Номинальное сопротивление

Номинальное сопротивление в электротехнике и аудиотехнике означает приблизительное расчетное сопротивление электрической цепи или устройства. Этот термин применяется в ряде различных областей, чаще всего встречается в отношении:

• Номинальное значение характеристического сопротивления кабеля или другой линии передачи .
• Номинальное значение входного , выходного или графического импеданса порта сети, особенно сети, предназначенной для использования с линией передачи, такой как фильтры , эквалайзеры и усилители .
• Номинальное значение входного сопротивления радиочастотной антенны

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

Обычно о номинальном импедансе говорят, как если бы это было постоянное сопротивление. то есть он инвариантен относительно частоты и имеет нулевую реактивную составляющую, хотя зачастую это далеко не так. В зависимости от области применения номинальное сопротивление косвенно относится к определенной точке частотной характеристики рассматриваемой схемы. Это может быть низкая частота, средний диапазон или какая-либо другая точка, а конкретные приложения обсуждаются в разделах ниже.

В большинстве случаев существует ряд значений номинального импеданса, которые считаются стандартными. Номинальному сопротивлению компонента или цепи часто присваивается одно из этих стандартных значений, независимо от того, точно ли ему соответствует измеренное полное сопротивление. Элементу присваивается ближайшее стандартное значение.

600 Ом

Номинальное сопротивление впервые стало определяться на заре развития телекоммуникаций . Сначала усилителей не было, а когда они стали доступны, они были дорогими. Следовательно, необходимо было добиться максимальной передачи мощности от кабеля на приемном конце, чтобы максимально увеличить длину прокладываемых кабелей. Также стало очевидно, что отражения на линии передачи будут серьезно ограничивать полосу пропускания, которую можно было бы использовать, или расстояние, на котором было бы практически возможно передать сигнал. Согласование импеданса оборудования с характеристическим сопротивлением кабеля уменьшает отражения (и они полностью устраняются при идеальном согласовании) и максимальная передача мощности. С этой целью все кабели и оборудование начали соответствовать стандартному номинальному сопротивлению. Самый ранний и до сих пор наиболее распространенный стандарт — 600 Ом , первоначально использовавшийся для телефонии . Выбор этой цифры был больше связан со способом подключения телефонов к местной сети. обмен, чем любая характеристика местного телефонного кабеля. Телефоны ( аналоговые телефоны старого образца ) подключаются к АТС через витую пару. Каждая ветвь пары подключена к катушке реле , которая определяет сигнализацию на линии ( набор номера , поднятие трубки и т. д.). Другой конец одной катушки подключен к напряжению питания, а вторая катушка подключена к земле. Катушка реле телефонной станции имеет сопротивление около 300 Ом, поэтому оба из них вместе завершают линию с сопротивлением 600 Ом.

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

В телефонных сетях проводка к абоненту обычно выполняется витой парой. Его сопротивление на звуковых частотах, особенно на более ограниченных частотах телефонного диапазона, далеко не постоянно. Можно изготовить такой кабель с волновым сопротивлением 600 Ом, но это значение будет только на одной конкретной частоте. Это можно указать как номинальное сопротивление 600 Ом при частоте 800 Гц или 1 кГц. Ниже этой частоты характеристическое сопротивление быстро возрастает и по мере падения частоты все больше и больше зависит от омического сопротивления кабеля. В нижней части звукового диапазона сопротивление может составлять несколько десятков килоом. С другой стороны, на высоких частотах в диапазоне МГц характеристическое сопротивление выравнивается до почти постоянного значения. Причина такого ответа кроется в константах первичной линии .

В локальных вычислительных сетях (LAN) обычно используется аналогичный кабель витой пары, но экранированный и изготовленный с более жесткими допусками, чем это необходимо для телефонии. Несмотря на то, что его полное сопротивление очень похоже на телефонный кабель, номинальное сопротивление составляет 100 Ом. Это связано с тем, что данные локальной сети находятся в более высоком частотном диапазоне, где характеристический импеданс практически плоский и в основном резистивный.

Стандартизация номинального импеданса линии привела к созданию двухпортовых сетей , таких как фильтры, с соответствующим номинальным импедансом. Номинальный импеданс нижних частот симметричных секций Т- или Pi-фильтра (или, в более общем смысле, секций фильтра изображения ) определяется как предел импеданса изображения фильтра, когда частота приближается к нулю, и определяется выражением:

$Z_{\mathrm {nom} }={\sqrt {\frac {L}{C}}}$

где L и C определены в фильтре с константой k . Этот импеданс является чисто резистивным. Этот фильтр, преобразованный в полосовой фильтр , будет иметь полное сопротивление, равное номинальному сопротивлению на резонансе, а не на низких частотах. Это номинальное сопротивление фильтров обычно совпадает с номинальным сопротивлением цепи или кабеля, в котором работает фильтр.

В то время как 600 Ом является почти универсальным стандартом в телефонии для местного представления в помещении клиента со станции, для передачи на большие расстояния по магистральным линиям между станциями используются другие стандартные номинальные сопротивления, которые обычно ниже, например 150 Ом.

50 Ом и 75 Ом

В области радиочастотной (РЧ) и микроволновой техники, безусловно, наиболее распространенным стандартом линии передачи является коаксиальный кабель (коаксиал) сопротивлением 50 Ом, который представляет собой несбалансированную линию . Сопротивление 50 Ом впервые возникло как номинальное сопротивление во время во время Второй мировой войны работы над радаром и представляет собой компромисс между двумя требованиями. Этот стандарт был разработан Объединенным координационным комитетом по радиочастотным кабелям армии и флота США во время войны. Первое требование – минимальные потери. Потери в коаксиальном кабеле определяются выражением:

$\alpha \approx {\frac {R}{2Z_{0}}}$ неперс /метр

где R — сопротивление контура на метр, а Z ₀ — характеристическое сопротивление. Увеличение диаметра внутреннего проводника уменьшит 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 оказывается равным 3,6. Для коаксиала с воздушным диэлектриком это соответствует характеристическому сопротивлению 77 Ом. Коаксиал, произведенный во время войны была жесткая труба с воздушной изоляцией, и так оставалось еще некоторое время после этого. Второе требование заключается в максимальной мощности и является важным требованием для радара. Это не то же самое, что минимальные потери, поскольку мощность обычно ограничивается напряжением пробоя диэлектрика. Однако существует аналогичный компромисс с точки зрения соотношения диаметров проводников. Слишком большой внутренний проводник приводит к образованию тонкого изолятора, который разрушается при более низком напряжении. С другой стороны, слишком маленький размер внутреннего проводника приводит к более высокой напряженности электрического поля вблизи внутреннего проводника (поскольку та же энергия поля накапливается вокруг меньшей поверхности проводника) и снова снижает напряжение пробоя. Идеальное соотношение D _r для максимальной мощности составляет 1,65 и соответствует характеристическому сопротивлению 30 Ом в воздухе. Импеданс 50 Ом представляет собой среднее геометрическое этих двух цифр;

$50\approx {\sqrt {30\times 77}}\mathrm {\ } \Omega$

а затем округление до удобного целого числа.

При производстве коаксиального кабеля во время войны и в течение некоторого периода после него, как правило, использовались стандартные размеры водопроводных труб для внешнего проводника и стандартные размеры AWG для внутреннего проводника. В результате сопротивление коаксиального кабеля было около 50 Ом, но не совсем. Согласование является гораздо более важным требованием на радиочастотах, чем на голосовых частотах, поэтому, когда кабель стал доступен, его сопротивление действительно составляло 50 Ом, и возникла необходимость в схемах согласования для взаимодействия между новыми кабелями и устаревшим оборудованием, таким как довольно странная согласующая сеть от 51,5 Ом до 50 Ом.

Хотя кабель с сопротивлением 30 Ом очень желателен из-за его мощности, он никогда не использовался в коммерческом производстве, поскольку большой размер внутреннего проводника затрудняет его производство. Это не относится к кабелю сопротивлением 77 Ом. Кабель с номинальным сопротивлением 75 Ом использовался с самого начала в телекоммуникациях благодаря своим характеристикам с низкими потерями. По словам Стивена Лампена из компании Belden Wire & Cable, в качестве номинального сопротивления было выбрано 75 Ом, а не 77 Ом, поскольку оно соответствует стандартному размеру провода AWG для внутреннего проводника. Для коаксиальных видеокабелей и интерфейсов сопротивление 75 Ом теперь является практически универсальным стандартным номинальным сопротивлением.

Радиоантенны

Распространенное представление о том, что номинальные сопротивления кабелей 50 Ом и 75 Ом возникли в связи с входным сопротивлением различных антенн, является мифом. Некоторые распространенные антенны легко подключаются к кабелям с такими номинальными сопротивлениями. Четвертьволновой монополь в свободном пространстве имеет сопротивление 36,5 Ом, Полудлиновый диполь в свободном пространстве имеет сопротивление 72 Ом. С другой стороны, полуволновой гнутый диполь , который обычно можно увидеть на телевизионных антеннах, имеет импеданс 288 Ом, что в четыре раза больше, чем у прямого диполя. ⁠ 1/2 - диполь ⁠   λ и Складчатый диполь ⁠ 1/2 ⁠ λ обычно принимается с номинальным сопротивлением 75 Ом и 300 Ом соответственно.

Импеданс точки питания установленной антенны варьируется выше и ниже указанного значения в зависимости от высоты ее установки над землей и электрических свойств окружающей земли.

Качество кабеля

Одним из показателей качества изготовления и монтажа кабеля является то, насколько близко характеристическое сопротивление соответствует номинальному сопротивлению по его длине. Изменения импеданса могут быть вызваны изменениями геометрии по длине кабеля. В свою очередь, это может быть вызвано неправильным производственным процессом или неправильным монтажом, например, несоблюдением ограничений на радиусы изгиба . К сожалению, не существует простого и неразрушающего метода непосредственного измерения импеданса по длине кабеля. Однако на это можно указать косвенно, измеряя отражения, то есть обратные потери . Обратные потери сами по себе мало о чем говорят, поскольку конструкция кабеля в любом случае будет иметь некоторые собственные обратные потери из-за отсутствия чисто резистивного характеристического импеданса. Используемый метод заключается в тщательной настройке оконечной нагрузки кабеля для достижения как можно более точного соответствия, а затем в измерении изменения обратных потерь в зависимости от частоты. Минимальные возвратные потери, измеренные таким образом, называются структурными возвратными потерями (SRL). SRL является мерой соответствия кабеля его номинальному сопротивлению, но не является прямым соответствием, поскольку ошибки, расположенные дальше от генератора, оказывают меньшее влияние на SRL, чем те, которые близки к нему. Чтобы измерения были значимыми, их также необходимо проводить на всех внутриполосных частотах. Причина этого в том, что равноотстоящие ошибки, возникающие в процессе производства, будут компенсироваться и быть невидимыми или, по крайней мере, значительно уменьшаться на определенных частотах из-за Действие трансформатора четвертьволнового импеданса .

Аудиосистемы

По большей части аудиосистемы, как профессиональные, так и бытовые, имеют компоненты, соединенные между собой выходами с низким сопротивлением и входами с высоким сопротивлением. Эти импедансы плохо определены, и номинальные импедансы обычно не назначаются для такого типа соединений. Точные значения импеданса мало влияют на производительность, если последнее во много раз больше первого. Это обычная схема соединения не только для аудио, но и для электронных устройств в целом, которые являются частью более крупного оборудования или подключаются только на небольшом расстоянии. Когда звук необходимо передавать на большие расстояния, что часто имеет место в радиовещательной технике , соображения согласования и отражения требуют использования телекоммуникационного стандарта, что обычно означает использование номинального импеданса 600 Ом, хотя иногда встречаются и другие стандарты, такие как как отправка при 75 Ом и прием при 600 Ом, что дает преимущества в полосе пропускания. Номинальное сопротивление линии передачи, а также усилителей и эквалайзеров в цепи передачи будет иметь одно и то же значение.

номинальное сопротивление используется Однако для характеристики преобразователей аудиосистемы, таких как микрофоны и громкоговорители. Важно, чтобы они были подключены к цепи, способной работать с импедансами в соответствующем диапазоне, а назначение номинального импеданса является удобным способом быстрого определения возможных несовместимостей. Громкоговорители и микрофоны рассматриваются в отдельных разделах ниже.

Громкоговорители

Диаграмма, показывающая изменение импеданса типичного громкоговорителя среднего класса. Номинальное сопротивление обычно определяется в самой низкой точке после резонанса. Однако возможно, что низкочастотный импеданс будет еще ниже этого значения.

Сопротивление громкоговорителей поддерживается относительно низким по сравнению с другими аудиокомпонентами, поэтому требуемая мощность звука может передаваться без использования неудобного (и опасного) высокого напряжения. Наиболее распространенное номинальное сопротивление громкоговорителей составляет 8 Ом. Также используются 4 Ом и 16 Ом. Когда-то распространенное сопротивление 16 Ом теперь в основном зарезервировано 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 значения постоянного тока , как показано на диаграмме, пока не достигнет точки механического резонанса. После резонанса сопротивление падает до минимума, а затем снова начинает расти. Громкоговорители обычно проектируются для работы на частотах выше их резонанса, и по этой причине номинальное сопротивление обычно определяют как минимум, а затем округляют до ближайшего стандартного значения. Отношение пиковой резонансной частоты к номинальному импедансу может достигать 4:1. Однако вполне возможно, что низкочастотное сопротивление фактически окажется ниже номинального сопротивления. Данный аудиоусилитель может быть не способен управлять этим низкочастотным сопротивлением, даже если он способен управлять номинальным сопротивлением, и эту проблему можно решить либо с помощью разделительных фильтров , либо занижая мощность поставляемого усилителя.

Во времена ламп ( вакуумных ламп ) большинство громкоговорителей имели номинальное сопротивление 16 Ом. Для ламповых выходов требуется выходной трансформатор, чтобы согласовать очень высокое выходное сопротивление и напряжение выходных ламп с этим более низким импедансом. Эти трансформаторы обычно использовались, чтобы обеспечить согласование выходного сигнала с несколькими громкоговорителями. Например, два параллельно соединенных динамика сопротивлением 16 Ом дадут импеданс 8 Ом. С появлением полупроводниковых усилителей, выходы которых не требуют трансформатора, некогда распространенные выходы с несколькими импедансами стали редкими, а громкоговорители с более низким импедансом стали более распространенными. Наиболее распространенное номинальное сопротивление для одного громкоговорителя теперь составляет 8 Ом. Большинство твердотельных усилителей предназначены для работы с комбинациями громкоговорителей с сопротивлением от 4 Ом до 8 Ом.

Микрофоны

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 Ома) до очень большого импеданса пьезоэлектрических микрофонов , который измеряется в мегаомах. Альянс электронной промышленности (EIA) определил ряд стандартных номинальных сопротивлений микрофонов для облегчения классификации микрофонов.

Диапазон (Ом)	Номинальное сопротивление 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 импедансов, но также имеет более грубую классификацию: низкие (менее 600 Ом), средние (от 600 Ом до 10 кОм) и высокие (более 10 кОм) импедансы.

Осциллографы

Входы осциллографа обычно имеют высокий импеданс, поэтому при подключении они лишь минимально влияют на измеряемую цепь. Однако входное сопротивление имеет определенное номинальное значение, а не произвольно высокое из-за обычного использования пробников X10 . Обычное значение номинального импеданса осциллографа составляет сопротивление 1 МОм и емкость 20 пФ . Зная входное сопротивление осциллографа, разработчик пробника может гарантировать, что входное сопротивление пробника будет ровно в десять раз больше этого значения (фактически сопротивление осциллографа плюс сопротивление кабеля пробника). Поскольку импеданс включает в себя входную емкость, а пробник представляет собой схему делителя импеданса, в результате измеряемая форма сигнала не искажается RC-цепью, образованной сопротивлением пробника и емкостью входа (или емкостью кабеля, которая обычно выше).

Библиография

• Глен Баллоу, Справочник для звукорежиссеров , Gulf Professional Publishing, 2005 г. ISBN   0-240-80758-8 .
• Джон Берд, Теория и технология электрических цепей , Elsevier, 2007 г. ISBN   0-7506-8139-X .
• Гэри Брид, «В 50 Омах нет ничего волшебного» , High Frequency Electronics , стр. 6–7, июнь 2007 г., Summit Technical Media LLC, архивировано 26 июня 2015 г.
• Вай-Кай Чен, Справочник по электротехнике , Academic Press, 2005 г. ISBN   0-12-170960-4 .
• Уолтер С. Чичиора, Современные технологии кабельного телевидения: передача видео, голоса и данных , Морган Кауфманн, 2004 г. ISBN   1-55860-828-1 .
• Гэри Дэвис, Ральф Джонс, Справочник по усилению звука , Hal Leonard Corporation, 1 989 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 радиочастотным и микроволновым технологиям , CRC Press, 2001 г. ISBN   0-8493-8592-X .
• Рудольф Ф. Граф, Современный словарь электроники , Newnes, 1999 г. ISBN   0-7506-9866-7 .
• Р.Р. Гулати, Принципы, технологии и обслуживание современного телевидения , New Age International, ISBN   81-224-1360-9 .
• Джон Д. Хейс, Практические проволочные антенны , Радиосообщество Великобритании, 1989 г. ISBN   0-900612-87-8 .
• Ян Хикман, Осциллографы: как их использовать, как они работают , Newnes, 2001 г. ISBN   0-7506-4757-4 .
• Стивен Лампен, Проводная, кабельная и волоконная оптика для видео- и аудиоинженеров , McGraw-Hill, 1997 г. ISBN   0-07-038134-8 .
• А.К.Маини, Электронные проекты для начинающих , Пустак Махал, 1997 г. ISBN   81-223-0152-5 .
• Николас М. Маслин, ВЧ-связь: системный подход , CRC Press, 1987 г. ISBN   0-273-02675-5 .
• Томас Генри О'Делл, Схемы для электронных приборов , издательство Кембриджского университета, 1991 г. ISBN   0-521-40428-2 .
• Р. Туммала, Э. Дж. Рымашевски (редактор), Алан Г. Клопфенштейн, Справочник по упаковке микроэлектроники , Том 3, Springer, 1997 г. ISBN   0-412-08451-1 .
• Рон Шмитт, Объяснение электромагнетизма: Справочник по беспроводной / радиочастотной связи, ЭМС и высокоскоростной электронике , Newnes, 2002 г. ISBN   0-7506-7403-2 .
• Скотт Хантер Старк, Усиление живого звука: подробное руководство по системам и технологиям усиления звука и музыки , Hal Leonard Corporation, 1996 г. ISBN   0-918371-07-4 .
• Джон Васи, Концертные звуковые и световые системы , Focal Press, 1 999 ISBN   0-240-80364-7 .
• Менно ван дер Вин, Современные ламповые усилители высокого класса: на основе тороидальных выходных трансформаторов , Elektor International Media, 1999 г. ISBN   0-905705-63-7 .
• Джерри К. Уитакер, Телевизионные ресиверы , McGraw-Hill Professional, 2001 г. ISBN   0-07-138042-6 .