Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Номинальный импеданс в электротехнике и звуковой технике относится к приблизительному расчетному импедансу электрической цепи или устройства. Этот термин применяется в различных областях, чаще всего в отношении:

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

Обычно о номинальном импедансе говорят, как если бы он был постоянным сопротивлением [1], то есть он инвариантен с частотой и имеет нулевую реактивную составляющую, хотя это часто 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 [ править ]

Номинальный импеданс впервые начали указывать на заре развития 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 проложить. 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 сопротивлением кабеля снижает отражения(и они полностью исключаются, если соответствие идеальное), и передача мощности максимальна. С этой целью все кабели и оборудование начали иметь стандартный номинальный импеданс. Самый ранний и до сих пор наиболее распространенный стандарт - 600 Ом , первоначально использовавшийся для телефонии . Следует сказать, что выбор этой цифры был больше связан со способом подключения телефонов к местной телефонной станции, 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 снята 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. [3]

Изменение характеристического импеданса 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 сопротивление на звуковых частотах, особенно на более ограниченных частотах телефонного диапазона, далеко не постоянное. Можно изготавливать 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 сопротивление может составлять несколько десятков кОм. С другой стороны, на высокой частоте в диапазоне МГц характеристический импеданс выравнивается до почти постоянного. Причина такого ответа объяснена наконстанты первичной линии . [4]

В локальных вычислительных сетях (ЛВС) обычно используется витая пара аналогичного типа, но экранированная и изготовленная 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 импеданса линии привела к созданию двухпортовых сетей, таких как фильтры, для согласования номинального импеданса. Номинальный импеданс низкочастотных симметричных T- или Pi-фильтров (или, в более общем смысле, секций фильтра изображения ) определяется как предел импеданса изображения фильтра, когда частота приближается к нулю и задается следующим образом:

где L и C определены в фильтре с постоянным 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 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 [ править ]

В области радиочастот (RF) и микроволновой техники, безусловно, наиболее распространенным стандартом линии передачи является коаксиальный кабель 50 Ом ( коаксиальный кабель ), который является несимметричной линией . 50 Ом впервые возник как номинальный импеданс во время Второй мировой войны при работе над радаром и представляет собой компромисс между двумя требованиями. Этот стандарт был разработан во время войны Объединенным координационным комитетом по кабелю армии и флота США. Первое требование - минимальные потери. Потери коаксиального кабеля выражаются выражением

неперс / метр

где R - сопротивление контура на метр, а Z 0 - характеристический импеданс. 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, тем самым увеличивая потери. Существует конкретное значение D r, при котором потери минимальны, и оно составляет 3,6. Для воздушного диэлектрикакоаксиального кабеля это соответствует характеристическому сопротивлению 77 Ом. Коаксиальный кабель, произведенный во время войны, представлял собой жесткую трубу с воздушной изоляцией, и это продолжалось некоторое время спустя. Второе требование - максимальная управляемая мощность и было важным требованием для радара. Это не то же самое, что минимальные потери, потому что мощность обычно ограничивается пробивным напряжением 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 напряженности электрического поля.вблизи 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;

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

При производстве коаксиального кабеля во время войны и в течение некоторого периода после него 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 для ВЧ-связи, чем для голосовых частот, поэтому, когда стал доступен кабель, который действительно имел 50 Ом, возникла необходимость 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 его изготовление. 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 Wire & Cable, в качестве номинального импеданса было выбрано 75 Ом, а не 77 Ом, поскольку 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 [ править ]

Распространенное представление о том, что номинальные сопротивления кабеля 50 Ом и 75 Ом возникли в связи с входным сопротивлением различных антенн, является мифом. Верно, однако, что несколько обычных антенн легко согласовать с кабелями с таким номинальным сопротивлением. [7] Четвертьволновый монополь в свободном пространстве имеет импеданс 36,5 Ом, [11] а полуволновый диполь в свободном пространстве имеет полное сопротивление 72 Ом. [12] С другой стороны, полуволновой свернутый диполь , который обычно можно увидеть на телевизионных антеннах, имеет импеданс 288 Ом - в четыре раза больше, чем у прямолинейного диполя. ½  λ Диполь и сложенный диполь 1/2 λ обычно считаются имеющими номинальные сопротивления 75 Ом и 300 Ом соответственно. [13]

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 [ править ]

Одним из показателей качества изготовления и монтажа кабеля является то, насколько близко 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, то есть обратных потерь.. Обратные потери сами по себе мало что показывают, поскольку конструкция кабеля в любом случае будет иметь некоторые внутренние возвратные потери из-за отсутствия чисто резистивного волнового сопротивления. Используемая методика заключается в том, чтобы тщательно отрегулировать концевую заделку кабеля для получения как можно более точного согласования, 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 проводиться 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 сокращаются.на определенных частотах из-зачетвертьволновое действие трансформатора импеданса . [16] [17]

Аудиосистемы [ править ]

По большей части, в профессиональных и домашних аудиосистемах 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 производительность, если последнее во много раз больше, чем первое. [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. Где звук должен передаваться на большие расстояния, что часто имеет место в вещательной технике., соображения согласования и отражения диктуют необходимость использования телекоммуникационного стандарта, 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 дает преимущества в отношении ширины полосы). Номинальный импеданс линии передачи, усилителей и эквалайзеров в цепи передачи будет одинаковым. [6]

Номинальный импеданс будет использоваться, однако, для характеристики преобразователей аудиосистемы, такие , как его 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.

Громкоговорители [ править ]

Диаграмма, показывающая изменение импеданса типичного среднечастотного громкоговорителя. Номинальный импеданс обычно определяется в самой низкой точке после резонанса. Однако возможно, что низкочастотный импеданс еще ниже этого значения. [19]

Сопротивление громкоговорителей остается относительно низким по сравнению с другими аудиокомпонентами, так что требуемая мощность звука может передаваться 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 драйверов высокочастотного 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 импеданс будет расти с увеличением частоты от значения постоянного тока , 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. [22] Динамики 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 импедансу может достигать 4: 1. [25] Тем не менее, вполне возможно, что низкочастотный импеданс на самом деле будет ниже номинального импеданса. [19] Данный аудиоусилитель может быть неспособен управлять этим низкочастотным импедансом, даже если он способен управлять номинальным импедансом, проблема, которая может быть решена либо с использованием кроссоверных фильтров, либо с недооценкой поставляемого усилителя. [26]

Во времена ламп (электронных ламп ) номинальное сопротивление большинства громкоговорителей составляло 16 Ом. Для выходов клапанов требуется выходной трансформатор, чтобы согласовать очень высокое выходное сопротивление и напряжение выходных клапанов с этим более низким сопротивлением. Эти трансформаторы обычно использовались, чтобы обеспечить согласование выхода с настройкой нескольких громкоговорителей. Например, два громкоговорителя по 16 Ом, включенные параллельно, дадут импеданс 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 полупроводниковых усилителей предназначены для работы с комбинациями громкоговорителей от 4 до 8 Ом. [27]

Микрофоны [ править ]

Существует большое количество различных типов микрофонов, и, соответственно, между ними существуют 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. Промышленность Альянс Электронная (EIA) , определил [28] ряд стандартных микрофонов номинальных сопротивлений категоризации помощи микрофонов. [29]

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

Международная электротехническая комиссия определяет аналогичный набор номинальных сопротивлений, но также имеет более грубую классификацию минимума (менее 600 Ом), средний (600 Ом до 10 кОм) и высокие (более 10 кОм) импедансов. [30] [ неудачная проверка ]

Осциллографы [ править ]

Входы осциллографов 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 обычного использования пробников X10 . Обычно номинальное сопротивление осциллографа составляет 1 МОм, а емкость - 20 пФ . [31] При известном входном импедансе осциллографа разработчик пробника может гарантировать, что входное сопротивление пробника будет ровно в десять раз больше 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]

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Маслин, стр.78
  2. ^ Graf, p.506.
  3. ^ Schmitt, pp.301-302.
  4. ^ а б Шмитт, с.301.
  5. ^ Птица, pp.564, 569.
  6. ^ а б Уитакер, стр.115.
  7. ^ a b Golio, стр.6-41.
  8. ^ a b c Порода, стр.6–7.
  9. ^ Хармон Баннинг ( WL Gore & Associates, Inc. ), "История 50 Ом" , RF Cafe
  10. ^ Стив Лэмпен, "Coax History" (список рассылки), Contesting.com . Лампен - менеджер по развитию технологий в Belden Wire & Cable Co. и автор книги « Провод, кабели и оптоволокно» .
  11. ^ Chen, pp.574-575.
  12. ^ Gulati, p.424.
  13. ^ Gulati, p.426.
  14. ^ Хейс (1989), стр. 3-4
  15. ^ Солома (2003)
  16. ^ Rymaszewskiдр p.407.
  17. ^ Ciciora, p.435.
  18. ^ Eargle & Foreman, с.83.
  19. ^ а б Дэвис и Джонс, стр.205.
  20. ^ Баллу, p.523.
  21. ^ Васи, pp.34-35.
  22. ^ Davis & Jones, p.206.
  23. ^ Davis & Jones, p.233.
  24. ^ Старк, стр.200.
  25. ↑ Дэвис и Джонс, стр.91.
  26. ^ Баллу, pp.523, 1178.
  27. ↑ van der Veen, p.27.
  28. ↑ Electronic Industries Standard SE-105, август 1949 г.
  29. ^ Баллу, p.419.
  30. ^ Международный стандарт IEC 60268-4 Звуковое оборудование - Часть 4: Микрофоны .
  31. ^ стр.97–98.
  32. ^ Hickman, pp.33-37.
  33. ^ О'Делл, pp.72-79.

Библиография [ править ]

  • Глен Баллоу, Справочник звукорежиссеров , Gulf Professional Publishing, 2005 ISBN  0-240-80758-8 .
  • Джон Берд, Теория и технология электрических цепей , Elsevier, 2007 ISBN 0-7506-8139-X . 
  • Гэри Брид, «В 50 Ом нет ничего волшебного» , High Frequency Electronics , стр. 6–7, июнь 2007 г., Summit Technical Media LLC, заархивировано 26 июня 2015 г.
  • Вай-Кай Чен, Справочник по электротехнике , Academic Press, 2005 ISBN 0-12-170960-4 . 
  • Уолтер С. Чичора, Современные технологии кабельного телевидения: видео, голос и передача данных , Морган Кауфманн, 2004 ISBN 1-55860-828-1 . 
  • Гэри Дэвис, Ральф Джонс, Справочник по звукоусилению , Hal Leonard Corporation, 1989 ISBN 0-88188-900-8 . 
  • Джон М. Эргл , Крис Форман, Аудиотехника для звукоусиления , Hal Leonard Corporation, 2002, ISBN 0-634-04355-2 . 
  • Джон Майкл Голио, Справочник по радиочастотам и микроволновому излучению , CRC Press, 2001 ISBN 0-8493-8592-X . 
  • Рудольф Ф. Граф, Современный словарь электроники , Newnes, 1999 ISBN 0-7506-9866-7 . 
  • Р.Р. Гулати, Принципы современной телевизионной практики, технологии и обслуживание , New Age International, ISBN 81-224-1360-9 . 
  • Джон Д. Хейс, Практические проволочные антенны , Радиообщество Великобритании, 1989 ISBN 0-900612-87-8 . 
  • Ян Хикман, Осциллографы: как использовать их, как они работают , Newnes, 2001 ISBN 0-7506-4757-4 . 
  • Стивен Лэмпен, проводная, кабельная и волоконная оптика для видео и аудио инженеров , McGraw-Hill 1997 ISBN 0-07-038134-8 . 
  • AKMaini, Электронные проекты для начинающих , Пустак Махал, 1997 ISBN 81-223-0152-5 . 
  • Николас М. Маслин, ВЧ-связь: системный подход , CRC Press, 1987 ISBN 0-273-02675-5 . 
  • Томас Генри О'Делл, Схемы для электронных приборов , Cambridge University Press, 1991 ISBN 0-521-40428-2 . 
  • Р. Туммала, Э. Дж. Рымашевский (редактор), Алан Г. Клопфенштейн, Справочник по упаковке для микроэлектроники , том 3, Springer, 1997 ISBN 0-412-08451-1 . 
  • Рон Шмитт, Объяснение электромагнетизма: Справочник по беспроводной / радиочастотной, ЭМС и высокоскоростной электронике , Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7403-2 . 
  • Скотт Хантер Старк, « Живое усиление звука»: всестороннее руководство по системам и технологиям звукового и музыкального усиления , Hal Leonard Corporation, 1996 ISBN 0-918371-07-4 . 
  • Джон Васи, концертные системы звука и освещения , Focal Press, 1999 ISBN 0-240-80364-7 . 
  • Менно ван дер Вин, Современные высококачественные клапанные усилители: на основе тороидальных выходных трансформаторов , Elektor International Media, 1999 ISBN 0-905705-63-7 . 
  • Джерри К. Уитакер, телевизионные приемники , McGraw-Hill Professional, 2001 ISBN 0-07-138042-6 .