회전자
Gyrator자이로이터는 1948년 Bernard D가 제안한 수동형 선형 무손실 2포트 전기 네트워크 요소입니다. H. 저항기, 콘덴서, 인덕터 및 이상적인 [1]변압기 다음에 나오는 가상의 다섯 번째 선형 요소로서 Tellegen.기존의 4가지 요소와 달리, 자이로이터는 비호환성입니다.자이로이터는 기존의 4가지 요소만으로는 실현할 수 없는 2포트(또는 그 이상의) 디바이스의 네트워크 실현을 가능하게 합니다.특히, 회전자는 절연체와 [2]순환기의 네트워크 실현을 가능하게 한다.단, 자이로 인해 실현 가능한1 포트 디바이스의 범위는 변경되지 않습니다.선회기는 5번째 선형 소자로 간주되었지만, 채택으로 인해 이상적인 변압기와 캐패시터 또는 인덕터가 모두 중복됩니다.따라서 실제로 필요한 선형 요소의 수는 3개로 감소합니다.회전자 역할을 하는 회로는 피드백을 사용하여 트랜지스터와 OP암페어로 제작할 수 있습니다.
Tellegen은 회전자를 위한 회로 기호를 발명했고 실용적인 회전자를 만들 수 있는 여러 가지 방법을 제안했습니다.
회전자의 중요한 특성은 전기 부품 또는 네트워크의 전류-전압 특성을 반전시킨다는 것입니다.선형 소자의 경우 임피던스도 반전됩니다.즉, 교반자는 용량성 회로를 유도적으로 동작시킬 수 있고 직렬 LC 회로는 병렬 LC 회로와 같이 동작시킬 수 있다.주로 활성 필터 설계 및 소형화에 사용됩니다.
행동
이상적인 자이로이터는 한 포트의 전류를 다른 포트의 전압과 결합하는 선형 2포트 디바이스입니다.순간 전류와 순간 전압은 다음과 같이 관련이 있습니다.
서R \은 회전자의 회전 저항입니다.
회전 저항(또는 회전 전도도와 동등한 역방향)은 [3]도식도에서 화살표로 표시된 관련 방향을 가집니다.관례상 소정의 회전저항 또는 컨덕턴스는 화살표의 선두에 있는 포트의 전압과 꼬리 부분의 전류를 관련짓는다.화살표 끝의 전압은 화살표 끝의 전류에서 명시된 저항을 뺀 값과 관련이 있습니다.화살표를 반대로 돌리면 회전 저항이 비활성화되거나 두 포트의 극성이 반전되는 것과 같습니다.
회전자는 저항값으로 특징지어지지만 무손실 구성요소입니다.지배 방정식으로부터, 회전자로의 순간 전력은 동일하게 0입니다.
회전자(gyrator)는 완전히 비호환 디바이스이므로 반대칭 임피던스 및 어드미턴스 매트릭스로 나타납니다.
회전저항이 2개의 포트의 특성임피던스(또는 동일하지 않은 경우에는 기하평균)와 같도록 선택되면 회전자의 산란행렬은 다음과 같습니다.
마찬가지로 반대칭입니다.이를 통해 회전자(gyrator)의 대체 정의로 이어집니다. 즉, 전방(화살표) 방향으로 변경되지 않은 신호를 전송하지만 후방 방향으로 이동하는 신호의 극성을 반전시키는 장치(또는 [6]이에 상응하는 180[7]° 위상 편이)입니다.1라인 다이어그램(도파관 또는 전송선이 한 쌍의 도체가 아닌 단일 라인으로 표시됨)에서 회전자를 나타내는 데 사용되는 기호는 이 단방향 위상 편이를 반영합니다.
4분의 1파 변압기와 마찬가지로 회전기의 한쪽 포트가 선형 부하로 종단되면 다른 쪽 포트는 해당 부하 임피던스에 반비례하는 임피던스를 나타냅니다.
순회전 전도도와 역회전 전도도가 서로 다른 크기를 가지며, 따라서 어드미턴스 매트릭스는 다음과 같은 경우, 교동기 일반화가 가능하다.
단,[8] 이것은 패시브디바이스가 아닙니다.
이름.
Tellegen은 자이로스코프와 공통 장치 접미사 -tor의 혼합으로 소자 자이로이터를 명명했습니다(저항, 캐패시터, 트랜지스터 등).Tellegen의 모국어인 네덜란드어로 -tor의 끝은 더욱 시사적입니다.여기서 관련 요소 변압기는 변압기라고 불립니다.자이로이터는 자이로스코프의 [9]동작과 유사합니다.
자이로스코프와 비슷한 점은 자이로스코프의 회전축 토크와 각속도 사이의 관계에 있습니다.한쪽 축의 토크는 다른 쪽 축의 각속도에 비례적인 변화를 일으킵니다.자이로스코프의 기계적 전기적 유추로 토크와 각속도를 전압과 전류의 유추로 만들면 전기 [10]자이로이터가 됩니다.
이상적인 변압기와의 관계
이상적인 자이로이터는 선형, 무손실, 수동, 메모리 없는 2포트 디바이스라는 점에서 이상적인 변압기와 유사합니다.단, 변압기가 포트 1의 전압을 포트 2의 전압에 연결하고 포트 1의 전류를 포트 2의 전류에 결합하는 동안 교반기는 전압을 전류에 교차 결합하고 전류와 전압을 교차 결합합니다.2개의 자이로이터를 캐스케이드함으로써 이상적인 [1]변압기와 동일한 전압대전압결합을 얻을 수 있다.
의 캐스케이드 : (\의 변압기와 동일합니다. 변압기와 자이로이터를 캐스케이드하거나 3개의 자이로이터를 캐스케이드하면 의 단일 자이로이터가 생성됩니다.
네트워크 이론의 관점에서 볼 때, 변압기는 회전자를 사용할 수 있을 때 장황합니다.저항기, 캐패시터, 인덕터, 변압기 및 회전자(또는 캐패시터)로 제작할 수 있는 것은 모두 저항기, 회전자 및 인덕터(또는 캐패시터)만을 사용하여 제작할 수 있습니다.
자기 회로 유추
상술한 변압기용 2가이레이터 등가회로에서 변압기 권선과 변압기 자기코어를 접속하는 루프를 통해 변압기를 동정할 수 있다.그러면 루프 주위의 전류는 코어를 통과하는 자속의 변화율에 대응하고, 각 회전기에 의한 루프 내 기전력(EMF)은 각 권선에 의한 코어 내 기전력(MMF)에 대응합니다.
회전 저항은 권선 회전 계수와 같은 비율이지만 전체적으로 볼 때 특별한 규모는 아니다.따라서 r rohms의 의 변환계수를 선택하면 루프 EMF, V는 코어 MMF, 와 관련됩니다.
루프 II})는 코어 플럭스 ({displaystyle}}})와 관련이 있습니다.
이상적이지 않은 실제 변압기의 코어는 유한한 P(\displaystyle\를 가지며 플럭스 및 총 MMF가 만족합니다.
그 말은 즉, 회전자 루프가
직렬 콘덴서의 도입에 대응하다
루프에 있습니다.이것은 분텐바흐의 캐패시턴스-투과율 유추, 즉 자기회로의 자이로이터-캐패시터 모델입니다.
어플
모의 인덕터
자이로이터는 부하용량을 인덕턴스로 변환하기 위해 사용할 수 있다.저주파 및 저전력에서는 작은 op-amp 회로에 의해 회전자의 동작을 재현할 수 있습니다.이를 통해 소형 전자 회로 또는 집적 회로에서 유도 소자를 제공할 수 있습니다.트랜지스터가 발명되기 전에는 전자 필터에 인덕턴스가 큰 와이어 코일이 사용되었을 수 있습니다.인덕터는 캐패시터, 연산증폭기 또는 트랜지스터 및 저항을 포함하는 훨씬 작은 어셈블리로 대체할 수 있다.이는 집적회로 기술에서 특히 유용합니다.
작동
표시된 회로에서는 교반기의 한쪽 포트가 입력 단자와 접지 사이에 있고 다른 한쪽 포트는 캐패시터로 종단되어 있습니다.이 회로는 저항 R의 전압이 인덕터의 전압과 동일하게 시간 경과에 따라 동작하는 RC 미분 회로에서 콘덴서의 효과를 반전 및 곱하여 작동합니다.op-amp follower는 이 전압을 버퍼링하여 저항L R을 통해 입력에 다시 적용합니다.원하는 효과는 직렬 저항L R을 갖는 이상적인 인덕터 L 형식의 임피던스입니다.
다이어그램에서 op-amp 회로의 입력 임피던스는 다음과 같습니다.
RRCL = L이면 시뮬레이션 인덕터의 임피던스가 RC 회로의 임피던스와 병렬로 원하는 임피던스임을 알 수 있습니다.전형적인 설계에서 R은 첫 번째 항이 지배할 정도로 충분히 큰 것으로 선택된다.따라서 입력 임피던스에 대한 RC회로의 영향은 무시할 수 있다.
이는 인덕턴스 L = RRC의L 직렬 저항L R과 동일합니다.op-amp의 현재L 출력 능력에 따라 R이 취할 수 있는 최소값에는 실질적인 제한이 있습니다.
임피던스는 주파수와 함께 무한히 증가할 수 없으며, 결국 두 번째 항은 임피던스를 R의 값으로 제한합니다.
실제 인덕터와의 비교
시뮬레이션 소자는 실제 소자를 모방하는 전자 회로입니다.시뮬레이션 요소는 물리적 인덕터의 고유한 특성을 모두 가지고 있지 않기 때문에 가능한 모든 애플리케이션에서 물리적 인덕터를 대체할 수 없다.
크기.일반적인 어플리케이션에서는 회전자의 인덕턴스와 저항 모두 물리 인덕터보다 훨씬 큽니다.회전자를 사용하여 마이크로헨리 범위에서 메가헨리 범위까지 인덕터를 만들 수 있습니다.물리적 인덕터는 일반적으로 수십 개로 제한되며, 낮은 킬로옴 범위에 걸쳐 수백 마이크로옴의 기생 직렬 저항을 가집니다.교반기의 기생 저항은 토폴로지에 따라 다르지만 표시된 토폴로지를 통해 직렬 저항은 일반적으로 수십 옴에서 수백 킬로옴까지 다양합니다.
품질.물리적 캐패시터는 물리적 인덕터보다 "이상적 캐패시터"에 훨씬 더 가깝습니다.이 때문에, 회전자 및 캐패시터로 실현되는 합성 인덕터는, 특정의 애플리케이션에서는, 어떠한 (실용적인) 물리 인덕터보다 「이상 인덕터」에 가까운 경우가 있습니다.따라서 캐패시터와 회전자를 사용하면 인덕터를 사용하여 구축되는 필터 네트워크의 품질이 향상될 수 있습니다.또, 합성 인덕터의 Q계수를 간단하게 선택할 수 있다.LC 필터의 Q는 실제 LC 필터보다 낮거나 높을 수 있습니다.같은 주파수의 경우 인덕턴스는 훨씬 높고 캐패시턴스는 훨씬 낮지만 저항도 더 높습니다.일반적으로 자이로이터 인덕터는 인덕터보다 정밀 캐패시터의 비용이 낮기 때문에 물리적 인덕터보다 정확도가 높습니다.
에너지 저장소시뮬레이션 인덕터는 실제 인덕터의 고유한 에너지 저장 특성을 가지고 있지 않으며, 이는 가능한 전력 사용을 제한한다.회로는 갑작스러운 입력 변화에 실제 인덕터처럼 반응할 수 없습니다(고전압 백 EMF는 생성되지 않습니다). 전압 응답은 전원 공급 장치에 의해 제한됩니다.회전자는 능동회로를 사용하기 때문에 능동소자의 전원 공급 범위 내에서만 회전자 역할을 합니다.따라서 회전자는 일반적으로 전류가 차단될 때 큰 전압 스파이크가 발생하는 인덕터의 '플라이백' 특성을 시뮬레이션해야 하는 상황에서는 매우 유용하지 않다.회전자의 과도 응답은 회로 내 액티브 디바이스의 대역폭 및 전원에 의해 제한된다.
외부 효과시뮬레이션 인덕터는 실제 인덕터와 같은 방식으로 외부 자기장과 투과성 물질에 반응하지 않습니다.또한 실제 인덕터와 같은 방식으로 자기장을 생성하지 않습니다(그리고 외부 도체에 전류를 유도함).이로 인해 센서, 검출기 및 변환기와 같은 애플리케이션에서 사용이 제한됩니다.
접지시뮬레이션된 인덕터의 한쪽이 접지되어 있기 때문에 가능한 어플리케이션이 제한됩니다(실제 인덕터는 플로팅되어 있습니다.이 제한으로 인해 일부 로우패스 [11]및 노치 필터에서 사용이 금지될 수 있습니다.단, 플로팅 "접지"가 서로 연결되어 있는 한 다른 회전자와 플로팅 구성으로 회전자를 사용할 수 있습니다.이를 통해 플로팅 교반자가 가능하지만 교반자 쌍의 입력 단자에 걸쳐 시뮬레이션된 인덕턴스를 각 교반자에 대해 절반으로 잘라 원하는 인덕턴스가 충족되도록 해야 합니다(직렬 인덕터의 임피던스가 합산됨).표준 구성보다 더 많은 컴포넌트를 필요로 하기 때문에 이 작업은 일반적으로 수행되지 않습니다.그 결과 인덕턴스는 2개의 인덕터가 시뮬레이트되어 각각 바람직한 인덕턴스의 절반이 되기 때문입니다.
적용들
자이로이터의 주요 적용 분야는 부피가 크고 무겁고 비싼 인덕터가 필요하지 않도록 함으로써 시스템의 크기와 비용을 줄이는 것입니다.예를 들어 인덕터를 사용하지 않고 콘덴서, 저항기 및 연산 증폭기를 사용하여 RLC 대역 통과 필터 특성을 실현할 수 있습니다.따라서 그래픽 이퀄라이저는 회전기의 발명 덕분에 인덕터를 사용하지 않고도 콘덴서, 저항기 및 연산 증폭기를 사용하여 달성할 수 있습니다.
Gyrator 회선은 POTS 시스템에 접속하는 텔레포니디바이스에서 광범위하게 사용되고 있습니다.이것에 의해, 회선이 회선 루프 전류의 DC 부분을 반송하기 때문에, 전화기의 사이즈가 큰폭으로 작아져,[12] AC음성 신호를 반송하는 변압기의 사이즈가 큰폭으로 작아집니다.자이로이터는 대부분의 DAA([13]데이터 액세스 배치)에서 사용됩니다.전화 교환 회로도 라인 카드에 사용되는 자이로이터의 영향을 받고 있습니다.또한 Gyrator는 그래픽 이퀄라이저, 파라메트릭 이퀄라이저, 이산 밴드 스톱 및 밴드 패스 필터(럼블 필터 등), FM 파일럿 톤 필터에 널리 사용됩니다.
인덕터를 교체하기 위해 자이로이터를 사용할 수 없는 응용 프로그램이 많이 있습니다.
- 플라이백을 이용한 고전압 시스템(트랜지스터/앰프의 작동 전압 초과)
- RF 시스템은 일반적으로 이러한 주파수에서 매우 작기 때문에 실제 인덕터를 사용합니다.또한 액티브한 자이로이터를 구축하기 위한 집적회로는 비용이 많이 들거나 존재하지 않습니다.단, 수동형 자이로이터는 가능합니다.
- 전력 변환 - 코일이 에너지 저장소로 사용됩니다.
패시브 자이로이터
이론적으로 많은 수동 회로가 회전자 기능을 위해 존재합니다.단, 일괄된 요소로 구성될 경우 항상 부정적인 요소가 존재합니다.이러한 부정적인 요소에는 대응하는 실제 구성요소가 없으므로 단독으로 구현할 수 없습니다.이러한 회로는 예를 들어 부소자가 인접한 정소자에 흡수되는 경우 필터 설계에서 실제로 사용될 수 있다.그러나 일단 활성 성분이 허용되면 음의 임피던스 변환기를 사용하여 음의 소자를 쉽게 구현할 수 있다.예를 들어 실제 캐패시터는 등가 음의 인덕터로 변환할 수 있다.
마이크로파 회로에서 임피던스 반전은 회전자 대신 1/4파 임피던스 변압기를 사용하여 달성할 수 있다.4분의 1파 변압기는 수동 장치이며, 회전 장치보다 제작이 훨씬 간단합니다.변압기는 자이로이터와 달리 상호 성분입니다.변압기는 분산 소자 [14]회로의 예입니다.
기타 에너지 영역
자이로이터의 아날로그는 다른 에너지 영역에 존재합니다.기계식 자이로스코프와의 유사성은 이미 이름 섹션에서 지적되었다.또한 여러 에너지 도메인이 포함된 시스템이 기계-전기 유추와 같은 유추를 통해 통합된 시스템으로 분석되는 경우 도메인 간 변환기는 [15]변환하는 변수에 따라 변압기 또는 회전자로 간주된다.전자기 변환기는 전류를 힘으로, 속도를 전압으로 변환합니다.그러나 임피던스 유추에서 힘은 전압의 아날로그이며 속도는 전류의 아날로그이기 때문에 전자기 변환기는 이 유추에서 회전자입니다.반면 압전 변환기는 변압기입니다(같은 [16]유추).
따라서 전기 수동형 자이로이터를 만드는 또 다른 가능한 방법은 변환기를 사용하여 기계적 영역으로 변환한 후 기계적 필터로 변환하는 것입니다.이러한 자이로이터는 그 자기전기효과를 이용하여 다층재료를 이용하여 하나의 기계소자로 만들 수 있다.예를 들어, 다층 재료에 감긴 전류 운반 코일은 다층 재료의 자성 특성을 통해 진동을 일으킵니다.이 진동은 다층체의 압전 특성을 통해 재료에 내장된 전극 사이에 전압을 유도합니다.전체적인 효과는 전류를 전압으로 변환하여 회전자 동작을 [17][18][19]발생시키는 것입니다.
「 」를 참조해 주세요.
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