Номинальный импеданс - Википедия - Nominal impedance

Номинальное сопротивление в электротехника и звуковая инженерия относится к ориентировочно разработанному сопротивление электрической цепи или устройства. Этот термин применяется во многих различных областях, чаще всего в отношении:

Фактическое сопротивление может значительно отличаться от номинального при изменении частоты. В случае кабелей и других линии передачи также возможны отклонения по длине кабеля, если он не заделан должным образом.

Обычно о номинальном импедансе говорят, как если бы это было постоянное сопротивление,[1] то есть инвариантен относительно частоты и имеет нулевой реактивный компонент, хотя это часто бывает далеко не так. В зависимости от области применения номинальный импеданс неявно относится к определенной точке частотной характеристики рассматриваемой цепи. Это может быть низкочастотная, средняя полоса или какая-либо другая точка, и конкретные приложения обсуждаются в разделах ниже.[2]

В большинстве приложений существует ряд значений номинального импеданса, которые считаются стандартными. Номинальному импедансу компонента или цепи часто присваивается одно из этих стандартных значений, независимо от того, точно ли ему соответствует измеренный импеданс. Элементу присваивается ближайшее стандартное значение.

600 Ом

Номинальный импеданс впервые начали указывать в первые дни телекоммуникации. Сначала усилителей не было, а когда они стали доступны, они стали дорогими. Следовательно, было необходимо добиться максимальной передачи мощности от кабеля на приемном конце, чтобы максимально увеличить длину кабелей, которые можно было установить. Стало также очевидно, что отражения на линии передачи серьезно ограничивают полосу пропускания, которую можно использовать, или расстояние, на котором практически возможна передача. Соответствие сопротивление оборудования к характеристическому сопротивлению кабеля снижает размышления (и они полностью исключаются, если соответствие идеальное), и передача мощности максимальна. С этой целью все кабели и оборудование должны иметь стандартный номинальный импеданс. Самый ранний и до сих пор самый распространенный стандарт - 600 Ω, первоначально использовался для телефония. Следует сказать, что выбор этой цифры больше связан с тем, как телефоны были подключены к местному обмен чем любая характеристика местного телефонного кабеля. Телефоны (Старый стиль аналоговые телефоны) подключаются к АТС через витую пару. Каждая нога пары подключена к реле катушка, которая обнаруживает сигнализация на линии (набор номера, трубка с крючка так далее.). Другой конец одной катушки подключен к напряжению питания, а вторая катушка заземлена. Катушка реле телефонной станции имеет сопротивление около 300 Ом, поэтому они вместе соединяют линию с сопротивлением 600 Ом.[3]

Изменение характеристического сопротивления в зависимости от частоты. На звуковых частотах импеданс далек от постоянного, и номинальное значение верное только на одной частоте.

Подключение к абоненту в телефонных сетях обычно выполняется кабелем витой пары. Его импеданс на звуковых частотах, особенно на более ограниченных частотах телефонного диапазона, далеко не постоянный. Можно изготовить такой кабель с характеристическим сопротивлением 600 Ом, но это значение будет только на одной определенной частоте. Это может быть указано как номинальное сопротивление 600 Ом при 800 Гц или 1 кГц. Ниже этой частоты характеристический импеданс быстро растет, и по мере того, как частота падает, все больше и больше доминирует омическое сопротивление кабеля. Внизу звукового диапазона импеданс может составлять несколько десятков кОм. С другой стороны, на высокой частоте в диапазоне МГц характеристический импеданс выравнивается до почти постоянного. Причина этого ответа объясняется на константы первичной линии.[4]

Локальные сети (LAN) обычно используют аналогичный тип кабеля витой пары, но экранированный и изготовленный с более жесткими допусками, чем это необходимо для телефонии. Несмотря на то, что его сопротивление очень похоже на сопротивление телефонного кабеля, номинальное сопротивление составляет 100 Ом. Это связано с тем, что данные LAN находятся в более высокой полосе частот, где характеристический импеданс практически плоский и в основном резистивный.[4]

Стандартизация номинального сопротивления линии привела к двухпортовые сети например, фильтры, рассчитанные на соответствие номинальному импедансу. Номинальный импеданс НЧ симметричный Секции T- или Pi-фильтра (или, в более общем смысле, фильтр изображений секций) определяется как предел импеданса изображения фильтра, когда частота приближается к нулю, и определяется как,

куда L и C определены в постоянный k-фильтр. Как видно из выражения, это сопротивление чисто резистивное. Этот фильтр преобразован в полосовой фильтр будет иметь импеданс, равный номинальному импедансу при резонансе, а не на низкой частоте. Этот номинальный импеданс фильтров обычно будет таким же, как номинальный импеданс цепи или кабеля, в котором работает фильтр.[5]

В то время как 600 Ом является почти универсальным стандартом в телефонии для локального представления в помещении клиента с АТС, для передачи на большие расстояния по магистральным линиям между АТС используются другие стандартные номинальные сопротивления, которые обычно ниже, например 150 Ом.[6]

50 Ом и 75 Ом

В области радиочастота (РФ) и микроволновая печь В технике, безусловно, наиболее распространенным стандартом линии передачи является 50 Ом. коаксиальный кабель (коаксиальный), который является несбалансированная линия. 50 Ом впервые возник как номинальное сопротивление во время Вторая Мировая Война работа над радар и представляет собой компромисс между двумя требованиями. Этот стандарт был разработан во время войны Объединенным комитетом по координации кабельного телевидения США и ВМС США. Первое требование - минимальные потери. Потери коаксиального кабеля выражаются как

неперс / метр

куда р сопротивление контура на метр и Z0 - характеристический импеданс. Увеличение диаметра внутреннего проводника уменьшит р и уменьшение р уменьшает потери. С другой стороны, Z0 зависит от соотношения диаметров наружного и внутреннего проводников (Dр) и будет уменьшаться с увеличением внутреннего диаметра проводника, тем самым увеличивая потери. Есть определенная ценность Dр для которых убыток минимален и получается 3,6. Для воздуха диэлектрик коаксиального кабеля это соответствует характеристическому сопротивлению 77 Ом. Коаксиальный кабель, произведенный во время войны, представлял собой жесткую трубу с воздушной изоляцией, и это продолжалось еще некоторое время. Второе требование - максимальная управляемая мощность, и это было важным требованием для радара. Это не то же самое, что минимальные потери, потому что мощность обычно ограничивается напряжение пробоя диэлектрика. Однако есть аналогичный компромисс с точки зрения соотношения диаметров проводов. Слишком большой внутренний проводник приводит к получению тонкого изолятора, который выходит из строя при более низком напряжении. С другой стороны, слишком маленький внутренний проводник приводит к увеличению напряженность электрического поля рядом с внутренним проводником (поскольку такая же энергия поля накапливается вокруг меньшей поверхности проводника) и снова снижает напряжение пробоя. Идеальное соотношение, Dр, для максимальной управляемой мощности оказывается 1,65 и соответствует характеристическому сопротивлению 30 Ом в воздухе. Импеданс 50 Ом - это среднее геометрическое этих двух цифр;

а затем округление до удобного целого числа.[7][8]

При производстве коаксиального кабеля во время войны и в течение определенного периода после него использовались стандартные размеры водопроводных труб для внешнего проводника и стандартные размеры. AWG размеры внутреннего проводника. В результате коаксиальный кабель был почти, но не совсем, 50 Ом. Согласование является гораздо более важным требованием для ВЧ, чем для голосовых частот, поэтому, когда стал доступен кабель, который действительно имел 50 Ом, возникла потребность в согласующих схемах для интерфейса между новыми кабелями и устаревшим оборудованием, таким как довольно странный 51,5. Согласующая цепь от Ом до 50 Ом.[8][9]

Хотя кабель с сопротивлением 30 Ом весьма желателен из-за его способности выдерживать нагрузку, он никогда не производился в промышленных масштабах, поскольку большой размер внутреннего проводника затрудняет производство. Это не относится к кабелю 77 Ом. Кабель с номинальным сопротивлением 75 Ом использовался с самого начала в телекоммуникациях из-за его характеристик с низкими потерями. По словам Стивена Лэмпена из Belden Провод и кабель 75 Ом было выбрано в качестве номинального импеданса, а не 77 Ом, потому что это соответствует стандартному размеру провода AWG для внутреннего проводника. Для коаксиальных видеокабелей и интерфейсов 75 Ом теперь является почти универсальным стандартным номинальным сопротивлением.[8][10]

Радиоантенны

Распространенная идея, что номинальные сопротивления кабеля 50 Ом и 75 Ом возникла в связи с входным сопротивлением различных усики это миф. Верно, однако, что несколько обычных антенн легко согласовать с кабелями с таким номинальным сопротивлением.[7] Четверть длины волны монополь в свободном пространстве имеет полное сопротивление 36,5 Ом,[11] на половину длины волны диполь в свободном пространстве имеет полное сопротивление 72 Ом.[12] Половина длины волны сложенный диполь, с другой стороны, обычно встречается на телевизионных антеннах, имеет импеданс 288 Ом - в четыре раза больше, чем у прямолинейного диполя. ½λ Диполь и складчатый диполь 1/2 λ обычно считаются имеющими номинальное сопротивление 75 Ом и 300 Ом соответственно.[13]

Полное сопротивление точки питания установленной антенны варьируется выше и ниже указанного значения в зависимости от высоты ее установки над землей и электрических свойств окружающей земли.[14][15]

Качество кабеля

Одним из показателей качества изготовления и монтажа кабеля является то, насколько точно характеристическое сопротивление соответствует номинальному сопротивлению по всей его длине. Изменения импеданса могут быть вызваны изменениями геометрии по длине кабеля. В свою очередь, это может быть вызвано неправильным производственным процессом или неправильной установкой (например, несоблюдением ограничений на радиусы изгиба ). К сожалению, не существует простого неразрушающего метода прямого измерения импеданса по длине кабеля. Однако косвенно это можно определить путем измерения отражений, т. Е. обратные потери. Обратные потери сами по себе мало что демонстрируют, поскольку конструкция кабеля в любом случае будет иметь некоторые внутренние возвратные потери из-за отсутствия чисто резистивного волнового сопротивления. Используемый метод состоит в том, чтобы тщательно отрегулировать концевую заделку кабеля для получения максимально возможного совпадения, а затем измерить изменение возвратных потерь в зависимости от частоты. Измеренные таким образом минимальные возвратные потери называются структурными возвратными потерями (SRL). SRL - это мера соответствия кабеля номинальному импедансу, но это не прямое соответствие, ошибки, расположенные дальше от генератора, меньше влияют на SRL, чем те, которые находятся рядом с ним. Измерение также должно выполняться на всех внутриполосных частотах, чтобы быть значимыми. Причина этого в том, что равномерно распределенные ошибки, вносимые производственным процессом, устраняются и становятся невидимыми или, по крайней мере, значительно уменьшаются на определенных частотах из-за четвертьволновой трансформатор импеданса действие.[16][17]

Аудиосистемы

По большей части, в аудиосистемах, как профессиональных, так и домашних, компоненты соединены между собой с помощью выходов с низким сопротивлением, подключенных к входам с высоким сопротивлением. Эти импедансы плохо определены, и номинальные импедансы обычно не назначаются для такого типа подключения. Точные импедансы мало влияют на характеристики, если последнее во много раз больше первого.[18] Это обычная схема соединения не только для аудио, но и для электронных блоков в целом, которые составляют часть более крупного оборудования или подключаются только на небольшом расстоянии. Когда звук должен передаваться на большие расстояния, что часто имеет место в радиовещание, соображения согласования и отражения диктуют, что используется стандарт электросвязи, что обычно означает использование номинального импеданса 600 Ом (хотя иногда встречаются и другие стандарты, такие как передача на 75 Ом и прием на 600 Ом, что имеет преимущества в отношении ширины полосы). Номинальный импеданс линии передачи и усилителей и эквалайзеров в цепи передачи будет одинаковым.[6]

Номинальное сопротивление является используется, однако, для характеристики преобразователи аудиосистемы, например микрофоны и громкоговорители. Важно, чтобы они были подключены к цепи, способной работать с импедансами в соответствующем диапазоне, и назначение номинального импеданса является удобным способом быстрого определения вероятной несовместимости. Громкоговорители и микрофоны рассматриваются в отдельных разделах ниже.

Музыкальные колонки

Диаграмма, показывающая изменение импеданса типичного среднечастотного громкоговорителя. Номинальный импеданс обычно определяется в самой низкой точке после резонанса. Однако низкочастотный импеданс может быть все же ниже этого значения.[19]

Громкоговоритель Импедансы поддерживаются относительно низкими по сравнению с другими аудиокомпонентами, так что требуемая мощность звука может быть передана без использования неудобно (и опасно) высоких напряжений. Наиболее распространенный номинальный импеданс громкоговорителей составляет 8 Ом. Также используются 4 Ом и 16 Ом.[20] Некогда общие 16 Ом теперь в основном зарезервированы для высоких частот. драйверы сжатия поскольку высокочастотный конец звукового спектра обычно не требует такой большой мощности для воспроизведения.[21]

Импеданс громкоговорителя не постоянен на всех частотах. В типичном громкоговорителе сопротивление будет расти с увеличением частоты от его ОКРУГ КОЛУМБИЯ значение, как показано на диаграмме, пока не достигнет точки своего механического резонанса. После резонанса импеданс падает до минимума, а затем снова начинает расти.[22] Громкоговорители обычно проектируются для работы на частотах выше их резонанса, и по этой причине обычно определяют номинальный импеданс на этом минимуме, а затем округляют до ближайшего стандартного значения.[23][24] Отношение максимальной резонансной частоты к номинальному сопротивлению может достигать 4: 1.[25] Тем не менее, вполне возможно, что низкочастотный импеданс будет ниже номинального импеданса.[19] Данный аудиоусилитель может быть не способен управлять этим низкочастотным импедансом, даже если он способен управлять номинальным импедансом, проблема, которая может быть решена либо с использованием кроссоверные фильтры или недооценивать прилагаемый усилитель.[26]

Во времена клапанов (вакуумные трубки ), большинство громкоговорителей имели номинальное сопротивление 16 Ом. Для выходов клапана требуется выходной трансформатор, чтобы согласовать очень высокий выходной импеданс и напряжение выходных клапанов с этим более низким сопротивлением. Эти трансформаторы обычно были подключены, чтобы обеспечить согласование выхода с настройкой нескольких громкоговорителей. Например, два громкоговорителя по 16 Ом, включенные параллельно, дадут полное сопротивление 8 Ом. С появлением полупроводниковых усилителей, выходы которых не требуют трансформатора, когда-то общие выходы с несколькими импедансами стали редкостью, а громкоговорители с более низким импедансом стали более распространенными. Наиболее распространенный номинальный импеданс для одного громкоговорителя в настоящее время составляет 8 Ом. Большинство твердотельных усилителей предназначены для работы с комбинациями громкоговорителей от 4 до 8 Ом.[27]

Микрофоны

Существует большое количество различных типов микрофон и, соответственно, между ними есть большие различия в импедансе. Они варьируются от очень низкого импеданса ленточные микрофоны (может быть меньше одного Ом) до очень большого импеданса пьезоэлектрические микрофоны которые измеряются в МОмах. В Альянс электронной промышленности (EIA) определила[28] ряд стандартных номинальных сопротивлений микрофона для облегчения классификации микрофонов.[29]

Диапазон (Ом)Номинальное сопротивление EIA (Ом)
20–8038
80–300150
300–1250600
1250–45002400
4500-20,0009600
20,000–70,00040,000

В Международная электротехническая комиссия определяет аналогичный набор номинальных импедансов, но также имеет более грубую классификацию: низкий (менее 600 Ом), средний (от 600 Ом до 10 кОм) и высокий (более 10 кОм) импеданс.[30][неудачная проверка ]

Осциллографы

Осциллограф входы обычно имеют высокий импеданс, поэтому они лишь минимально влияют на измеряемую цепь при подключении. Однако входной импеданс устанавливается на конкретное номинальное значение, а не на произвольно высокое, из-за общего использования Датчики X10. Обычно номинальное сопротивление осциллографа составляет 1 МОм, а сопротивление - 20 Ом. ПФ емкость.[31] При известном входном импедансе осциллографа разработчик пробника может гарантировать, что входное сопротивление пробника будет ровно в десять раз выше этого значения (фактически, сопротивление осциллографа плюс импеданс кабеля пробника). Поскольку импеданс включает входную емкость, а зонд представляет собой схему делителя импеданса, в результате измеряемая форма волны не искажается RC-цепью, образованной сопротивлением зонда и емкостью входа (или емкостью кабеля, которая обычно равна выше).[32][33]

Рекомендации

  1. ^ Маслин, стр.78
  2. ^ Граф, с.506.
  3. ^ Шмитт, стр.301–302.
  4. ^ а б Шмитт, с.301.
  5. ^ Птица, с. 564, 569.
  6. ^ а б Уитакер, стр.115.
  7. ^ а б Голио, с.6-41.
  8. ^ а б c Порода, стр.6–7.
  9. ^ Harmon Banning (W. L. Gore & Associates, Inc. ), "История 50 Ом", РФ Кафе
  10. ^ Стив Лэмпен, "Коаксиальная история" (список рассылки), Contesting.com. Лампен - менеджер по развитию технологий в Belden Wire & Cable Co. и автор книги Провод, кабель и волоконная оптика.
  11. ^ Чен, стр. 574–575.
  12. ^ Гулати, стр.424.
  13. ^ Гулати, стр.426.
  14. ^ Heys (1989), стр. 3-4.
  15. ^ Солома (2003)
  16. ^ Rymaszewski et al, p.407.
  17. ^ Чичора, стр. 435.
  18. ^ Eargle & Foreman, стр.83.
  19. ^ а б Дэвис и Джонс, стр.205.
  20. ^ Баллоу, стр.523.
  21. ^ Васи, стр.34–35.
  22. ^ Дэвис и Джонс, стр.206.
  23. ^ Дэвис и Джонс, стр. 233.
  24. ^ Старк, стр.200.
  25. ^ Дэвис и Джонс, стр.91.
  26. ^ Баллоу, стр. 523, 1178.
  27. ^ ван дер Вин, стр.27.
  28. ^ Стандарт электронной промышленности SE-105, август 1949 г.
  29. ^ Баллоу, стр.419.
  30. ^ Международный стандарт IEC 60268-4 Звуковое оборудование - Часть 4: Микрофоны..
  31. ^ С. 97–98.
  32. ^ Хикман, стр.33–37.
  33. ^ О'Делл, стр.72–79.

Библиография

  • Глен Баллоу, Справочник звукорежиссера, Gulf Professional Publishing, 2005 г. ISBN  0-240-80758-8.
  • Джон Берд, Теория и технология электрических цепей, Эльзевир, 2007 ISBN  0-7506-8139-X.
  • Гэри Брид, «В сопротивлении 50 Ом нет ничего волшебного», Высокочастотная электроника, стр. 6–7, июнь 2007 г., Summit Technical Media LLC, г. в архиве 26 июня 2015.
  • Вай-Кай Чен, Справочник по электротехнике, Academic Press, 2005 г. ISBN  0-12-170960-4.
  • Уолтер С. Чичора, Современные технологии кабельного телевидения: видео, голос и передача данных, Морган Кауфманн, 2004 г. ISBN  1-55860-828-1.
  • Гэри Дэвис, Ральф Джонс, Справочник по звукоизоляции, Hal Leonard Corporation, 1989 г. ISBN  0-88188-900-8.
  • Джон М. Эргл, Крис Форман, Аудиотехника для усиления звука, Hal Leonard Corporation, 2002 г., ISBN  0-634-04355-2.
  • Джон Майкл Голио, Справочник по ВЧ и СВЧ, CRC Press, 2001 г. ISBN  0-8493-8592-X.
  • Рудольф Ф. Граф, Современный словарь электроники, Newnes, 1999 ISBN  0-7506-9866-7.
  • Р.Р. Гулати, Принципы, технологии и обслуживание современного телевидения, Нью Эйдж Интернэшнл, ISBN  81-224-1360-9.
  • Джон Д. Хейс, Практичные проволочные антенны, Радио общество Великобритании, 1989 г. ISBN  0-900612-87-8.
  • Ян Хикман, Осциллографы: как ими пользоваться, как они работают, Новинки, 2001 ISBN  0-7506-4757-4.
  • Стивен Лэмпен, Провода, кабели и волоконная оптика для видео и аудио инженеров, Макгроу-Хилл 1997 ISBN  0-07-038134-8.
  • А.К. Майни, Электронные проекты для начинающих, Пустак Махал, 1997 г. ISBN  81-223-0152-5.
  • Николай М. Маслин, ВЧ-связь: системный подход, CRC Press, 1987 ISBN  0-273-02675-5.
  • Томас Генри О'Делл, Схемы для электронного оборудования, Издательство Кембриджского университета, 1991 г. ISBN  0-521-40428-2.
  • Р. Туммала, Э. Дж. Римашевски (редактор), Алан Г. Клопфенштейн, Справочник по упаковке для микроэлектроники, Том 3, Springer, 1997 ISBN  0-412-08451-1.
  • Рон Шмитт, Объяснение электромагнетизма: руководство по беспроводной / радиочастотной, электромагнитной совместимости и высокоскоростной электронике, Новости, 2002 ISBN  0-7506-7403-2.
  • Скотт Хантер Старк, Усиление живого звука: полное руководство по П.А. и системы и технологии музыкального сопровождения, Hal Leonard Corporation, 1996 г. ISBN  0-918371-07-4.
  • Джон Васи, Концертные звуковые и световые системы, Focal Press, 1999 г. ISBN  0-240-80364-7.
  • Менно ван дер Вин, Современные высокопроизводительные клапанные усилители: на основе тороидальных выходных трансформаторов, Elektor International Media, 1999 г. ISBN  0-905705-63-7.
  • Джерри К. Уитакер, Телевизионные приемники, McGraw-Hill Professional, 2001 г. ISBN  0-07-138042-6.