3. Linii electrice finite

Acasă » Curent alternativ » 12 - Linii electrice lungi

Scop

O linie de transmisie infinită, precum cea considerată în secţiunea precedentă, este imposibil de realizat din punct de vedere fizic, prin urmare, comportamentul lor nu va fi exact acelaşi precum o linie finită.

Totuşi, cunoaşterea/calcularea impedanţei caracteristice a liniilor de transmisie este importantă şi atunci când avem de a face cu lungimi finite. Dacă celălalt capăt al unei liniei de transmisie finite este deschis, unda de curent ce se propagă în lungimea conductorului trebuie să se oprească la un moment dat, din moment ce electronii nu se pot deplasa într-un circuit deschis. Această întrerupere abruptă a curentului la sfârşitul liniei produce o „îngrămădire” de electroni de-a lungul liniei de transmisie, pentru că aceştia nu au unde să se deplaseze.

Unda incidentă şi unda reflectată

Dacă ne imaginăm un tren lung în mişcare, cu o anumită cursă între vagoane, iar primul vagon (sau locomotiva) se opreşte brusc într-un parapet fix, acesta se va opri; urmarea este că toate celelalte vagoane din urma lui se vor opri rând pe rând, după ce fiecare parcurge „cursa” sa. Trenul nu se opreşte deodată, ci fiecare vagon pe rând, de la primul, până la ultimul.

Unda incidentă

Propagarea unui semnal de la sursă până la capătul unei linii de transmisie (spre sarcină), poartă numele de undă incidentă.

Unda reflectată

Propagarea unui semnal de la sarcină (capătul liniei) spre sursă, poartă numele de undă reflectată

Această „îngrămădire” de electroni se propagă înapoi spre baterie, curentul prin baterie încetează, iar linia electrică se comportă precum un circuit deschis. Toate aceste lucruri au loc foarte rapid pentru o linie de transmisie de lungime rezonabilă, prin urmare, un ohmmetru nu poate măsura această perioadă foarte scurtă de timp în care linia se comportă precum un rezistor. Pentru o linie de aproximativ un kilometru, cu un factor de viteză de 0,66, durata de deplasare a semnalului de la un capăt la celălalt este de aproximativ şase microsecunde (3*10^-6). Prin urmare, semnalul reflectat ajunge înapoi la sursă în aproximativ 12µs, după care, linia de transmisie se comportă precum un circuit deschis.

Utilizarea reflectometrelor

Există aparate ce pot măsura acest interval foarte scurt de timp de la sursă la capătul liniei şi înapoi, şi pot fi folosite pentru măsurarea lungimilor cablurilor. Această tehnică poate fi folosită şi pentru determinarea prezenţei cât şi a locaţiei unei întreruperi într-unul sau în ambii conductori ai unei linii de transmisie, deoarece curentul se va „reflecta” din locul întreruperii la fel cum se reflectă şi într-un circuit deschis. Astfel de instrumente poartă numele de reflectometre, iar principiul de funcţionare este identic cu cel al sonarelor: generarea unui puls sonor şi măsurarea timpului necesar pentru întoarcerea ecoului.

Un fenomen similar are loc dacă scurt-circuităm capătul liniei de transmisie: când unda de tensiune ajunge la capătul liniei, aceasta este reflectată înapoi spre sursă, deoarece tensiunea nu poate exista între două puncte comune din punct de vedere electric. Când unda reflectată ajunge înapoi la sursă, din punctul de vedere al sursei, întreaga linie de transmisie este scurt-circuitată. Din nou, acest lucru se întâmplă foarte rapid.

Explicarea reflexiei liniilor de transmisie

Putem ilustra acest fenomen de reflexie al liniilor de transmisie cu un experiment simplu.

Acest lucru este analog unei linii de transmisie cu pierderi interne: puterea semnalului este din ce în ce mai slabă pe măsură ce se propagă în lungimea liniei şi nu se reflectă niciodată înapoi spre sursă.

Totuşi, dacă celălalt capăt al firului este fixat într-un punct în care amplitudinea semnalului nu este încă zero, în lungul sforii va apărea o a doua undă, reflectată înapoi spre mână.

Observaţii

De obicei, rolul unei linii de transmisie este propagarea (transportul) energiei electrice dintr-un punct în altul. Dar, chiar dacă semnalele sunt folosite doar pentru transmitere de informaţii, şi nu pentru alimentarea unei sarcini, situaţia ideală ar fi ca semnalul original să fie transmis de la sursă spre sarcină şi absorbit complet de aceasta, pentru un raport semnal/zgomot cât mai bun. Prin urmare, „pierderile” din lungul liniilor de transmisie sunt nedorite, la fel ca şi undele reflectate, deoarece energia reflectată reprezintă energie ce nu este transmisă sarcinii.

Eliminarea reflexiei liniilor de transmisie

Reflexiile liniilor de transmisie pot fi eliminate dacă impedanţa sarcinii este egală cu impedanţa liniei. De exemplu, un cablu coaxial de 50 Ω, ce este fie deschis, fie scurtcircuitat, va reflecta întreaga energie incidentă înapoi spre sursă. Dacă vom conecta însă un rezistor de 50 Ω la celălalt capăt al cablului, întreaga energia se va disipa pe acesta şi nu vor exista unde reflectate înapoi spre sursă.

În principiu, un rezistor a cărei impedanţă (rezistenţă) este exact impedanţa naturală (impedanţa caracteristică a liniei), conectat la capătul liniei de transmisie, face ca linia să „pară” infinit de lungă din punctul de vedere al sursei, deoarece un rezistor poate disipa energie pentru o durată infinită, în aceeaşi măsură în care o linie de transmisie infinită poate absorbi energie pentru o durată de timp infinită.

În cazul în care rezistenţa nu este perfect egală cu impedanţa caracteristică a liniei de transmisie, vor apărea unde reflectate înapoi spre sursă, cel puţin parţial.

Re-reflexia undei

Se poate întâmpla ca unda reflectată să fie re-reflectată de către sursă, dacă impedanţa internă (impedanţa Thevenin echivalentă) a sursei nu este exact egală cu impedanţa caracteristică a liniei. O undă reflectată pe sursă va fi disipată în întregime, dacă impedanţa sursei este egală cu cea a liniei, dar va fi reflectată înapoi pe linie precum orice altă undă, cel puţin parţial, dacă impedanţa sursei nu este egală cu cea a liniei. Acest tip de reflexii pot fi supărătoare, deoarece aparent, reflexia undei de către sursă duce la impresia că aceasta tocmai a emis un puls nou.