Номинальное сопротивление в электротехнике и аудиотехнике относится к приблизительному расчетному сопротивлению электрической цепи или устройства. Термин применяется в ряде различных областей, чаще всего встречаясь в отношении:
Фактическое сопротивление может значительно отличаться от номинального значения при изменении частоты. В случае кабелей и других линий передачи также существует изменение по длине кабеля, если он не имеет надлежащего окончания.
Обычно говорят о номинальном импедансе, как если бы это было постоянное сопротивление, [1] то есть, оно инвариантно с частотой и имеет нулевую реактивную составляющую, несмотря на то, что это часто бывает далеко не так. В зависимости от области применения, номинальный импеданс неявно относится к определенной точке на частотной характеристике рассматриваемой цепи. Это может быть низкая частота, средняя полоса или какая-то другая точка, и конкретные приложения обсуждаются в разделах ниже. [2]
В большинстве приложений существует ряд значений номинального импеданса, которые признаются стандартными. Номинальному импедансу компонента или цепи часто присваивается одно из этих стандартных значений, независимо от того, соответствует ли ему измеренный импеданс. Элементу присваивается ближайшее стандартное значение.
Номинальное сопротивление впервые начали указывать на заре телекоммуникаций . Сначала усилители были недоступны, а когда они появились, они были дорогими. Следовательно, необходимо было добиться максимальной передачи мощности от кабеля на приемном конце, чтобы максимально увеличить длину кабелей, которые можно было установить. Также стало очевидно, что отражения на линии передачи серьезно ограничат полосу пропускания, которую можно было использовать, или расстояние, на которое можно было передавать. Согласование сопротивления оборудования с характеристическим сопротивлением кабеля уменьшает отражения (и они полностью устраняются, если соответствие идеальное), а передача мощности максимизируется. С этой целью все кабели и оборудование начали указывать на стандартное номинальное сопротивление. Самым ранним и до сих пор наиболее распространенным стандартом является 600 Ом , изначально использовавшийся для телефонии . Выбор этой цифры был больше связан со способом подключения телефонов к местной АТС , чем с какой-либо характеристикой местного телефонного кабеля. Телефоны ( аналоговые телефоны старого образца ) подключаются к АТС с помощью витой пары. Каждая ножка пары подключена к катушке реле , которая обнаруживает сигнализацию на линии ( набор номера , снятие трубки и т. д.). Другой конец одной катушки подключен к источнику питания, а вторая катушка подключена к земле. Катушка реле телефонной станции имеет сопротивление около 300 Ом, поэтому они вместе замыкают линию на 600 Ом. [3]
Проводка к абоненту в телефонных сетях обычно выполняется с помощью витой пары. Ее сопротивление на звуковых частотах, и особенно на более ограниченных частотах телефонного диапазона, далеко не постоянно. Можно изготовить такой кабель с характеристическим сопротивлением 600 Ом, но это будет только это значение на одной определенной частоте. Это можно назвать номинальным сопротивлением 600 Ом на частоте 800 Гц или 1 кГц. Ниже этой частоты характеристическое сопротивление быстро растет и становится все более и более зависимым от омического сопротивления кабеля по мере падения частоты. В нижней части звукового диапазона сопротивление может составлять несколько десятков килоом. С другой стороны, на высокой частоте в области МГц характеристическое сопротивление выравнивается до чего-то почти постоянного. Причина этого отклика кроется в константах первичной линии . [4]
Локальные вычислительные сети (LAN) обычно используют похожий тип витой пары, но экранированный и изготовленный с более жесткими допусками, чем это необходимо для телефонии. Несмотря на то, что он имеет очень похожее сопротивление с телефонным кабелем, номинальное сопротивление оценивается в 100 Ом. Это связано с тем, что данные LAN находятся в более высоком частотном диапазоне, где характеристическое сопротивление в значительной степени плоское и в основном резистивное. [4]
Стандартизация номинального импеданса линии привела к тому, что двухпортовые сети , такие как фильтры, были разработаны для согласования номинального импеданса. Номинальный импеданс низкочастотных симметричных секций T- или Pi-фильтра (или, в более общем смысле, секций фильтра изображения ) определяется как предел импеданса изображения фильтра, когда частота приближается к нулю, и задается как,
где L и C определены в фильтре с постоянным k . Это сопротивление является чисто резистивным. Этот фильтр, преобразованный в полосовой фильтр , будет иметь сопротивление, равное номинальному сопротивлению на резонансной, а не на низкой частоте. Это номинальное сопротивление фильтров обычно будет таким же, как номинальное сопротивление цепи или кабеля, в котором работает фильтр. [5]
В то время как 600 Ом является почти универсальным стандартом в телефонии для локального представления в помещениях клиента от АТС, для передачи на большие расстояния по магистральным линиям между АТС используются другие стандартные номинальные сопротивления, которые обычно ниже, например, 150 Ом. [6]
В области радиочастотной (РЧ) и микроволновой техники, безусловно, наиболее распространенным стандартом линии передачи является коаксиальный кабель 50 Ом (коаксиал), который является несбалансированной линией . 50 Ом впервые возникло как номинальное сопротивление во время работ над радаром во время Второй мировой войны и является компромиссом между двумя требованиями. Этот стандарт был работой военного времени США, совместного армейско-флотского координационного комитета по радиочастотным кабелям. Первое требование - минимальные потери. Потери коаксиального кабеля определяются по формуле:
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 определенное значение D r , для которого потери минимальны, которое оказывается равным 3,6. Для воздушного диэлектрического коаксиала это соответствует характеристическому сопротивлению 77 Ом. Коаксиальный кабель, произведенный во время войны [ какая? ], представлял собой жесткую трубу с воздушной изоляцией, и это оставалось таковым в течение некоторого времени после этого. Второе требование — максимальная мощность, и оно было важным требованием для радаров. Это не то же самое условие, что и минимальные потери, потому что мощность обычно ограничивается напряжением пробоя диэлектрика. Однако существует аналогичный компромисс с точки зрения соотношения диаметров проводников. Слишком большой внутренний проводник приводит к тонкому изолятору, который пробивает при более низком напряжении. С другой стороны, слишком маленький внутренний проводник приводит к более высокой напряженности электрического поля вблизи внутреннего проводника (потому что 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. Сопротивление 50 Ом является геометрическим средним этих двух чисел;
и затем округляем до удобного целого числа. [7] [8]
В военном производстве коаксиала, и в течение некоторого периода после этого, как правило, использовались стандартные размеры водопроводных труб для внешнего проводника и стандартные размеры AWG для внутреннего проводника. Это привело к тому, что коаксиал был почти, но не совсем, 50 Ом. Согласование является гораздо более важным требованием на радиочастотах, чем на голосовых частотах, поэтому, когда кабель начал становиться доступным, это было действительно 50 Ом, и возникла необходимость в согласующих схемах для сопряжения новых кабелей и устаревшего оборудования, таких как довольно странная согласующая сеть 51,5 Ом на 50 Ом. [8] [9]
Хотя кабель 30 Ом весьма желателен из-за его возможностей по передаче мощности, он никогда не выпускался в коммерческих целях, поскольку большой размер внутреннего проводника затрудняет его производство. Этого нельзя сказать о кабеле 77 Ом. Кабель с номинальным сопротивлением 75 Ом использовался с раннего периода в телекоммуникациях из-за его низких потерь. По словам Стивена Лампена из Belden Wire & Cable, в качестве номинального сопротивления было выбрано 75 Ом, а не 77 Ом, поскольку оно соответствовало стандартному размеру провода AWG для внутреннего проводника. Для коаксиальных видеокабелей и интерфейсов 75 Ом теперь является почти универсальным стандартным номинальным сопротивлением. [8] [10]
Распространенное представление о том, что номинальные сопротивления кабелей 50 Ом и 75 Ом возникли в связи с входным сопротивлением различных антенн, является мифом. Несколько распространенных антенн легко согласуются с кабелями с этими номинальными сопротивлениями. [7] Четвертьволновой монополь в свободном пространстве имеет сопротивление 36,5 Ом, [11] а полуволновой диполь в свободном пространстве имеет сопротивление 72 Ом. [12] С другой стороны, полуволновой сложенный диполь , обычно встречающийся на телевизионных антеннах, имеет сопротивление 288 Ом — в четыре раза больше, чем у прямого диполя. 1/2 λ диполь и 1/2 Обычно считается, что λ-сложенный диполь имеет номинальные сопротивления 75 Ом и 300 Ом соответственно. [13]
Сопротивление точки питания установленной антенны может быть выше и ниже указанного значения в зависимости от высоты ее установки над землей и электрических свойств окружающей земли. [14] [15]
Одним из показателей качества изготовления и монтажа кабеля является то, насколько близко характеристическое сопротивление соответствует номинальному импедансу по его длине. Изменения импеданса могут быть вызваны изменениями геометрии по длине кабеля. В свою очередь, они могут быть вызваны неисправным производственным процессом или неисправной установкой, например, несоблюдением ограничений на радиусы изгиба . К сожалению, не существует простого, неразрушающего метода прямого измерения импеданса по длине кабеля. Однако его можно определить косвенно, измерив отражения, то есть обратные потери . Обратные потери сами по себе не раскрывают многого, поскольку конструкция кабеля в любом случае будет иметь некоторые собственные обратные потери из-за отсутствия чисто резистивного характеристического сопротивления. Используемая методика заключается в тщательной настройке концевой заделки кабеля для получения максимально возможного соответствия, а затем в измерении изменения обратных потерь в зависимости от частоты. Минимальные измеренные таким образом обратные потери называются структурными обратными потерями (SRL). SRL является мерой соответствия кабелей его номинальному импедансу, но это не прямое соответствие, так как ошибки, удаленные от генератора, оказывают меньшее влияние на SRL, чем близкие к нему. Измерение также должно проводиться на всех частотах внутри полосы, чтобы быть значимым. Причина этого в том, что равномерно распределенные ошибки, внесенные производственным процессом, будут нейтрализованы и станут невидимыми или, по крайней мере, значительно уменьшены на определенных частотах из-за действия четвертьволнового трансформатора импеданса . [16] [17]
В большинстве случаев аудиосистемы, как профессиональные, так и бытовые, имеют свои компоненты, соединенные между собой выходами с низким импедансом, подключенными к входам с высоким импедансом. Эти импедансы плохо определены, и номинальные импедансы обычно не назначаются для такого типа соединения. Точные импедансы не оказывают большого влияния на производительность, пока последний во много раз больше первого. [18] 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 коротком расстоянии. Когда аудио необходимо передавать на большие расстояния, что часто бывает 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 отправка при 75 Ом и прием при 600 Ом, что имеет преимущества в полосе пропускания. Номинальный импеданс линии передачи и усилителей и эквалайзеров в цепи передачи будет иметь одинаковое значение. [6]
Однако номинальное сопротивление используется для характеристики преобразователей аудиосистемы, таких как микрофоны и громкоговорители. Важно, чтобы они были подключены к схеме, способной работать с сопротивлениями в соответствующем диапазоне, а назначение номинального сопротивления является удобным способом быстрого определения вероятных несовместимостей. Громкоговорители и микрофоны рассматриваются в отдельных разделах ниже.
Сопротивления громкоговорителей поддерживаются относительно низкими по сравнению с другими аудиокомпонентами, чтобы требуемая звуковая мощность могла передаваться без использования неудобно (и опасно) высоких напряжений. Наиболее распространенным номинальным сопротивлением для громкоговорителей является 8 Ом. Также используются 4 Ом и 16 Ом. [20] Некогда распространенное значение 16 Ом теперь в основном зарезервировано для высокочастотных компрессионных драйверов , 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 ростом частоты от его постоянного значения, как показано на диаграмме, пока не достигнет точки его механического резонанса. После резонанса импеданс падает до минимума, а затем снова начинает расти. [22] Обычно громкоговорители проектируются для работы на частотах выше их резонанса, и по этой причине обычной практикой является определение номинального импеданса на этом минимуме, а затем округление до ближайшего стандартного значения. [23] [24] Отношение пиковой резонансной частоты к номинальному импедансу может достигать 4:1. [25] Однако вполне возможно, что низкочастотный импеданс фактически будет ниже номинального импеданса. [19] Данный аудиоусилитель может быть не в состоянии управлять этим низкочастотным импедансом, даже если он способен управлять номинальным импедансом, проблема, которую можно решить либо с помощью кроссоверных фильтров , либо занижением мощности поставляемого усилителя. [26]
Во времена ламп ( вакуумных ламп ) большинство громкоговорителей имели номинальное сопротивление 16 Ом. Выходы ламп требуют выходного трансформатора для согласования очень высокого выходного сопротивления и напряжения выходных ламп с этим более низким сопротивлением. Эти трансформаторы обычно подключались для согласования выхода с установкой из нескольких громкоговорителей. Например, два громкоговорителя по 16 Ом, включенных параллельно, дадут сопротивление 8 Ом. С появлением твердотельных усилителей, выходы которых не требуют трансформатора, некогда распространенные выходы с множественным сопротивлением стали редкими, а громкоговорители с более низким сопротивлением стали более распространенными. Наиболее распространенным номинальным сопротивлением для одного громкоговорителя теперь является 8 Ом. Большинство твердотельных усилителей предназначены для работы с комбинациями громкоговорителей от 4 Ом до 8 Ом. [27]
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 , которые измеряются в мегаомах. Альянс электронной промышленности (EIA) определил [28] ряд стандартных номинальных импедансов микрофонов, чтобы помочь в классификации микрофонов. [29]
Международная электротехническая комиссия определяет аналогичный набор номинальных импедансов, но также имеет более грубую классификацию низких (менее 600 Ом), средних (от 600 Ом до 10 кОм) и высоких (более 10 кОм) импедансов. [30] [ проверка не пройдена ]
Входы осциллографа обычно имеют высокое сопротивление, так что они лишь минимально влияют на измеряемую цепь при подключении. Однако входное сопротивление сделано определенным номинальным значением, а не произвольно высоким, из-за общего использования зондов X10 . Обычным значением номинального сопротивления осциллографа является сопротивление 1 МОм и емкость 20 пФ . [31] При известном входном сопротивлении осциллографа разработчик зонда может гарантировать, что входное сопротивление зонда будет ровно в десять раз больше этой цифры (фактически осциллограф плюс сопротивление кабеля зонда). Поскольку импеданс включает входную емкость, а зонд представляет собой схему делителя импеданса, результатом является то, что измеряемая форма сигнала не искажается RC-цепью, образованной сопротивлением зонда и емкостью входа (или емкостью кабеля, которая, как правило, выше). [32] [33]
