Импеданс кабеля что это

Волновое сопротивление линии

Волновое сопротивление — один из параметров электропроводящей линии, состоящей из металлических проводников. Оно показывает, какое сопротивление оказывает линия источнику энергии (генератору). Этот параметр необходимо учитывать при создании различных электрических схем, чтобы избежать значительных потерь энергии.

Природа волнового сопротивления

Волновое сопротивление линии передачи определяется отношением напряжения к току в электромагнитной волне, распространяющейся вдоль линии передачи. Оно является характеристикой среды распространения электромагнитной волны. Волновое сопротивление любого проводника не зависит от его длины, сопротивления нагрузки на линии и выходного сопротивления источника напряжения. Оно определяется лишь конструктивными параметрами сечения передающих проводников.

Для коаксиальных кабелей такими параметрами являются диаметры центрального и внутреннего проводников, а также значение диэлектрической постоянной материала заполнителя. Для линии, состоящей из двух проводов, — это расстояние между проводами, их диаметр и характеристики материала, используемого для заполнения пространства между ними.

Численно волновое сопротивление равно входному сопротивлению бесконечно длинной линии с конечной нагрузкой, равной ее собственному волновому сопротивлению. Измеряется оно в Омах и показывает, в каком соотношении находятся электрическая и магнитная составляющие электромагнитной волны.

Несмотря на то, что ток по проводнику распространяется практически мгновенно, любой электрический провод или кабель обладает волновым сопротивлением. Обычный электрический провод включает два проводника, изолированные друг от друга. Если проверить омическое сопротивление между ними, оно будет бесконечным. Если при помощи омметра проверить его, подключившись к разным концам одного проводника, то станет видно, что оно нулевое.

На маркировке кабеля указывается его импеданс (сопротивление). В большинстве обычных ситуаций он примерно равен 50 или 75 Ом. Если воспользоваться омметром, будет получен результат, о котором было рассказано выше. Важно понимать, что на самом деле речь идёт не об омическом, а о волновом сопротивлении.

Виды сопротивлений в электрических цепях

В электроцепях существует три вида сопротивлений, имеющих разную природу:

• активное;
• реактивное;
• полное или импеданс.

Активное сопротивление

Напряжение, приложенное к электрической цепи, создаёт ток, сила которого пропорциональна имеющейся разнице потенциалов. Коэффициент пропорциональности между ними является активным сопротивлением, которое также называют омическим. Когда в приведённом выше примере измерение проводилось омметром, то речь шла именно о таком сопротивлении. Величина активного сопротивления определяется из закона Ома.

Реактивное сопротивление

Если в цепи присутствует ёмкость, то возникает такой вид сопротивления, как емкостное. Оно равно нулю в том случае, когда ток постоянен. Ёмкостное сопротивление проявляется в цепи переменного тока, а также в тех случаях, когда между деталями нет прямого контакта.

Действие этого сопротивления основано на том, что расположенные рядом, но не имеющие непосредственного соединения проводники накапливают электрические заряды до определённой предельной величины, а затем постепенно разряжаются. При этом возникающий ток направлен противоположно его первоначальному изменению.

Это свойство используется в конденсаторах. Однако нужно учитывать, что ёмкость возникает практически в любых расположенных рядом проводниках, по которым течёт ток. В частности, это относится к двум жилам, из которых состоит электрический провод. В результате любое изменение силы тока в них обеспечит возникновение емкостного сопротивления.

Также существует индуктивное сопротивление. При изменениях напряжения создаётся переменное электромагнитное поле, которое индуцирует ток. Он всегда направлен противоположно первоначальному изменению. То есть, увеличивающееся индукционное сопротивление создает ток, который тормозит первоначальное изменение и наоборот.

Этим свойством обладают катушки индуктивности, но практически любые электрические детали имеют индуктивность, которая действует указанным образом. Это относится также к электрическим проводам. Они имеют определённую индуктивность, которую можно определить, поэтому оказывают сопротивление переменному току. Индуктивное сопротивление возникает также при включении или выключении нагрузки в цепи постоянного тока.

Разницу емкостного и индуктивного сопротивлений называют реактивным сопротивлением.

Импеданс

При определении импеданса или полного сопротивления учитываются все три физические разновидности сопротивления. С этой целью используют прямоугольный треугольник, у которого длина одного катета выражает значение активного сопротивления, а другого — разницу между величинами емкостного и индуктивного сопротивления.

Гипотенуза в этом случае является полным сопротивлением. Его можно определить, воспользовавшись теоремой Пифагора.

Практически в любой электрической цепи присутствуют все виды сопротивления. Однако некоторые из них могут быть пренебрежимо малы. При рассмотрении двух жил, составляющих электрический провод, учитывается лишь емкостное и индуктивное сопротивление. Следовательно, их полное сопротивление будет выражаться лишь реактивной составляющей. В этом случае можно сказать, что волновое сопротивление — это импеданс в кабеле. Он учитывает емкостную и индуктивную нагрузки.

Волновое сопротивление проводов

Если представить себе провод бесконечной длины, состоящий из двух жил и подключённый к источнику питания, то можно заметить, что не только переменный ток, но и постоянный в моменты включения и выключения создаёт волновое сопротивление.

В момент включения распространение тока по проводам будет иметь очень большую скорость, но, тем не менее, конечную. При этом в первые доли секунды ток можно рассматривать как переменный. Так как расположенные рядом провода условно являются пластинами конденсатора, начнётся процесс зарядки ёмкости, что обеспечит возникновение емкостного сопротивления.

Оба провода имеют индуктивность. Она пренебрежимо мала по сравнению с тем, какая у катушки, но она существует. Это в момент включения порождает индуктивное сопротивление. На самом деле получающийся импеданс можно измерить. Именно он представляет собой волновое сопротивление кабеля или провода.

Это относится к различным видам кабелей и справедливо как для многожильных, так и для коаксиальных кабелей. Предположение о значительной длине провода позволяет не рассматривать наложение на распространяющуюся волну отражённых волн. Расчет волнового сопротивления выполняется по специальным формулам.

Формулы для расчёта

Для двухпроводной электролинии без потерь значение внутреннего сопротивления рассчитывается по формуле:

Поскольку при определении волнового сопротивления используется понятие бесконечного проводника, имеющего идеальную форму, то для расчёта применяются формулы, учитывающие геометрические особенности и материал проводников. Далее приведены те, которые применяются в наиболее простых случаях.

Если рассматривается электропровод, состоящий из двух жил, то волновое сопротивление определяется по формуле:

При использовании коаксиальных кабелей формула будет выглядеть таким образом:

Практическое использование волнового сопротивления

Зная эту характеристику, можно предвидеть, какое будет полное сопротивление при пропускании тока высокой частоты через кабель. Чем волновое или полное сопротивление выше, тем меньше он приспособлен работать с высокой частотой. Поэтому в каждом случае использование определённого кабеля подразумевает определённые требования к волновому сопротивлению кабеля.

На практике наибольшее распространение получили коаксиальные кабели с сопротивлением 50 Ом. Это связано с тем, что они способны обеспечить передачу радиосигналов с наименьшими потерями по мощности. Применение коаксиальных кабелей 75 Ом в телевидении объясняется таким их достоинством, как наименьшее ослабление сигнала, что для телевизионного приемника является необходимым условием.

Волновое сопротивление очень важно при использовании сложных систем. Обычно его подбирают таким образом, чтобы оно соответствовало характеристикам платы, заземления и другим особенностям оборудования. Смысл волнового сопротивления подразумевает, что при использовании кабеля с неподходящей характеристикой поведение устройства может стать непредсказуемым.

Рассматриваемая характеристика измеряется для идеального провода. Он, в частности, должен не иметь изгибов, неровностей, скручиваний и аналогичных особенностей. Каждая из них нарушает идеальность распространения волны вдоль проводника, создаёт искажения и отражения. Эти изменения могут существенно влиять на электрические параметры кабеля, чего нельзя допускать. При использовании волнового сопротивления такие отклонения должны быть учтены.

Нужно также учитывать затухание сигнала, которое происходит при его реальном прохождении через проводник. Его величина будет зависеть от используемой частоты.

Когда используется электрическая энергия, важно, чтобы система обладала максимальным коэффициентом полезного действия. Одним из важных условий для этого является равенство трёх сопротивлений – передатчика, приёмника и линии передачи. Рассогласование между ними приводит к потере энергии и соответствующему снижению КПД.

Что делать, если не указано волновое сопротивление

При использовании кабеля важны все его характеристики. Однако нельзя исключить ситуацию, когда в руки попадает такой, волновое сопротивление которого остаётся неизвестным.

В этом случае нужно воспользоваться соответствующей формулой. Сказанное будет пояснено на примере. Выше была приведена формула расчёта для коаксиального кабеля. Мастер, взяв его в руки, понял, что были использованы следующие материалы:

• Центральный провод сделан из меди.
• Изолятор произведён из пористого полиэтилена.
• Оболочка представляет собой медный экран.

Расстояние от провода до оболочки равно 7.5 мм. Толщина провода составляет 2.7 мм. Используемый коэффициент выражает свойства используемого изолятора. Для пористого полиэтилена он составляет 1.5.

Если бы для изоляции применялся обычный полиэтилен, коэффициент был бы равен 2.5, а для ПВХ — 3.5.

Чтобы получить ответ, необходимо подставить имеющиеся значения в формулу. Таким образом, можно подсчитать:

138/√1.5 × (log(7.5мм/2.7мм) = 49.9 Ом.

В формуле расчета волнового сопротивления учитываются и погонное сопротивление проводов, и погонное сопротивление изоляции между ними. Но на высокой частоте эти факторы оказывают на волновое сопротивление настолько незначительное влияние, что ими вполне можно пренебречь.

Если же сопротивление нагрузки равняется волновому сопротивлению линии, то через кабель заданного диаметра можно передать максимальный уровень мощности с наименьшими потерями.

Видео по теме

Источник

30%. Часть 3: Волны в кабеле

Основным способом передачи видеосигнала в настоящее время является коаксиальный кабель. Это не случайно — такой тип кабеля наиболее дешев и надежен в широком диапазоне применений. Впрочем, все написанное ниже относится и к витой паре и к любому другому типу проводника. Суть проблемы в том, что свет (и прочие электромагнитные колебания) распространяются быстро, но не мгновенно. Поэтому изменения сигнала на выходе из видеокамеры не приводят мгновенно к таким же изменениям на входе видеомонитора. Эти изменения распространяются по кабелю со скоростью света — 300 000 км/сек, а на самом деле даже меньше — в материале кабеля электромагнитные волны распространяются в полтора — два раза медленнее. Таким образом, уже 300 метров кабеля означает задержку в 2 микросекунды (все расчеты, как всегда, с точностью -30%).

Волновое сопротивление — это не совсем сопротивление

Все слышали, что у кабеля есть «волновое сопротивление», оно же «импеданс». Не вдаваясь в детали напомню, что оно означает: это величина резистора, который можно подключить к концу кабеля, так что при этом волна, бегущая по кабелю полностью уйдет в этот резистор, как будто бы это было бесконечное продолжение кабеля. Это сам по себе нетривиальный факт — что обычное резистивное сопротивление для волны неотличимо от кабеля, но оставим это физикам. Для нас, инженеров-практиков, главное, что в таком случае волна вся уходит в приемник сигнала.

Отражение сигнала

Если же согласование нарушено — например, в системе видеонаблюдения, рассчитанной на кабель с импедансом 75 Ом, применен компьютерный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, то некоторая доля волны отразится от монитора. Примерно 30%. Эта волна побежит обратно к видеокамере, там тоже отразится и в результате на приемном конце окажутся две волны — одна первая (основная), и вторая — которая пробежала по кабелю туда-обратно еще раз. Эта волна значительно слабее, процентов 10 от основной. И хуже всего, что она отстает от основного сигнала на 4 микросекунды (на кабеле 300 метров).

Между прочим, развертка на экране монитора проходит строку за 64 микросекунды. Так что отставшая волна создаст блеклые привидения, смещенные от основного изображения на 7-8% от ширины экрана. Этот тот же эффект, который происходит при отражениях сигналов эфирного телевещания от высоких зданий. Правда, снести соседние небоскребы обычно не в нашей власти, а вот при передаче видеосигнала по кабелю все в наших руках — и лишь мы сами можем создавать себе проблемы.

Сигнал делится пополам

Надеюсь, предыдущий пассаж убедил вас в необходимости применения кабеля с правильным импедансом. А именно 75 Ом. На такое волновое сопротивление кабеля рассчитана вся аппаратура систем видеонаблюдения. Мониторы имеют входное сопротивление 75 Ом, а камеры — выходное сопротивление 75 Ом. Обратите внимание — камеры тоже имеют выходное сопротивление. Это значит, что при отключенной нагрузке сигнал на выходе камеры вдвое больше номинального. Видел я одного «деятеля» — он утверждал, что при отключении нагрузки в мониторе сигнал становится «лучше». Это просто у него кабель был настолько плохой, сигнал настолько затухал, что ему было уже не до согласования — удвоение сигнала позволяло хоть как-то вытащить сигнал и это называлось «лучше». В нормальной ситуации удвоенный сигнал приводит к перегрузке входных цепей монитора или по крайней мере к некоторому ухудшению передачи градаций серого.

Отражение на неоднородностях (скрутках)

К сожалению, понятие «волновое сопротивление кабеля» относится к идеальному кабелю. Реальный кабель не совсем эквивалентен омическому сопротивлению, поэтому некоторое отражение все-таки происходит. Более того, кабель сначала подключен к разъему, тот — коротенькими проводочками к какой-то электронной схеме и лишь там стоит согласующее сопротивление. Это совсем не то же самое, что идеальное точечное сопротивление, установленное на срезе кабеля. Все эти переходные элементы нарушают идеальную картину и означают нарушение согласования. Однако если они находятся очень близко к концу кабеля — это не так страшно. Чтобы это отражение стало заметным -отраженной волне надо сбегать вдоль всего кабеля в обе стороны, при этом она значительно ослабнет. А вот если кабель где-нибудь посередине порван и его нарастили «скруткой» — это хуже. Скрутка на расстоянии около 100 метров от края — это худший случай. Отраженный сигнал достаточно смещен относительно основного, но еще недостаточно ослабляется затуханием в кабеле.

Распределенное отражение

Сам кабель тоже не идеален. Даже если вы не испортили его при прокладке (скрутками или просто деформациями), он изначально не слишком однороден. Где-то есть дефекты, перепады состава материала диэлектрика или проводника -такой параметр (распределенное отражение волны) обычно приводится на кабели в техдокументации. Это уже один из параметров, по которым кабели отличаются «лучше-хуже». Впрочем, не самый главный.

Затухание сигнала

Значительно важнее такой параметр, как затухание сигнала в кабеле. Причем, внимание! Затухание сигнала разное на разных частотах.

Высокочастотное — потери в диэлектрике

Как правило, для кабеля приводится значения затухания на частотах 100 — 500 МГц. В лучшем случае, на частоту 10 МГц. Этот параметр очень важен, если вы собираетесь передавать по кабелю телевизионный модулированный сигнал, особенно дециметровых диапазонов. Однако низкочастотный видеосигнал, применяемый обычно в системах видеонаблюдения, занимает полосу от 50 Гц до 5 МГц. С одной стороны, это хорошо, что частоты низкие — затухание меньше. А с другой стороны — это огромный диапазон — отношение самой низкой частоты к самой высокой составляет 100000. И самое страшное — что одни частоты будут затухать сильнее, другие слабее — это уже искажения сигнала — тут никакой усилитель не поможет. Конечно, усилители обычно имеют раздельную регулировку усиления «по низким» и «по высоким», но компенсировать неравномерную частотную характеристику, конечно, не смогут.

Низкочастотное — по сопротивлению постоянному току

Особенно часто проблемой оказывается затухание по низким частотам — по постоянному току. Волновое сопротивление кабеля определяется отношением диаметров центральной жилы и экрана. Поэтому у тонких кабелей центральная жила недопустимо тонкая и имеет очень высокое омическое сопротивление. У стандартного РК-75-4 (примерный аналог RG-59U) сопротивление центральной жилы составляет около 5 Ом на 100 метров. Максимально допустимое общее сопротивление в зависимости от требований к качеству сигнала составляет 10-20 Ом (для RG-59U это 200-400 метров кабеля). Как нетрудно догадаться (см. предыдущий выпуск), для встречающегося иногда тоненького кабеля РК-75-1.5 (вторая цифра — диаметр внутренней изоляции) погонное сопротивление в 7 раз выше, а значит и в семь раз меньше допустимая длина: 30, максимум 60 метров. Вот так-то.

А еще бывает кабель с центральной жилой в виде стальной проволоки, покрытой тонким слоем меди. Он прочнее и дешевле обычного, но: предназначен только для высокочастотных сигналов (слышали про скин-слой? — высокочастотные сигналы распространяются в тонком поверхностном слое). Для низкочастотных сигналов существенно, что удельное сопротивление стали в несколько раз выше, чем у меди, а стало быть, допустимое расстояние передачи сигнала по такому кабелю в несколько раз меньше (50-100 метров).

Фазовые искажения

Однако неравномерность амплитудно-частотной характеристики — еще не самое страшное. В какой-то мере это можно компенсировать раздельными регулировками усиления низких и высоких частот в специальном усилителе-корректоре. Таким образом удается поднять допустимое расстояние распространения раза в два — если говорят, что RG-59 позволяет передавать на 300 метров, то с усилителем сгодится и метров на 600. А кабель типа RG-11 сгодился бы, наверное и до 2-3 километров. Если бы искажения были связаны только с неоднородностью амплитудно-частотной характеристики.

Однако есть еще и фазовые искажения, связанные с тем что волны разных частот распространяются с разными скоростями. Такие искажения исправить практически невозможно. Проявляется этот эффект в виде размазывания или, наоборот, звона на контуров объектов. Слишком уж велик перепад частот НЧ видеосигнала — от 50 Гц до 5 МГц. Самая высокая частота во 100 000 раз выше самой низкой! Скорость распространения волн в таком диапазоне меняется на несколько процентов даже у лучших применяемых ныне материалов. Поэтому, если сигнал распространяется на километр за 10 микросекунд, то разные его составляющие при этом разбегаются почти на микросекунду, то есть примерно на 1/100 экрана (строка = 64 микросекунды) — в результате вы получаете разрешение видеосистемы на уровне 100 ТВ линий. Вот так-то.

Некоторые кабели по этому параметру чуть лучше, некоторые чуть хуже. Но разброс невелик, два-три раза. Все определяется диэлектриком (изолятором), а выбор небогат — полиэтилен, поливинил, фторопласт. Вспененный полимер несколько лучше монолитного, но тоже ненамного. Сильно выделяется лишь кабель с воздушным, а еще лучше -вакуумным изолятором. Впрочем ценой такой кабель тоже выделяется. Кстати, у витой пары этот параметр чуть лучше, чем у коаксиального кабеля с литым диэлектриком и хуже, чем у кабеля со вспененным.

Так что не верьте слухам, что НЧ видеосигнал можно как-то передать более чем на километр. Получится именно «как-то». То есть на экране будет видно «что-то». На расстояния 2 и более километров видеосигнал ходит только модулированным, на высокочастотной несущей — от 50 МГц и далее, вплоть до лазерного излучения в волоконно-оптических системах. В таком случае полоса передаваемых частот занимает диапазон, например, от 70 до 75 МГц и фазовых искажений почти нет. Но об этом в следующей передаче.

Источник