Linii electrice finite

Linii electrice finite

Scop

O linie de transmisie infinita, precum cea considerata in sectiunea precedenta, este imposibil de realizat din punct de vedere fizic, prin urmare, comportamentul lor nu va fi exact acelasi precum o linie finita.

Totusi, cunoasterea/calcularea impedantei caracteristice a liniilor de transmisie este importanta si atunci cand avem de a face cu lungimi finite. Daca celalalt capat al unei liniei de transmisie finite este deschis, unda de curent ce se propaga in lungimea conductorului trebuie sa se opreasca la un moment dat, din moment ce electronii nu se pot deplasa intr-un circuit deschis. Aceasta intrerupere abrupta a curentului la sfarsitul liniei produce o "ingramadire" de electroni de-a lungul liniei de transmisie, pentru ca acestia nu au unde sa se deplaseze.

Unda incidenta si unda reflectata

Daca ne imaginam un tren lung in miscare, cu o anumita cursa intre vagoane, iar primul vagon (sau locomotiva) se opreste brusc intr-un parapet fix, acesta se va opri; urmarea este ca toate celelalte vagoane din urma lui se vor opri rand pe rand, dupa ce fiecare parcurge "cursa" sa. Trenul nu se opreste deodata, ci fiecare vagon pe rand, de la primul, pana la ultimul.

Unda incidenta

Propagarea unui semnal de la sursa pana la capatul unei linii de transmisie (spre sarcina), poarta numele de unda incidenta.

Unda reflectata

Propagarea unui semnal de la sarcina (capatul liniei) spre sursa, poarta numele de unda reflectata

Aceasta "ingramadire" de electroni se propaga inapoi spre baterie, curentul prin baterie inceteaza, iar linia electrica se comporta precum un circuit deschis. Toate aceste lucruri au loc foarte rapid pentru o linie de transmisie de lungime rezonabila, prin urmare, un ohmmetru nu poate masura aceasta perioada foarte scurta de timp in care linia se comporta precum un rezistor. Pentru o linie de aproximativ un kilometru, cu un factor de viteza de 0,66, durata de deplasare a semnalului de la un capat la celalalt este de aproximativ sase microsecunde (3*10^-6). Prin urmare, semnalul reflectat ajunge inapoi la sursa in aproximativ 12µs, dupa care, linia de transmisie se comporta precum un circuit deschis.

Utilizarea reflectometrelor

Exista aparate ce pot masura acest interval foarte scurt de timp de la sursa la capatul liniei si inapoi, si pot fi folosite pentru masurarea lungimilor cablurilor. Aceasta tehnica poate fi folosita si pentru determinarea prezentei cat si a locatiei unei intreruperi intr-unul sau in ambii conductori ai unei linii de transmisie, deoarece curentul se va "reflecta" din locul intreruperii la fel cum se reflecta si intr-un circuit deschis. Astfel de instrumente poarta numele de reflectometre, iar principiul de functionare este identic cu cel al sonarelor: generarea unui puls sonor si masurarea timpului necesar pentru intoarcerea ecoului.

Un fenomen similar are loc daca scurt-circuitam capatul liniei de transmisie: cand unda de tensiune ajunge la capatul liniei, aceasta este reflectata inapoi spre sursa, deoarece tensiunea nu poate exista intre doua puncte comune din punct de vedere electric. Cand unda reflectata ajunge inapoi la sursa, din punctul de vedere al sursei, intreaga linie de transmisie este scurt-circuitata. Din nou, acest lucru se intampla 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 in ce mai slaba pe masura ce se propaga in lungimea liniei si nu se reflecta niciodata inapoi spre sursa.

Totusi, daca celalalt capat al firului este fixat intr-un punct in care amplitudinea semnalului nu este inca zero, in lungul sforii va aparea o a doua unda, reflectata inapoi spre mana.

Observatii

De obicei, rolul unei linii de transmisie este propagarea (transportul) energiei electrice dintr-un punct in altul. Dar, chiar daca semnalele sunt folosite doar pentru transmitere de informatii, si nu pentru alimentarea unei sarcini, situatia ideala ar fi ca semnalul original sa fie transmis de la sursa spre sarcina si absorbit complet de aceasta, pentru un raport semnal/zgomot cat mai bun. Prin urmare, "pierderile" din lungul liniilor de transmisie sunt nedorite, la fel ca si undele reflectate, deoarece energia reflectata reprezinta energie ce nu este transmisa sarcinii.

Eliminarea reflexiei liniilor de transmisie

Reflexiile liniilor de transmisie pot fi eliminate daca impedanta sarcinii este egala cu impedanta liniei. De exemplu, un cablu coaxial de 50 Ω, ce este fie deschis, fie scurtcircuitat, va reflecta intreaga energie incidenta inapoi spre sursa. Daca vom conecta insa un rezistor de 50 Ω la celalalt capat al cablului, intreaga energia se va disipa pe acesta si nu vor exista unde reflectate inapoi spre sursa.

In principiu, un rezistor a carei impedanta (rezistenta) este exact impedanta naturala (impedanta caracteristica a liniei), conectat la capatul liniei de transmisie, face ca linia sa "para" infinit de lunga din punctul de vedere al sursei, deoarece un rezistor poate disipa energie pentru o durata infinita, in aceeasi masura in care o linie de transmisie infinita poate absorbi energie pentru o durata de timp infinita.

In cazul in care rezistenta nu este perfect egala cu impedanta caracteristica a liniei de transmisie, vor aparea unde reflectate inapoi spre sursa, cel putin partial.

Re-reflexia undei

Se poate intampla ca unda reflectata sa fie re-reflectata de catre sursa, daca impedanta interna (impedanta Thevenin echivalenta) a sursei nu este exact egala cu impedanta caracteristica a liniei. O unda reflectata pe sursa va fi disipata in intregime, daca impedanta sursei este egala cu cea a liniei, dar va fi reflectata inapoi pe linie precum orice alta unda, cel putin partial, daca impedanta sursei nu este egala cu cea a liniei. Acest tip de reflexii pot fi suparatoare, deoarece aparent, reflexia undei de catre sursa duce la impresia ca aceasta tocmai a emis un puls nou.