공칭 임피던스

전기 공학 및 오디오 공학에서 명목 임피던스는 전기 회로 또는 장치의 대략적으로 설계된 임피던스를 가리킨다.이 용어는 다양한 분야에 적용되며, 가장 흔히 다음과 관련하여 발생한다.

• 케이블 또는 다른 형식의 전송 라인의 특성 임피던스의 공칭 값.
• 네트워크 포트의 입력, 출력 또는 이미지 임피던스의 공칭 값, 특히 필터, 이퀄라이저 및 증폭기와 같은 전송 회선과 함께 사용하도록 설계된 네트워크.
• 무선 주파수 안테나의 입력 임피던스의 공칭값

실제 임피던스는 주파수의 변화로 공칭 수치와 상당히 다를 수 있다.케이블과 다른 송신선의 경우, 케이블의 길이를 따라 적절하게 종단되지 않은 경우에도 변화가 있다.

공칭 임피던스를 마치 일정한 저항인 것처럼 말하는 것이 보통 관례인데,^[1] 즉 주파수와 불변하며 반응성이 전혀 없는 성분을 가지고 있다.응용 분야에 따라 공칭 임피던스는 고려 중인 회로의 주파수 응답에 관한 특정 지점을 암시적으로 언급하고 있다.이는 저주파, 중간대역 또는 일부 다른 지점에서 이루어질 수 있으며 구체적인 적용은 아래 절에서 논의된다.^[2]

대부분의 애플리케이션에서 표준으로 인식되는 명목 임피던스 값에는 여러 가지가 있다.구성요소 또는 회로의 공칭 임피던스는 측정된 임피던스와 정확히 일치하는지 여부에 관계없이 이러한 표준 값 중 하나에 할당되는 경우가 많다.그 품목에는 가장 가까운 표준값이 할당되어 있다.

600 Ω

명목 임피던스는 통신 초기부터 지정되기 시작했다.처음에는 앰프를 사용할 수 없었고, 사용할 수 있게 되었을 때 그것들은 비쌌다.따라서 설치 가능한 케이블의 길이를 최대화하기 위해 수신 엔드의 케이블에서 최대 전력 전달을 달성해야 했다.또한 송신선에 대한 반사는 사용할 수 있는 대역폭이나 전송이 가능한 거리를 심각하게 제한한다는 것이 명백해졌다.케이블의 특성 임피던스에 장비 임피던스를 일치시키면 반사가 감소하고(완벽한 경우 모두 제거됨) 전력 전달이 극대화된다.이를 위해 모든 케이블과 장비가 표준 공칭 임피던스로 지정되기 시작했다.가장 초기, 그리고 여전히 가장 널리 보급된 표준은 600Ω으로, 원래 전화에 사용되었다.이 인물의 선택은 지역 전화 케이블의 어떤 특징보다 지역 교환에 전화기가 접속되는 방식과 더 관련이 있다고 말할 수 밖에 없다.전화(구식 아날로그 전화)는 트위스트 페어 케이블을 통해 교환기에 연결된다.쌍의 각 다리는 회선의 신호 신호를 감지하는 릴레이 코일에 연결된다(다이얼링, 핸드셋 오프 훅 등).한 코일의 다른 쪽 끝은 공급 전압에 연결되고 두 번째 코일은 접지에 연결된다.전화 교환 릴레이 코일은 약 300Ω이므로 두 사람이 함께 600Ω으로 회선을 종료하고 있다.^[3]

전화 네트워크의 가입자에 대한 배선은 일반적으로 트위스트 페어 케이블로 이루어진다.오디오 주파수, 특히 더 제한적인 전화 대역 주파수에서의 임피던스는 상수와는 거리가 멀다.600Ω 특성 임피던스를 갖도록 이러한 종류의 케이블을 제조할 수 있지만, 그것은 하나의 특정 주파수에서만 이 값이 될 것이다.이는 800Hz 또는 1kHz에서 공칭 600Ω 임피던스로 인용될 수 있다.이 주파수 이하에서는 특성 임피던스가 급격히 상승하고 주파수가 떨어질수록 케이블의 옴폭 저항이 점점 더 지배하게 된다.오디오 밴드 하단에서 임피던스는 수십 킬로옴이 될 수 있다.반면에, MHz 영역의 고주파에서는 특성 임피던스가 거의 일정한 무언가로 플래팅된다.이 반응의 이유는 일차 라인 상수에 설명되어 있다.^[4]

LAN(local area networks)은 일반적으로 유사한 종류의 트위스트 페어 케이블을 사용하지만, 전화에 필요한 것보다 더 엄격한 공차로 선별 및 제조된다.전화 케이블과 매우 유사한 임피던스를 가지고 있음에도 불구하고, 공칭 임피던스는 100Ω의 정격을 받는다.이는 LAN 데이터가 특성 임피던스가 실질적으로 평탄하고 대부분 저항성이 있는 더 높은 주파수 대역에 있기 때문이다.^[4]

라인 공칭 임피던스의 표준화는 필터와 같은 2포트 네트워크를 일치하는 공칭 임피던스로 설계하도록 이끌었다.저역 대칭 T- 또는 Pi-filter 섹션(또는 더 일반적으로 영상 필터 섹션)의 공칭 임피던스는 주파수가 0에 가까워질 때 필터 이미지 임피던스의 한계로 정의되며, 다음이 주어진다.

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

여기서 L과 C는 상수 k 필터에 정의된 것과 같다.표현에서 알 수 있듯이 이 임피던스는 순전히 저항성이 있다.대역 통과 필터로 변환된 이 필터는 저주파가 아닌 공명에서의 공칭 임피던스와 동일한 임피던스를 가질 것이다.필터의 이 공칭 임피던스는 일반적으로 필터가 작동 중인 회로 또는 케이블의 공칭 임피던스와 동일하다.^[5]

600Ω은 교환소에서 고객 구내에서 현지 프레젠테이션을 위한 전화 통신에서 거의 보편적인 표준이지만, 교환소 사이의 간선상에 장거리 전송을 위해 다른 표준 공칭 임피던스가 사용되며 일반적으로 150Ω과 같이 더 낮다.^[6]

50Ω 및 75Ω

무선 주파수(RF)와 마이크로파 엔지니어링 분야에서 멀리 떨어져서 가장 보편적인 전송선 표준은 불균형 선인 50Ω 동축 케이블(콕스)이다.50Ω은 제2차 세계 대전 중 레이더에 작용하는 동안 명목상의 임피던스로서 처음 발생하였으며, 두 요건 사이의 절충이다.이 표준은 전시된 미 육해군 합동 RF 케이블 조정 위원회의 작업이었다.첫 번째 요건은 최소 손실에 대한 것이다.동축 케이블의 손실은 다음과 같다.

${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \approx }$ ${\displaystyle R\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{{2\mathrm{}}_{}}{}}$ Z ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\$ \alpha $\약 {\frac {R}{2Z_{0}}}}}}$네패$$/미터

여기서 R은 미터당 루프 저항이고 Z는₀ 특성 임피던스다.내부 도체의 지름을 크게 하면 R이 감소하고 R이 감소하면 손실이 감소한다.반면 Z는₀ 외부 및 내부 도체(D_r)의 직경 비율에 따라 달라지며, 내부 도체 직경이 증가하면 감소하므로 손실이 증가한다.손실이 최소인 D의_r 특정 값이 있으며 이는 3.6으로 판명된다.공기 유전체 동축의 경우 이는 77Ω의 특성 임피던스에 해당한다.전쟁 중에 생산된 동축은 단단한 공기 절연관이었으며, 이후 한동안 이 상태로 남아 있었다.두 번째 요건은 최대 전력 취급에 대한 것이며 레이더에 대한 중요한 요건이었다.이는 최소 손실과 같은 조건이 아니다. 왜냐하면 일반적으로 전력 처리는 유전체의 파괴 전압에 의해 제한되기 때문이다.단, 도체 지름의 비율에 있어서는 비슷한 절충이 있다.내부 도체를 너무 크게 만들면 낮은 전압에서 분해되는 얇은 절연체가 발생한다.반면에 내부 도체를 너무 작게 만들면 내부 도체 근처에 전기장 강도가 높아지며(동일한 전기장 에너지가 작은 도체 표면을 중심으로 축적되기 때문에) 다시 고장 전압을 감소시킨다.최대 전력 취급에 대한 이상적인 비율인_r D는 1.65로 밝혀지며 공기 중 30Ω의 특성 임피던스에 해당한다.50Ω 임피던스는 이 두 그림의 기하학적 평균이다.

${\displaystyle 50\cHB {\sqrt {30\time 77}\mathrm {\}\}\Oomega }$

편리한 정수로 반올림한 ^[7][8]다음

동축의 전시 생산은 일정 기간 동안 외부 도체에 대한 표준 배관 파이프 크기와 내부 도체에 대한 표준 AWG 크기를 사용하는 경향이 있었다.그 결과 동축은 거의 50Ω이 되었다.매칭은 음성 주파수보다 RF에서 훨씬 더 중요한 요건이기 때문에, 케이블을 사용할 수 있게 되었을 때, 오히려 이상한 51.5Ω ~ 50Ω 매칭 네트워크와 같은 새로운 케이블과 레거시 장비 사이의 인터페이스에 대한 회로 매칭의 필요성이 대두되었다.^[8][9]

30Ω 케이블은 전력 처리 능력이 매우 바람직하지만, 내부 도체의 크기가 커 제조가 어려워 상용 생산에 나선 적이 없다.77 Ω 케이블은 그렇지 않다.75Ω 공칭 임피던스를 가진 케이블은 낮은 손실 특성으로 통신 초기부터 사용되어 왔다.벨덴 와이어 & 케이블 75Ω의 스테판 램펜에 따르면 내부 도체에 대한 표준 AWG 와이어 크기에 해당하기 때문에 77Ω이 아닌 공칭 임피던스로 선택되었다고 한다.동축 비디오 케이블과 인터페이스의 경우 75Ω은 이제 거의 범용 표준 공칭 임피던스에 가깝다.^[8][10]

무선안테나

다양한 안테나의 입력 임피던스와 관련하여 50Ω과 75Ω의 케이블 공칭 임피던스가 발생했다는 널리 퍼진 생각은 신화다.그러나 이러한 공칭 임피던스를 가진 케이블에 몇 개의 공통 더듬이가 쉽게 매칭되는 것은 사실이다.^[7]자유 공간의 4분의 1 파장 단극은 임피던스가 36.5Ω이고,^[11] 자유 공간의 반 파장 쌍극은 임피던스가 72Ω이다.^[12]반면, 텔레비전 안테나에서 흔히 볼 수 있는 반파장 접힌 쌍극자는 288Ω 임피던스를 가지고 있는데, 이는 직선 쌍극자의 4배에 해당한다.commonly λ 쌍극자와 ½ folded 접힌 쌍극자는 일반적으로 공칭 임피던스가 각각 75 Ω과 300 Ω인 것으로 간주된다.^[13]

설치된 안테나의 공급 지점 임피던스는 지면 위의 설치 높이와 주변 토지의 전기적 특성에 따라 인용된 값 위와 아래로 변화한다.^[14][15]

케이블품질

케이블 제조 및 설치 품질의 한 가지 척도는 특성 임피던스가 그 길이를 따라 명목 임피던스와 얼마나 밀접하게 일치하는지이다.임피던스 변화는 케이블 길이에 따른 기하학적 변동에 의해 발생할 수 있다.또한, 이는 제조 공정의 결함 또는 설치 결함(예: 벤드 반지름의 한계를 준수하지 않음)으로 인해 발생할 수 있다.안타깝게도 케이블 길이를 따라 임피던스를 직접 측정하는 쉽고 비파괴적인 방법은 없다.그러나 반사, 즉 반환손실을 측정하여 간접적으로 나타낼 수 있다.케이블 설계는 순전히 저항성 특성 임피던스를 갖지 않아 본질적인 반환 손실이 발생하기 때문에 반환 손실 자체는 별로 드러나지 않는다.사용되는 기법은 케이블 종단을 세심하게 조정하여 가능한 한 가까운 일치를 얻은 다음 주파수로 반환 손실 변동을 측정하는 것이다.측정된 최소 복귀손실을 구조 복귀손실(SRL)이라고 한다. SRL은 케이블이 공칭 임피던스를 준수하는 척도지만 직접 대응은 아니며 발전기에서 더 멀리 떨어진 오류는 가까운 오류에 비해 SRL에 미치는 영향이 적다.또한 모든 대역 내 주파수에서 측정을 수행해야 유의해야 한다.그 이유는 제조공정에 의해 도입된 균일한 간격의 오차가 취소되어 쿼터파 임피던스 변압기 작용으로 인해 특정 주파수에서 눈에 보이지 않거나 최소한 많이 줄어들기 때문이다.^[16][17]

오디오 시스템

대부분의 경우, 프로페셔널 및 가정용 오디오 시스템은 구성 요소가 고임피던스 입력에 연결된 낮은 임피던스 출력과 상호 연결된다.이러한 장애물은 제대로 정의되지 않으며 공칭 장애물은 일반적으로 이러한 종류의 연결에 할당되지 않는다.정확한 장애물은 후자가 전자보다 몇 배 큰 한 성능에는 별 차이가 없다.^[18]이것은 오디오뿐만 아니라 더 큰 장비의 일부를 구성하거나 단거리에서만 연결되는 일반적으로 전자 장치에 대한 공통 상호연결 체계다.브로드캐스트 엔지니어링에서 흔히 볼 수 있는 장거리에서 오디오를 전송해야 하는 경우, 일치 및 반사의 고려사항은 통신 표준이 사용됨을 지시하며, 이는 일반적으로 600Ω 명목 임피던스를 사용하는 것을 의미한다(흔다섯 Ω으로 송신 및 수신과 같은 다른 표준이 때때로 발견됨).g 대역폭 장점을 가진 600Ω).전송 라인의 공칭 임피던스, 전송 체인의 증폭기 및 이퀄라이저 모두 동일한 값이 될 것이다.^[6]

그러나 명목 임피던스는 마이크로폰과 확성기와 같은 오디오 시스템의 변환기의 특성을 나타내기 위해 사용된다.이러한 것들은 적절한 범위에서 장애를 처리할 수 있는 회로에 연결되어야 하며, 공칭 임피던스를 할당하는 것이 가능한 비호환성을 신속하게 결정할 수 있는 편리한 방법이다.확성기와 마이크는 아래의 별도 섹션으로 처리된다.

확성기

라우드스피커 임피던스는 다른 오디오 컴포넌트에 비해 상대적으로 낮게 유지되어 불편하게(위험하게) 고전압을 사용하지 않고도 필요한 오디오 파워를 전달할 수 있다.확성기의 가장 일반적인 공칭 임피던스는 8Ω이다.또한 4Ω과 16Ω이 사용된다.^[20]한때 공통이었던 16Ω은 현재 대부분 고주파 압축 드라이버용으로 예약되어 있는데, 이는 오디오 스펙트럼의 고주파 단부가 일반적으로 재생산하는데 그렇게 많은 전력을 필요로 하지 않기 때문이다.^[21]

확성기의 임피던스는 모든 주파수에서 일정하지 않다.일반적인 확성기에서 임피던스는 다이어그램에 표시된 것처럼 DC 값에서 증가하는 주파수로 상승하여 기계적 공진 지점에 도달할 때까지 상승한다.공명에 이어 임피던스가 최소로 떨어졌다가 다시 상승하기 시작한다.^[22]스피커는 보통 공명보다 높은 주파수에서 작동하도록 설계되며, 이러한 이유로 이 최소값에서 명목 임피던스를 정의한 다음 가장 가까운 표준값으로 반올림하는 것이 일반적인 관행이다.^[23][24]공칭 임피던스에 대한 피크 공명 주파수의 비율은 4:1 정도일 수 있다.^[25]그러나 저주파 임피던스가 실제로 공칭 임피던스보다 낮다는 것은 여전히 완벽하게 가능하다.^[19]주어진 오디오 앰프는 공칭 임피던스를 구동할 수 있음에도 불구하고 이 저주파 임피던스를 구동할 수 없을 수 있는데, 이는 크로스오버 필터를 사용하거나 제공된 앰프를 과소평가하여 해결할 수 있는 문제다.^[26]

밸브(진공관) 시대에 대부분의 확성기는 공칭 임피던스가 16Ω이었다.밸브 출력은 출력 밸브의 매우 높은 출력 임피던스와 전압을 이 낮은 임피던스와 일치시키려면 출력 변압기가 필요하다.이러한 변압기는 출력을 여러 개의 확성기 설정에 일치시키기 위해 일반적으로 두드려졌다.예를 들어 16Ω 확성기 2대를 병렬로 배치하면 임피던스가 8Ω이 된다.출력이 변압기를 필요로 하지 않는 고체 상태의 증폭기가 출현한 이후 한때 흔했던 복수 임피던스 출력은 드물어졌고, 임피던스 확성기는 더 흔해졌다.단일 확성기의 가장 일반적인 공칭 임피던스는 현재 8Ω이다. 대부분의 고체 상태의 증폭기는 4Ω ~ 8Ω의 모든 것의 확성기 조합으로 작동하도록 설계된다.^[27]

마이크

마이크의 종류는 다양하고 임피던스 차이가 크다.리본 마이크의 매우 낮은 임피던스(1옴 미만일 수 있음)부터 메가옴으로 측정되는 압전 마이크의 매우 큰 임피던스까지 다양하다.전자산업연합(EIA)은 마이크의 분류를 지원하기 위해 표준 마이크 명목상의 장애물을 다수 정의했다^[28].^[29]

범위(Ω)	EIA 공칭 임피던스(Ω)
20–80	38
80–300	150
300–1250	600
1250–4500	2400
4500-20,000	9600
20,000–70,000	40,000

국제전기기술위원회는 유사한 공칭 임피던스 세트를 정의하지만, 낮은(600Ω 미만), 중간(600Ω~10kΩ) 및 높은(10kΩ 이상) 임피던스 분류도 가지고 있다.^{[30][failed verification]}

오실로스코프

오실로스코프 입력은 일반적으로 높은 임피던스로서 연결되었을 때 측정되는 회로에 최소한의 영향만 미치게 된다.그러나 입력 임피던스는 X10 프로브의 일반적인 사용 때문에 임의적으로 높은 값이 아니라 특정한 공칭값이 된다.오실로스코프 공칭 임피던스의 공통 값은 1 MΩ 저항과 20 pF 캐패시턴스다.^[31]프로브 설계자는 오실로스코프에 대한 알려진 입력 임피던스를 사용하여 프로브 입력 임피던스가 이 그림(실제 오실로스코프와 프로브 케이블 임피던스)의 정확히 10배임을 확인할 수 있다.임피던스는 입력 캐패시턴스를 포함했고 프로브는 임피던스 분할 회로이기 때문에 측정되는 파형이 입력의 캐패시턴스(또는 일반적으로 더 높은 케이블 캐패시턴스)^[32][33]와 프로브 저항으로 형성된 RC 회로에 의해 왜곡되지 않는다.

참조

참고 문헌 목록

• Glen Ballou, Gulf Professional Publishing, 2005년 사운드 엔지니어 핸드북 ISBN0-240-80758-8.
• 존 버드, 전기 회로 이론 및 기술, 엘스비에르, 2007 ISBN 0-7506-8139-X.
• Gary Breed, "50옴에 대한 마법은 없다", High Frequency Electronics, pp. 6–7, 2007년 6월, Summit Technical Media LLC, 2015년 6월 26일 보관.
• Wai-Kai Chen, The Electric Engineering Handbook, Academic Press, 2005 ISBN 0-12-170960-4.
• 월터 S.Ciciora, Modern Cable Television Technology: Video, Voice and Data Communications, Morgan Kaufmann, 2004 ISBN 1-55860-828-1
• 게리 데이비스, 랄프 존스, 할 레너드 사의 사운드 강화 핸드북, 1989 ISBN 0-88188-900-8
• John M. Earlegle, Chris Foorman, 사운드 보강을 위한 오디오 엔지니어링, Hal Leonard Corporation, 2002, ISBN 0-634-04355-2.
• 존 마이클 골리오, RF 및 마이크로파 핸드북, CRC 프레스, 2001 ISBN 0-8493-8592-X.
• 루돌프 F. 그라프, 현대 전자사전, 1999 ISBN 0-7506-9866-7.
• R.R. Gulati, Modern Television Practice Principles, Technology and Serviceing, New Age International, ISBN 81-224-1360-9.
• John D. Heys, 실용 와이어 안테나, 영국 라디오 협회, 1989 ISBN 0-900612-87-8
• 이언 힉먼, 오실로스코프: 사용방법, 작동방법, 2001 ISBN 0-7506-4754
• Stephen Lampen, 비디오 및 오디오 엔지니어용 와이어, 케이블 및 광섬유, McGraw-Hill 1997 ISBN 0-07-038134-8.
• A.K.Maini, Pustak Mahal, 1997 ISBN 81-223-0152-5.
• 니콜라스 M.매슬린, HF 통신: 시스템 접근, CRC 프레스, 1987 ISBN 0-273-02675-5.
• 토마스 헨리 오델, 1991년 ISBN 0-521-40428-2.
• R. Tummala, E. J. Rymaszewski (edd), Alan G. Clopfenstein, Microelectronics Packaging Handbook, 3권, Springer, 1997 ISBN 0-412-08451-1.
• Ron Schmitt, 전자기학 설명: 무선/RF, EMC 및 고속 전자, 뉴네스, 2002 ISBN 0-7506-7403-2용 핸드북
• 스콧 헌터 스타크, 라이브 사운드 강화: P.A. 및 음악 강화 시스템 및 기술 종합 가이드, 할 레너드 주식회사, 1996 ISBN 0-918371-07-4.
• 존 바베이비, 콘서트 사운드 및 조명 시스템, 포커스 프레스, 1999 ISBN 0-240-80364-7
• Menno van der Veen, Modern 하이엔 밸브 앰프: Toroidal Output Transformers 기반, Electrictor International Media, 1999 ISBN 0-905705-63-7
• 제리 C.Whitaker, 텔레비전 수신기, McGraw-Hill Professional, 2001 ISBN 0-07-138042-6.