напряжению.......Мне это показалось сущей бессмыслицей.}
А я с удовольствием использую такое согласование.
Это короткая балконная антенна с антенным усилителем на полевом транзисторе.

Речь идет о передаче в нагрузку максимальной мощности от источника сигнала, в чём, собственно, и состоит согласование одной с другим. А транзисторный усилительный каскад, управляемый входным сигналом, передает в нагрузку его некое подобие путем трансформации тока, потребляемого от источника питания. Где-то читал или кто-то из моих преподавателей в КПИ как-то сказал, что на заре транзисторной техники транзистор называли "трансформатором постоянного тока"...

Где-то читал или кто-то из моих преподавателей в КПИ как-то сказал, что на заре транзисторной техники транзистор называли "трансформатором постоянного тока"...

Транзи́стор (от англ. transfer — переносить и resistance — сопротивление или transconductance — активная межэлектродная проводимость и varistor — переменное сопротивление)

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать)

В любом случае для получения максимального соотношения сигнал/шум, должно быть согласование сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением каскада. А когда это неактуально, или трудно выполнимо, как правило, делают согласование по напряжению, т. е. резко повышают входное сопротивление усилителя. Например, так работают все усилители воспроизведения в магнитофонах, ЭПУ, бОльшая часть бытовых микрофонных усилителей. Да и тяжело обеспечить согласование по сопротивлению, когда сопротивление источника в рабочем диапазоне частот сильно изменяется...

Igor 2, Я согласный с semizadorом. Согласование по сопротивлению - с одной стороны сопротивление какое-то и с другой стороны какое-то и эти сопротивления согласованы, нисего непонятного нет.
В случае с "согласованием по напряжению" какое напряжение мы согласовываем с каким? Объяснить трудно, т.к. со второй стороны не напряжение, а высокое сопротивление, по-этому и бессмыслица. ИМХО, термин не корректный.

Распечатать и выучить как таблицу умножения :

Согласование источника и нагрузки
Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения заданных свойств полученной системы (как правило, стараются достичь максимального значения какого-либо параметра для данного источника). Наиболее часто используются следующие типы согласования:

Согласование по напряжению — получение в нагрузке максимального напряжения. Для этого сопротивление нагрузки должно быть как можно бо́льшим, по крайней мере, много больше, чем внутреннее сопротивление источника. Другими словами, двухполюсник должен быть в режиме холостого хода. При этом максимально достижимое в нагрузке напряжение равно ЭДС генератора напряжения E. Данный тип согласования применяется в электронных системах, когда носителем сигнала является напряжение, и его необходимо передать от источника к нагрузке с минимальными потерями.

Согласование по току — получение в нагрузке максимального тока. Для этого сопротивление нагрузки должно быть как можно меньшим, по крайней мере, много меньше, чем внутреннее сопротивление источника. Другими словами, двухполюсник должен быть в режиме короткого замыкания. При этом максимально достижимый в нагрузке ток равен Imax=E/r. Применяется в электронных системах, когда носителем сигнала является ток. Например, при съеме сигнала с быстродействующего фотодиода целесообразно применять преобразователь ток-напряжение с минимальным входным сопротивлением. Малое входное сопротивление также решает проблему заужения полосы из-за паразитного RC-фильтра.

Согласование по мощности — обеспечивает получение в нагрузке (что эквивалентно отбору от источника) максимально возможной мощности, равной Pmax=E²/(4r). В цепях постоянного тока: сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению r источника. В цепях переменного тока (в общем случае): импеданс нагрузки должен быть комплексно сопряженным внутреннему импедансу источника.

Согласование по волновому сопротивлению — получение максимального коэффициента бегущей волны в линии передачи (в СВЧ технике и теории длинных линий). То же самое, что и согласование по мощности, но применительно к длинным линиям. Волновое сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению r.
В СВЧ технике применяется практически всегда. Чаще всего термин согласованная нагрузка используется именно в этом смысле.

Согласование по току и мощности следует использовать с осторожностью, так как есть опасность перегрузить источник... и повредить его , если нет защиты ...

Igor 2, Я согласный с semizadorом. Согласование по сопротивлению - с одной стороны сопротивление какое-то и с другой стороны какое-то и эти сопротивления согласованы, нисего непонятного нет.

"Согласование по напряжению"- не более чем игра слов, как правильно отметил TUL, это всего лишь обозначает, что сопротивление нагрузки заметно превышает внутреннее сопротивление генератора. Если откинуть радиотехнику, то более чем в 90% случаев применяется именно оно- питание от сети 220 вольт, от большинства химических и механических источников тока, практически вся звукотехника как по входу, так и по выходу, и т. д. и т. п.

питание от сети 220 вольт
Подпадает под определение : источник переменного тока с фиксированным напряжением 220 V .
от большинства химических и механических источников тока,
Например аккумуляторы , батарейки ... с фиксированным напряжением .
Здесь уже пойдут термины из ГОСТов и согласование в другом , не перегрузить нагрузкой - потребителями , т. е. не навредить .

Согласование по напряжению — получение в нагрузке максимального напряжения. Для этого сопротивление нагрузки должно быть как можно бо́льшим, по крайней мере, много больше, чем внутреннее сопротивление источника. ....
...когда носителем сигнала является напряжение, и его необходимо передать от источника к нагрузке с минимальными потерями.
И главное с минимальными искажениями , т. к. информация в сигнале .
Пьезодатчики и не только .
Например в ширпотребе пьезозвукосниматель для проигрывателя всеми забытых пластинок , и пьезозвукосниматель для разных гитар .

...схемы, модификации —› Согласованная нагрузка: теоретические основы практической пользы
___
Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения заданных свойств полученной системы (как правило, стараются достичь максимального значения какого-либо параметра для данного источника).

Электрика построена на двух крайностях : проводник - провод и не проводник - изолятор .
Радиотехника без крайностей : проводник - провод , не проводник - изолятор и полупроводники .
Тему можно закрыть .

Подпадает под определение : источник переменного тока с фиксированным напряжением 220 V .

Да нет, внутреннее сопротивление, несомненно, имеется. У меня в лаборатории, например, 1 Ом. И, соответственно, и согласование по мощности не вопрос сделать нагрузкой на 110 вольт. Моща пойдёт. Целых 48 кВт. Но ненадолго...

И главное с минимальными искажениями , т. к. информация в сигнале .
Пьезодатчики и не только .

Ну, искажения- то в классическом их понимании (КНИ), от согласования не зависят, разве что, форма АЧХ.

TUL:Распечатать и выучить как таблицу умножения :

Согласование источника и нагрузки
Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения

У вас в квартире есть радиоточка, а в кармане - динамик. Каким образом я могу "выбрать соотношение" выходного сопротивления активного двухполюсника с зажимами на радиорозетке и динамика? Бессмыслица самоочевидная. Суть в том, что если динамик подключить к радиорозетке напрямую, то радио будет едва слышно, а вот подключение через согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации как в формуле (13) позволяет получить в динамике наибольшую из всех возможных мощность звукового сигнала.

Поэтому чушь, приведенную в Википедии, я ни распечатывать, ни тем более заучивать и сам не буду, и вам не рекомендую.

semizador
если динамик подключить к радиорозетке напрямую, то радио будет едва слышно

Нееаа....
Орет, как бешеный :)

Суть в том, что если динамик подключить к радиорозетке напрямую, то радио будет едва слышно, а вот подключение через согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации как в формуле (13) позволяет получить в динамике наибольшую из всех возможных мощность звукового сигнала.


Но если в щитке убрать ограничительные резисторы (там стоят две штуки по 430 Ом для ограничения тока) то впору подключать колонки S-90 без всяких трансформаторов.

semizador
Пришлось как то работать в одной конторе , так соседняя группа занимались разработкой электроники во взрывобезопасном исполнении , в основном для мин. хим. прома . Так вся принципиальная электрическая схема прибора разрабатывалась в полном соответствии Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения искробезопасности
по таким нормам , ОСТам и ГОСТам , о которых и не подозревал , что они есть .

... Юристы говорят: "Незнание закона не освобождает от ответственности", однако ни в одном нормативном акте эта истина не прописана, ...
Аналогичная вольная трактовка , некоторых , пока не приспичит .
Приспичит ( приспичить ) : ... Ну, енто, когда спичка застревает в центре твоей аватарки ... Ой, Ляля. Не дай тебе бог испытать это ...

RadioKoteg:
Но если в щитке убрать ограничительные резисторы (там стоят две штуки по 430 Ом для ограничения тока) то впору подключать колонки S-90 без всяких трансформаторов.

Ну вы же понимаете, что такой способ "согласования" не всем подходит...

Valery:
^{если динамик подключить к радиорозетке напрямую, то радио будет едва слышно}
Нееаа.... Орет, как бешеный :)

Значит уже "согласовали"...