この記事を読むと、耐波性の意味が理解できます。 波の理論の講義から、私は、波の抵抗が波に対する抵抗であることを学びました。 ほとんどの学生はまったく同じことを理解しているようです。 それは何もありません。
この記事は、この本の非常に無料の翻訳です： Lessons In Electric Circuits
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50オームケーブル？
エレクトロニクスに魅了され始めた頃、50Ω同軸ケーブルのインピーダンスについてよく耳にしました。 同軸ケーブルは2本のワイヤです。 中央ワイヤ、絶縁体、編組、絶縁体。 編組は中心導体を完全に覆います。 このようなワイヤは弱い信号を送信するために使用され、編組は信号を干渉から保護します。
私はこの碑文に困惑しました-50Ω。 2本の絶縁導体はどのようにして互いに50Ωの抵抗を持つことができますか？ ワイヤー間の抵抗を測定し、予想どおりに破損を見ました。 一方から他方へのケーブル抵抗はゼロです。 オーム計をどのように接続しても、50オームの抵抗を得ることができませんでした。
そのとき私が理解していなかったのは、ケーブルがどのように衝動に反応するかでした。 もちろん、オーム計は直流で動作し、導体が互いに接続されていないことを示しています。 ただし、ケーブルは、全長に沿って分布する静電容量とインダクタンスの影響により、抵抗として機能します。 また、従来の抵抗器と同様に、電流は電圧に比例します。 一対の導体として見えるものは、高周波信号が存在する場合の回路の重要な要素です。
この記事では、通信回線とは何かを学びます。 直流または50 Hzのネットワーク周波数で作業している場合、通信回線の多くの影響は現れません。 ただし、高周波回路では、これらの効果は非常に重要です。 伝送ラインの実用的な用途は、無線通信、コンピューターネットワーク、および電圧サージや落雷に対する保護のための低周波回路です。
ワイヤーと光の速度
次のスキームを検討してください。 回路が閉じています-ランプが点灯します。 回路が開いています-ランプが消えます。 実際、ランプはすぐには点灯しません。 彼女は少なくとも暑い必要があります。 しかし、これは私が焦点を当てたいものではありません。 電子は非常にゆっくりと移動しますが、光の速さで互いにはるかに速く相互作用します。
ワイヤーの長さが30万kmの場合はどうなりますか？ 電気は有限の速度で伝送されるため、非常に長い配線では遅延が発生します。
ランプを温める時間とワイヤの抵抗を無視すると、スイッチがオンになってから約1秒後にランプが点灯します。 この長さの超電導電力線の建設は、実際に大きな問題を引き起こすという事実にもかかわらず、これは理論的には可能であり、したがって、我々の思考実験は現実的です。 スイッチがオフになると、ランプはさらに1秒間電力を供給し続けます。
導体内での電子の動きを想像する1つの方法は、電車です。 車自体はゆっくりと動き、動き始めたばかりで、クラッチウェーブはずっと速く伝わります。
別の例えとして、おそらくより適切なものは、水中の波です。 オブジェクトは表面に沿って水平方向に動き始めます。 水分子の相互作用により波が作成されます。 波は、水分子が動くよりもずっと速く動きます。
電子は光の速度と相互作用しますが、上図の水分子のようにはるかに遅く動きます。 非常に長い回路では、スイッチを押してからランプをオンにするまでの遅延が顕著になります。
波動インピーダンス
無限の長さの2本の平行線があり、端に光がないとします。 回路ブレーカーが閉じると電流が流れますか？
ワイヤが超伝導体であるという事実にもかかわらず、ワイヤ間の静電容量を無視することはできません。
電源にワイヤを接続します。 コンデンサの充電電流は次の式で決定されます：I = C（de / dt）。 したがって、電圧の瞬間的な増加は無限の電流を生成するはずです。
ただし、電流の増加を制限するワイヤに沿ったインダクタンスがあるため、電流を無限にすることはできません。 インダクタンスの電圧降下は、式E = L（dI / dt）に従います。 この電圧降下により、最大電流が制限されます。
電子は光の速度と相互作用するため、波は同じ速度で伝播します。 したがって、インダクタの電流の増加、およびコンデンサの充電プロセスは次のようになります。
これらの相互作用の結果、バッテリーを流れる電流が制限されます。 ワイヤは無限であるため、分布容量は決して充電されず、インダクタンスにより電流が無限に増加することはありません。 つまり、ワイヤは一定の負荷のように動作します。
伝送ラインは、抵抗と同様に一定の負荷のように動作します。 電源の場合、電流が流れる場所に違いはありません。抵抗器または伝送ラインです。 このラインのインピーダンス（抵抗）は波抵抗と呼ばれ、導体の形状によってのみ決定されます。 空気絶縁のある平行線の場合、インピーダンスは次のように計算されます。
同軸ワイヤの場合、波動インピーダンスの計算式は多少異なります。
断熱材が真空でない場合、伝播速度は光速度よりも遅くなります。 実際の速度と光の速度の比は、短縮係数と呼ばれます。
短縮係数は、絶縁体の特性のみに依存し、次の式で計算されます。
インピーダンスは、特性インピーダンスとも呼ばれます。
この式は、導体間の距離が長くなると波動インピーダンスが増加することを示しています。 導体が互いに取り外されると、それらの静電容量が小さくなり、分布インダクタンスが増加します（2つの反対の電流を中和する効果は少なくなります）。 静電容量が少なく、インダクタンスが大きい=>電流が少ない=>抵抗が大きい。 逆に、ワイヤの収束により、容量が大きくなり、インダクタンスが小さくなり、電流が大きくなり、インピーダンスが小さくなります。
誘電体を通る電流漏れの影響を除くと、波動抵抗は次の式に従います。
有限長の送電線
無限の長さの線は興味深い抽象ですが、不可能です。 すべての線の長さは有限です。 数年前にオーム計で測定したRG-58 / Uケーブルの50オームの部分が無限の長さだった場合、内側と外側のワイヤの間に50オームの抵抗を固定します。 しかし、この線は無限ではなく、抵抗が無限にあるオープンとして測定されました。
ただし、制限された長さのワイヤを使用する場合、インピーダンスも重要です。 過渡電圧がラインに印加されると、電流が流れます。これは、電圧と波の抵抗の比に等しくなります。 これはオームの法則です。 しかし、彼は無期限に行動するのではなく、限られた時間だけ行動します。
行の終わりにブレークがある場合、この時点で電流は停止します。 そして、この突然の電流中断は回線全体に影響を及ぼします。 カップリングがゆるんでレールを下る列車を想像してください。 彼が壁にぶつかった場合、彼は一度にすべてを停止しません：最初に最初の車、次に2番目の車など。
ソースから伝搬する信号は、入射波と呼ばれます。 負荷から信号源への信号の伝播は、反射波と呼ばれます。
ラインの端の電子の山がバッテリーに戻るとすぐに、ラインの電流は停止し、通常の開回路のように動作します。 このすべては、抵抗計が抵抗を測定する時間がないように、適切な長さのラインに対して非常に迅速に行われます。 彼女には、回路が抵抗のように振る舞う期間をキャッチする時間がありません。 短縮係数が0.66のキロメートルケーブルの場合、信号は5.05μsしか伝搬しません。 反射波は、同じ量、つまり10.1μsの量でソースに戻ります。
高速機器は、信号を送信してから反射が到着するまでのこの時間を測定して、ケーブル長を決定できます。 この方法は、ケーブルの一方または両方のワイヤの破損を検出するためにも使用できます。 このようなデバイスは、ケーブルラインの反射率計と呼ばれます。 基本的な原理は、超音波ソナーの原理と同じです：パルス生成とエコーする時間の測定。
同様の現象が短絡の場合にも発生します。波がラインの終端に到達すると、接続された2本のワイヤ間に電圧が存在できないため、波は反射して戻ります。 反射波がソースに到達すると、ソースは短絡が発生したことを確認します。 これはすべて、信号の伝播中に発生します。
簡単な実験は、波の反射の現象を示しています。 写真のようにロープを取り、引っ張ります。 波は摩擦により完全に消滅するまで伝播し始めます。
損失のある長い列のように見えます。 ラインに沿って移動すると、信号レベルが低下します。 ただし、2番目の端が固体の壁に固定されている場合、反射波が表示されます。
通常、伝送ラインの目的は、あるポイントから別のポイントに電気信号を送信することです。
ライン上のターミネータがインピーダンスと正確に等しい場合、反射を除去できます。 たとえば、オープンまたはショート回路は、信号全体をソースに反映します。 ただし、ラインの終端で50オームの抵抗をオンにすると、すべてのエネルギーが抵抗で吸収されます。
仮定の無限の線に戻ると、それはすべて理にかなっています。 一定の抵抗器のように動作します。 ワイヤの長さを制限すると、しばらくの間だけ抵抗器のように動作し、その後-短絡または開回路のように動作します。 ただし、ラインの終端に50オームの抵抗を配置すると、再びエンドレスラインのように動作します。
実際、抵抗は無限の線がエネルギーを吸収するのと同じ方法で常にエネルギーを放散できるため、インピーダンスに等しい線の終端の抵抗は、線をソースの観点から無限にします。
ソースの波動インピーダンスが波動インピーダンスと正確に等しくない場合、ソースに戻る反射波は再び反射されます。 このタイプの反射は特に危険であり、ソースが運動量を伝達したように見せかけます。
短い伝送線路と長い伝送線路
DC回路では、通常、波動インピーダンスは無視されます。 そのような回路の同軸ケーブルでさえ、干渉から保護するためにのみ使用されます。 これは、信号周期に比べて伝播時間が短いためです。 前の章で学んだように、反射波がソースに戻るまで、伝送ラインは抵抗のように動作します。 この時間（1キロメートルのケーブルで10.1μs）の後、ソースは回路のインピーダンスを確認します。
回路が低周波信号を送信する場合、ソースはしばらくの間、波の抵抗を確認してから、ラインインピーダンスを確認します。 信号の大きさは、光の速度（ほぼ）で伝播するため、ラインの長さに沿って等しくないことがわかっています。 ただし、低周波信号の位相は、信号の伝播中にわずかに変化します。 したがって、ラインのすべてのポイントで信号の電圧と位相が等しいと仮定できます。
この場合、伝搬時間が信号周期よりもはるかに短いため、ラインが短いと想定できます。 対照的に、長いラインは、伝播中に、波形がほとんどの位相に変化するか、信号のいくつかの周期を送信することさえあるものです。 長いラインとは、伝搬中に信号の位相が90度以上変化する場合です。 これに先立ち、本書では短い行のみを検討しました。
線のタイプ（長い、短い）を判別するには、その長さと信号周波数を比較する必要があります。 たとえば、周波数が60 Hzの信号の周期は16.66 msです。 光の速度（30万km / s）で伝搬する場合、信号は5000 kmを通過します。 短縮係数が1未満の場合、速度は30万km / s未満になり、距離は同じ量だけ小さくなります。 ただし、同軸ケーブル短縮係数（0.66）を使用しても、距離は3300 kmと長くなります。 ケーブルの長さに関係なく、これは波長と呼ばれます。
簡単な式を使用すると、波長を計算できます。
長いラインとは、波長の少なくとも1/4が収まるラインです。 これで、すべての行が以前は短くなった理由を理解できます。 60Hz AC電源システムの場合、信号伝搬効果が顕著になるには、ケーブル長が825 kmを超える必要があります。 オーディオアンプからスピーカーまでのケーブルは、10 kHzのオーディオ信号に大きな影響を与えるために、7.5 km以上の長さが必要です！
RFシステムを扱う場合、伝送ラインの長さに関するタスクはそれほど簡単ではありません。 100MHzの無線信号を考えてみましょう。光の速度でも波長は3メートルです。 長いと見なされるには、伝送ラインの長さが75 cmを超える必要があります。 0.66の短縮係数では、この重要な長さはわずか50 cmです。
電源が短い伝送ラインを介して負荷に接続されると、負荷インピーダンスが支配的になります。 つまり、ラインが短い場合、インピーダンスは回路の動作に影響しません。 オーム計で同軸ケーブルをテストすると、これがわかります。隙間があります。 ラインは短時間50オームの抵抗（RG / 58Uケーブル）のように動作しますが、この時間の後、オープンが表示されます。 オーム計の応答時間は信号の伝播時間よりはるかに長いため、中断が発生します。 この非常に高速な信号伝播では、抵抗計で50Ωの遷移抵抗を検出することはできません。
直流伝送に同軸ケーブルを使用する場合、ケーブルは短いと見なされ、その波動インピーダンスは回路の動作に影響しません。 短いラインは、信号がラインに沿って伝播するよりもゆっくりと変化するラインであることに注意してください。 インピーダンスと反射波の点では、ほとんどすべての物理的なケーブル長が短くなる場合があります。 ケーブルを使用して高周波信号を送信すると、さまざまな方法でライン長を推定できます。
ソースが長い伝送ラインを介して負荷に接続されている場合、それ自体のインピーダンスが負荷抵抗を支配します。 言い換えれば、電気的に長いラインが回路の主要コンポーネントとして機能し、その特性が負荷特性を支配します。 ソースをケーブルの一端に接続すると、電流が負荷に転送されますが、電流は主に負荷ではなくラインに流れます。 ラインが長くなればなるほど、それはますます真実になります。 架空の50Ω無限ケーブルを考えてみましょう。 接続先の負荷に関係なく、ソースには50オームしか表示されません。 この場合、ライン抵抗は決定的であり、負荷抵抗は重要ではありません。
伝送ラインの長さの影響を最小限に抑える最も効果的な方法は、ラインに抵抗を負荷することです。 負荷抵抗が波の抵抗に等しい場合、線の長さに関係なく、どのソースにも同じ抵抗が現れます。 したがって、ラインの長さは信号遅延のみに影響します。 ただし、負荷抵抗と波浪抵抗の完全な一致は常に可能とは限りません。
次のセクションでは、特にラインの長さが波の小数部に等しい場合の伝送ラインについて説明します。
ケーブル操作の基本的な物理的原理を明確にしたことを願っています。
残念ながら、次の章は非常に大規模です。 この本は一気に読まれ、ある時点で立ち止まる必要があります。 最初の投稿では、これで十分だと思います。 ご清聴ありがとうございました。
ここに続く