Войти
Номинальное сопротивление в электротехнике и аудиотехнике относится к приблизительным рассчитанное полное сопротивление электрической цепи или устройства. Этот термин применяется в ряде различных областей, наиболее часто встречающихся в отношении:
Фактическое сопротивление может довольно сильно отличаются от номинального значения при изменении частоты. В случае кабелей и других линий передачи также есть отклонения по длине кабеля, если он не имеет надлежащих оконцеваний.
Обычно о номинальном импедансе говорят как о постоянном сопротивлении, то есть оно инвариантно с частотой и имеет нулевую реактивную составляющую, несмотря на то, что это часто далеко не так. дело. 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.
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.
Номинальный импеданс впервые начали указывать на заре телекоммуникаций. Сначала усилителей не было, а когда они стали доступны, они стали дорогими. Следовательно, необходимо было 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. Согласование импеданса оборудования с характеристическим импедансом кабеля уменьшает отражения (и они полностью устраняются, если согласование идеально), и передача мощности максимизируется. С этой целью все кабели и оборудование должны иметь стандартный номинальный импеданс. Самый ранний и до сих пор наиболее распространенный стандарт - 600 Ом, первоначально использовавшийся для телефонии. Следует отметить, что выбор этой цифры больше связан со способом подключения телефонов к локальной АТС, чем с какой-либо характеристикой местного телефонного кабеля. Телефоны (аналоговые телефоны старого образца) подключаются к коммутатору через витую пару. Каждая ветвь пары подключена к катушке реле, которая обнаруживает сигнализацию на линии (набор номера, трубка снятие трубки и т. Д..). 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.
Изменение характеристического сопротивления в зависимости от частоты. На звуковых частотах импеданс далеко не постоянный, 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. Возможно изготовление такого кабеля 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 такого ответа объясняется в константах первичной линии.
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.
Стандартизация номинального импеданса линии привела к двухпортовым сетям, таким как фильтры разработан для соответствия номинальному сопротивлению. Номинальный импеданс нижних частот симметричных T- или Pi-фильтров (или, в более общем смысле, участков фильтра изображения ) определяется как предел фильтра. импеданс изображения, когда частота приближается к нулю и определяется как,
где L и C определены в постоянный фильтр k. Как видно из выражения, это сопротивление чисто резистивное. Этот фильтр, преобразованный в полосовой фильтр , будет иметь импеданс, равный номинальному импедансу при резонансе, а не на низкой частоте. Этот номинальный импеданс фильтров, как правило, будет таким же, как номинальный импеданс цепи или кабеля, в котором работает фильтр.
Хотя 600 Ом является почти универсальным стандартом в телефонии для локальной презентации в помещениях клиента из АТС, для передачи на большие расстояния по магистральным линиям между АТС используются другие стандартные номинальные сопротивления, которые обычно ниже, например, 150 Ом.
В поле радиочастота (RF) и микроволновая печь инженерия, безусловно, наиболее распространенным стандартом линии передачи является 50 Ω коаксиальный кабель (коаксиальный), который является несимметричная линия. 50 Ом впервые возник как номинальное сопротивление во время Второй мировой войны при работе с радаром и представляет собой компромисс между двумя требованиями. Этот стандарт был разработан во время войны Объединенным координационным комитетом по кабелю армии и военно-морского флота США. Первое требование - минимальные потери. Потери в коаксиальном кабеле выражаются как:
неперс / метргде R - сопротивление контура на метр, а Z 0 - характеристическое сопротивление. Увеличение диаметра внутреннего проводника приведет к уменьшению R, а уменьшение R уменьшит потери. С другой стороны, Z 0 зависит от соотношения диаметров внешнего и внутреннего проводников (D r) и будет уменьшаться с увеличением диаметра внутреннего проводника, таким образом, увеличивая потери. Существует конкретное значение D r, для которого потери минимальны, и оно оказывается равным 3,6. Для коаксиального кабеля с воздушным диэлектриком 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 касается максимальной управляемости и было важным требованием для радара. Это не то же самое, что минимальные потери, потому что мощность обычно ограничивается напряжением 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, создание слишком маленького внутреннего проводника приводит к более высокой напряженности электрического поля около внутреннего проводника (поскольку такая же энергия поля накапливается вокруг меньшей поверхности проводника) и снова снижает напряжение пробоя. Идеальное соотношение D r для максимальной мощности оказывается 1,65 и соответствует характеристическому сопротивлению 30 Ом в воздухе. Импеданс 50 Ом - это среднее геометрическое этих двух цифр;
с последующим округлением до удобного целого числа.
При производстве коаксиальных кабелей во время войны и в течение некоторого времени после этого использовались водопроводные трубы стандартных размеров для внешнего проводника и стандартные размеры AWG для внутреннего проводника. В результате коаксиальный кабель имел сопротивление почти, но не совсем 50 Ом. Согласование является гораздо более важным требованием в ВЧ, чем в голосовых частотах, поэтому, когда стал доступен кабель, который был действительно 50 Ом, возникла потребность в согласовании схем для интерфейса между новыми кабелями и устаревшим оборудованием, таким как довольно странный 51,5. Согласующая цепь от Ом до 50 Ом.
Хотя кабель 30 Ом очень желателен из-за его способности выдерживать мощность, 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. Согласно Стивену Лэмпену из Belden Wire Cable, 75 Ом было выбрано в качестве номинального импеданса, а не 77 Ом, поскольку оно соответствовало стандартному размеру провода AWG для внутреннего проводника. Для коаксиальных видеокабелей и интерфейсов 75 Ом в настоящее время является почти универсальным стандартным номинальным сопротивлением.
Широко распространенное представление о том, что номинальные сопротивления кабеля 50 Ом и 75 Ом возникли в связи с входным сопротивлением. различных усиков - это миф. Верно, однако, что несколько обычных антенн легко согласовать с кабелями с таким номинальным сопротивлением. Четвертьволновый монополь в свободном пространстве имеет импеданс 36,5 Ом, а полуволновой диполь в свободном пространстве имеет импеданс 72 Ом. С другой стороны, полуволновой сложенный диполь, который обычно можно увидеть на телевизионных антеннах, имеет импеданс 288 Ом - в четыре раза больше, чем у прямолинейного диполя. Диполь ½ λ и изогнутый диполь ½ λ обычно считаются имеющими номинальные импедансы 75 Ом и 300 Ом соответственно.
Сопротивление точки питания установленной антенны изменяется выше и ниже приведенное значение, зависящее от высоты установки над землей и электрических свойств окружающей земли.
Одним из критериев качества изготовления и монтажа кабеля является то, насколько точно соответствует характеристическое сопротивление номинальный импеданс по 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 это можно определить косвенно путем измерения отражений, то есть обратных потерь. 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, оказывают меньшее влияние 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 действия четвертьволнового трансформатора импеданса.
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. 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. Там, где звук должен передаваться на большие расстояния, что часто имеет место в инженерии вещания, соображения согласования и отражения диктуют необходимость использования телекоммуникационного стандарта, что обычно означает использование номинального импеданса 600 Ом (хотя другие иногда встречаются стандарты, такие как передача на 75 Ом и прием на 600 Ом, что имеет преимущества в полосе пропускания). Номинальный импеданс линии передачи, усилителей и эквалайзеров в цепи передачи будет одинаковым.
Номинальный импеданс используется, однако, для характеристики преобразователей аудиосигнала. систему, например, ее 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.
Диаграмма, показывающая изменение импеданса типичного среднечастотного динамика. Номинальный импеданс обычно определяется в самой низкой точке после резонанса. Тем не менее, низкочастотное сопротивление может быть все же ниже этого значения.) высокие напряжения. Наиболее распространенный номинальный импеданс громкоговорителей составляет 8 Ом. Также используются 4 Ом и 16 Ом. Некогда общие 16 Ом теперь в основном зарезервированы для высокочастотных компрессионных драйверов, поскольку высокочастотный конец звукового спектра обычно не требует такой большой мощности для воспроизведения.
Импеданс громкоговорителя не является постоянным на всех частотах. В типичном громкоговорителе импеданс будет расти с увеличением частоты от своего значения DC, как показано на диаграмме, до тех пор, пока не достигнет точки своего механического резонанса. После резонанса импеданс падает до минимума, а затем снова начинает расти. Громкоговорители обычно проектируются для работы на частотах выше их резонанса, и по этой причине обычно определяют номинальное сопротивление на этом минимуме, а затем округляют до ближайшего стандартного значения. Отношение максимальной резонансной частоты к номинальному сопротивлению может достигать 4: 1. Тем не менее, вполне возможно, что низкочастотный импеданс действительно будет ниже номинального импеданса. Данный аудиоусилитель может быть не в состоянии управлять этим низкочастотным импедансом, даже если он способен управлять номинальным импедансом, проблема, которая может быть решена либо с помощью кроссоверных фильтров, либо недооценкой поставляемого усилителя.
Во времена клапанов (вакуумные лампы ) большинство громкоговорителей имело 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 импеданс 8 Ом. С появлением твердотельных усилителей, выходы которых не требуют трансформатора, когда-то обычные 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 полупроводниковых усилителей предназначены для работы с комбинациями громкоговорителей от 4 Ом до 8 Ом.
Существует большое количество различных типов микрофонов и, соответственно, между ними есть большие различия в импедансе. Они варьируются от очень низкого импеданса ленточных микрофонов (может быть менее одного Ом) до очень большого импеданса пьезоэлектрических микрофонов, который измеряется в мегомах. Electronic Industries Alliance (EIA) определил ряд стандартных номинальных сопротивлений микрофонов для облегчения классификации микрофонов.
| Диапазон (Ом) | Номинальный импеданс EIA (Ом) |
|---|---|
| 20–80 | 38 |
| 80–300 | 150 |
| 300–1250 | 600 |
| 1250–4500 | 2400 |
| 4500-20,000 | 9600 |
| 20,000–70,000 | 40,000 |
Международная электротехническая комиссия определяет аналогичный набор номинальных сопротивлений, но также имеет более грубая классификация низкого (менее 600 Ом), среднего (от 600 Ом до 10 кОм) и высокого (более 10 кОм) импеданса.
Осциллографы 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 пробников X10. Обычно номинальное сопротивление осциллографа составляет 1 МОм, а емкость - 20 пФ. 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).
Инженерный портал 