Benötigen Sie Hilfe, um eine grundlegende Intuition in Bezug auf Wandergewebe von Übertragungsleitungen zu erlangen?

Das ist eine wirklich gute Frage, die von vielen missverstanden wird.

Ein Schlüssel ist, zu erkennen, dass es nicht Elektronen sind, die die Leitung hinunterwandern, sondern tatsächlich eine VERÄNDERUNG im elektrischen FELD, das die Leitung hinunterfährt. Die Elektronen selbst bewegen sich viel langsamer, da der Draht aus Molekülen in einer Kristallstruktur besteht und die Elektronen ständig mit anderen Molekülen und Elektronen zusammenstoßen. Das Feld drängt sie in eine allgemeine Richtung, aber sie bewegen sich nicht annähernd so schnell wie das Feld.

Wenn Sie sich an die Grundlagen der Physik erinnern, existiert ein elektrisches Feld zwischen zwei beliebigen Punkten, zwischen denen eine Spannungsdifferenz besteht. Die Stärke dieses Feldes hängt von dem Material ab, das den Raum zwischen diesen beiden Punkten ausfüllt.

Auf einer Übertragungsleitung beginnen Sie mit einer stationären Situation, in der die Spannung konstant ist und das Feld daher konstant ist. Sie ändern dann abrupt dieses Feld an einem Ende der Zeile. Die ÄNDERUNG im Feld breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit entlang der Leitung aus, wenn das Material zwischen den Drähten freier Raum ist, oder etwas langsamer, je nach Material (als Dielektrikum bezeichnet). In einem Koaxialkabel ist es nahe der Lichtgeschwindigkeit, in einer Leiterplatte ist es etwa die halbe Lichtgeschwindigkeit. Die Faustregel für PCB lautet 2 ns pro Fuß oder 180 ps pro Zoll. Bei Lichtgeschwindigkeit würde sich die Welle mit etwa 1 ns pro Fuß ausbreiten.

Eine gute Analogie ist eine Welle im Wasser. Beginnen Sie mit einer glatten Wasseroberfläche. Lass einen Stein in die Mitte fallen. Eine Welle breitet sich vom Felsabwurfpunkt mit einiger Geschwindigkeit nach außen aus. Die einzelnen Wassermoleküle wandern nicht mit der Welle. Sie bewegen sich meistens nur auf und ab, wenn die Welle vorbeizieht. Sie werden sich wahrscheinlich ein wenig in Richtung der Welle bewegen, aber viel langsamer, als sich die Welle tatsächlich bewegt.

Es gibt auch eine Analogie dafür, wie die Welle im Wasser abprallt, wenn sie auf eine Wand trifft, was wie ein offener Stromkreis im elektrischen Gehäuse ist. Aber ich müsste die Analogie für einen Kurzschluss und eine gut abgeschlossene Leitung nachschlagen!

Noch eine Analogie: Sie können sich eine Übertragungsleitung als eine Reihe von Kondensatoren vorstellen. Während sich das Feld entlang der Leitung ausbreitet, laden Sie jeden Kondensator nacheinander auf. Beim Laden muss ein gewisser Strom von einem Draht zum anderen fließen, bis der Kondensator die Feldspannung erreicht. Der tatsächliche Wert des Kondensators und der Widerstand, den der Strom sieht, hängt vollständig von der physikalischen Beschaffenheit der Struktur ab: dem Abstand zwischen den Drähten, dem dielektrischen Material in diesem Abstand usw., also basierend auf der Spannungsänderung (Delta V). , lässt sich etwas Strom fließen, um die Kondensatoren aufzuladen (Delta I), und Sie können daher einen äquivalenten Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz berechnen: Delta R = Delta V / Delta I. Dies wird als charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung bezeichnet, auch bezeichnet als Z0.

Im freien Raum und bei weit auseinander liegenden Leitungen erreicht man für Z0 eine Grenze von etwa 120 Ohm. Bei Leiterplatten ist es üblich, Leitungen zu haben, die zwischen 30 Ohm und 70 Ohm liegen, basierend auf der Breite der Leiterbahnen, dem Abstand zwischen ihnen und dem dielektrischen Material der Leiterplatte zwischen ihnen.

Ich weiß, das wird lang und wortreich, aber wenn das Feld endlich das Ende der Zeile erreicht, sieht es endlich, was da ist. Dies ist eine Randbedingung, auf die das Feld reagieren muss. Wenn es sich um einen offenen Stromkreis handelt, fließt am Ende der Leitung zwischen den beiden Drähten kein Strom. ABER es gibt dieses Delta I, das passiert ist, und wegen der Induktivität der Leitung (ich weiß, ich habe es noch nicht erwähnt, aber es gibt dort auch eine Induktivität) kann der Strom nicht sofort stoppen, also tritt er ins Gegenteil Spannung, die eine Änderung des elektrischen Feldes verursacht, das sich dann wieder in der Leitung IN DER ANDEREN RICHTUNG ausbreitet!!! Wenn diese Feldänderung auf die ursprüngliche Quelle trifft, sieht sie eine gewisse Impedanz und reagiert entsprechend und ändert die Feldspannung erneut, die sich bis zum Ende ausbreitet, und so weiter und so weiter.

Wenn am Ende der Leitung ein Widerstand vorhanden ist, der mit Z0 der Leitung übereinstimmt, passt er perfekt zu Delta V und Delta I, das die Leitung hinunterkommt, und es ergibt sich keine Änderung des Felds, sodass keine Reflexionen auftreten. das nennt man eine perfekt abgeschlossene Übertragungsleitung.

Sie können zu Ihrem Murmeln-Analog zurückkehren. Es ist vorteilhaft, da es viele Aha-Erlebnisse enthält, die das Verhalten elektrischer Übertragungsleitungen offenbaren.

Verbessern Sie zuerst die Murmeln, damit sie besser zu einem Stromkreis passen: Verpacken Sie sie fest und ohne Lücken. Fügen Sie dann weitere Murmeln in die Röhre hinzu, sodass eine immense Kraft sie rund um die Röhre zusammendrückt: Tausende von Pfund. Schließlich machen Sie die Röhre viel länger, vielleicht ein paar Meilen. Drücken Sie es in eine ovale "Rennstrecken" -Form, damit es eher wie zwei parallele Rohre aussieht. Und machen Sie es natürlich reibungsfrei, damit es zu idealen Null-Ohm-Leitern passt.

Wenn Sie jetzt ein paar Murmeln schieben und die gesamte Murmelkette in Bewegung setzen, sehen Sie Wellen. Die erste Murmel verringert die Kraft auf die hintere, die sich auf sie zubewegt. Dies geschieht der Reihe nach, wobei jede Murmel die vorherige nach vorne "zieht", wenn die große Kompressionskraft etwas geringer wird. Auch die Murmel, die Sie vorwärts geschoben haben, schiebt sie auf die nächste, die auf die nächste schiebt, wobei sich jeder von der erhöhten Kraft vorwärts bewegt.

Ein Paar extrem schneller Wellen fliegen von der Position Ihrer Hand aus. Dies sind natürlich Schallwellen, die sich in Glas mit Schallgeschwindigkeit bewegen (vorausgesetzt, Glasmurmeln!). Die Welle, die sich rückwärts gegen die Bewegung von Murmeln ausbreitet, ist eine Niederdruckwelle, während die Welle, die sich entlang der sich vorwärts bewegenden Murmeln ausbreitet, Hochdruck ist .

Insbesondere wenn die Murmeln sich nicht bewegten und Sie dann einige ergriffen und sie vorwärts gezwungen haben, dann sind diese beiden Wellen „Startwellen“. Nachdem jede Welle vorbei ist, bewegen sich die Murmeln. Bevor die Wellen ankommen, „wissen“ die fernen Murmeln noch nicht, dass Sie an ihrer Kette schieben. Ähnliche Wellen treten auf, wenn Sie die sich bewegende Kette greifen und sie zum Stoppen zwingen. Wellen gehen von der Position Ihrer Hand aus, eine Welle fliegt entlang der Kette rückwärts und eine vorwärts. Die weit entfernten Murmeln bewegen sich immer noch, aber dann kommt die "Stoppwelle" und sie halten an.

In Ihrer Murmelröhre ist der Fluss der Murmeln analog zu elektrischem Strom, und er ist mit dem Magnetfeld verbunden, das einen Draht umgibt. Die Längskompression (und die höhere oder niedrigere Dichte) der Murmeln ist analog zur Spannung und ist außerhalb eines geladenen Drahtes mit dem E-Feld verbunden.

Denken Sie zum Schluss darüber nach, wie sich das Murmelschieben anfühlt. Wenn Sie Murmeln greifen und schieben, stoßen Sie auf eine große Trägheit und Sie verrichten Arbeit, da die schnellen Wellen alle Murmeln in Bewegung setzen. Sie erleben die "Leitungsimpedanz". Es fühlt sich wie Reibung an, obwohl diese Murmeln reibungsfrei sind. Warte nun, bis die Wellen den Hoola-Hoop umkreisen und zurückkehren. Wenn sie deine Hand treffen, wird deine Hand plötzlich nach vorne gerissen! Ihr Reifen ist ein Kurzschluss. Wenn die Wellen also das andere Ende der Schleife passieren, "reflektieren" sie, wenn die positive Welle in das gegenüberliegende Rücklaufrohr und die negative Welle in das andere Rohr gelangt. (Lassen Sie die Murmeln an diesem Punkt los. Sie werden sehen, dass sie sich weiter bewegen, aber mit wiederholten Rucken, wenn die Wellen um und um die Schleife herumlaufen.

Setzen Sie sich schließlich hin und messen Sie die scheinbare Reibung, die Sie erfahren, wenn Sie versuchen, die Murmeln in Bewegung zu setzen. Finden Sie die Kraft und Geschwindigkeit der Murmel und berechnen Sie die Reibung. Fügen Sie nun den Murmeln am anderen Ende Ihrer "Zwei-Draht-Schleife" eine Reibungsbremse hinzu. Sie haben jetzt den Wert der Leitungsimpedanz genommen und dann am anderen Ende einen Abschlusswiderstand platziert. ein Widerstand mit dem gleichen Wert wie die Impedanz der komprimierbaren Marmorsäule. Wenn Sie jetzt die Murmeln in Bewegung setzen, gibt es keine zurückkehrenden Wellen! Ein Widerstand mit dem gleichen Wert der Leitungsimpedanz? Es ist auch derselbe Wert, der erforderlich ist, um alle Murmelwellen, die darauf treffen, durch Reibung zu absorbieren.

Hausaufgabenproblem. :) Setzen Sie eine Blockade am anderen Ende der Schleife. Klemmen Sie diese Murmeln fest, damit sie sich nicht bewegen können. Was passiert nun, wenn Sie die Murmeln an Ihrem Ende zwingen, sich zu bewegen?

All dies beinhaltet mechanische Wellen (Schallwellen) bei einer Kraftübertragung vom Riementyp. Die „Arbeit“, die übertragene Energie, entpuppt sich als dasselbe wie Schallwellen.

Wenn wir zur elektrischen Version wechseln, stellen wir fest, dass 2-Draht-Übertragungsleitungen nur „Antriebsriemen“ aus beweglicher Ladung sind, bei denen die Spannung oder Kompression „Spannung“ und die Bewegung der Murmeln „Strom“ ist. .und die Schallwellen in den massiven Murmeln sind zu elektromagnetischen Wellen geworden, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die Leitungsimpedanz ist vorhanden, wird aber nicht durch Marmorgewicht und Kompressibilität verursacht, sondern durch Induktivität und Kapazität der Leiter. Linienreflexionen verhalten sich in beiden Setups gleich.

Der Hauptunterschied zwischen einer Murmelröhre und einem Stromkreis besteht darin, dass die Ladungen in Stromkreisen nicht nur auf ihre unmittelbaren Nachbarn wirken. Stattdessen werden sich Felder von jeder Ladung ausstrecken, um Millionen anderer Ladungen im Draht vor und hinter sich zu schieben. Wenn Sie "ein Elektron greifen" und es nach vorne schieben, verursachen Sie immer, dass EM-Felder aus der Drahtoberfläche speien, und zwingen Millionen von Elektronen nach vorne und hinten, sich ebenfalls zu bewegen. In Drähten können die Kräfte über viele Zentimeter leeren Raum "springen", anstatt sich durch eine Kette benachbarter Ladungen bewegen zu müssen, wie bei der Säule aus reibungsfreien Murmeln. Deshalb arbeiten die Drähte mit Lichtgeschwindigkeit und nicht mit Schallgeschwindigkeit. Und deshalb fließt die eigentliche Energie eines Stromkreises in den Feldern im umgebenden Raum,