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Nominal impedance in electrical engineering and audio engineering refers to the approximate designed impedance of an electrical circuit or device. The term is applied in a number of different fields, most often being encountered in respect of:
The actual impedance may vary quite considerably from the nominal figure with changes in frequency. In the case of cables and other transmission lines, there is also variation along the length of the cable, if it is not properly terminated.
It is usual practice to speak of nominal impedance as if it were a constant resistance,[1] that is, it is invariant with frequency and has a zero reactive component, despite this often being far from the case. Depending on the field of application, nominal impedance is implicitly referring to a specific point on the frequency response of the circuit under consideration. This may be at low-frequency, mid-band or some other point and specific applications are discussed in the sections below.[2]
In most applications, there are a number of values of nominal impedance that are recognised as being standard. The nominal impedance of a component or circuit is often assigned one of these standard values, regardless of whether the measured impedance exactly corresponds to it. The item is assigned the nearest standard value.
公称インピーダンスが初めて規定されたのは、電気通信の黎明期のことです。当初、増幅器は入手できず、入手できたとしても高価でした。そのため、設置可能なケーブルの長さを最大化するには、受信側でケーブルから最大の電力伝送を実現する必要がありました。また、伝送線路上の反射によって、使用可能な帯域幅や伝送可能な距離が著しく制限されることも明らかになりました。機器のインピーダンスをケーブルの特性インピーダンスに整合させることで反射が低減され（整合が完全であれば反射は完全に排除されます）、電力伝送が最大化されます。この目的のために、すべてのケーブルと機器は標準的な公称インピーダンスで規定されるようになりました。最も古く、現在でも最も広く使用されている標準は600Ωで、元々は電話用に使用されていました。この数値が選ばれたのは、電話ケーブルの特性というよりも、電話機が地域交換機に接続される方法に関係していました。電話機（旧式のアナログ電話機）はツイストペアケーブルを介して交換機に接続されます。ペアの各辺はリレーコイルに接続されており、リレーコイルは回線上の信号（ダイヤル、受話器のオフフックなど）を検出します。一方のコイルのもう一方の端は電源電圧に接続され、もう一方のコイルは接地されています。電話交換機のリレーコイルは約300Ωなので、2つ合わせて600Ωで回線を終端します。[ 3 ]
電話網における加入者への配線は、一般的にツイストペアケーブルで行われます。音声周波数、特に制限の厳しい電話帯域周波数では、そのインピーダンスは一定ではありません。この種のケーブルは、 特性インピーダンスが 600 Ω になるように製造できますが、この値は特定の周波数でのみ有効です。これは、 800 Hz または 1 kHz で公称 600 Ω のインピーダンスとして示される場合があります。この周波数より低い周波数では、特性インピーダンスは急速に上昇し、周波数が低下するにつれてケーブルのオーム抵抗がますます支配的になります。音声帯域の下限では、インピーダンスは数十キロオームになることがあります。一方、MHz 領域の高周波数では、特性インピーダンスはほぼ一定値に平坦化します。この応答の理由は、一次線路定数にあります。[ 4 ]
ローカルエリアネットワーク（LAN）では、一般的に同様のツイストペアケーブルが使用されますが、電話に必要な公差よりも厳しい公差でシールドおよび製造されています。電話ケーブルと非常に似たインピーダンスを持っていますが、公称インピーダンスは100Ωです 。これは、LANデータが特性インピーダンスがほぼ平坦でほとんど抵抗性である高周波数帯域にあるためです。[ 4 ]
ライン公称インピーダンスの標準化により、フィルタなどの2ポートネットワークは、整合公称インピーダンスで設計されるようになった。低域通過対称T型またはπ型フィルタセクション（より一般的にはイメージフィルタセクション）の公称インピーダンスは、周波数がゼロに近づくときのフィルタイメージインピーダンスの極限として定義され、次式で与えられる。
ここで、LとCは定数kフィルタで定義されているとおりです。このインピーダンスは純粋に抵抗性です。このフィルタをバンドパスフィルタに変換すると、低周波数ではなく共振時の公称インピーダンスに等しくなります。フィルタのこの公称インピーダンスは、一般的に、フィルタが接続されている回路またはケーブルの公称インピーダンスと同じになります。[ 5 ]
電話機では 、交換局から顧客宅へのローカルプレゼンテーションには600Ωがほぼ普遍的な標準ですが、交換局間の幹線での長距離伝送には、他の標準公称インピーダンスが使用され、通常は150Ωなど、より低い値になります 。[ 6 ]
無線周波数（RF）およびマイクロ波工学の分野では、圧倒的に最も一般的な伝送線路規格は、不平衡線路である50Ω同軸ケーブル（同軸ケーブル）です。50Ωは、第二次世界大戦中のレーダー開発作業中に公称インピーダンスとして初めて登場し、2つの要件の妥協点となっています。この規格は、戦時中の米国陸軍・海軍合同RFケーブル調整委員会によって策定されました。最初の要件は、損失を最小限に抑えることです。同軸ケーブルの損失は、次式で与えられます。
ここで、Rは 1 メートルあたりのループ抵抗、Z 0は特性インピーダンスです。内部導体の直径を大きくするとRは小さくなり、R を小さくすると損失が小さくなります。一方、Z 0は外部導体と内部導体の直径の比 ( D r ) に依存し、内部導体の直径が大きくなると小さくなり、損失が大きくなります。損失が最小となるD rの特定の値があり、それは 3.6 であることがわかりました。空気誘電体同軸の場合、これは 77 Ω の特性インピーダンスに相当します 。第二次世界大戦中に製造された同軸は、硬質空気絶縁パイプであり、その後しばらくの間はそうでした。2 番目の要件は最大電力処理であり、レーダーにとって重要な要件でした。これは最小損失と同じ条件ではありません。電力処理は通常、誘電体の破壊電圧によって制限されるためです。ただし、導体直径の比に関して同様の妥協があります。内部導体を大きくしすぎると、絶縁体が薄くなり、より低い電圧で破壊されます。一方、内部導体を小さくしすぎると、内部導体付近の電界強度が高くなります（同じ電界エネルギーがより小さな導体表面の周囲に蓄積されるため）。そして、絶縁破壊電圧は再び低下します。最大電力処理のための理想的な比率D rは 1.65 であり、空気中での特性インピーダンスは 30 Ω に相当します。50 Ω のインピーダンスは、これら 2 つの数値の幾何平均です。
戦時中の同軸ケーブルの生産、そしてその後しばらくの間は、外側導体には標準的な配管パイプのサイズ、内側導体には標準的なAWG サイズが使われる傾向がありました。このため、同軸ケーブルはほぼ50Ωでしたが、完全には50Ωではありませんでした。無線周波数では音声周波数よりもマッチングがはるかに重要な要件となるため、ケーブルが利用可能になると、それは真に50Ωとなり 、新しいケーブルと従来の機器を接続するためのマッチング回路が必要になりました。例えば、かなり奇妙な51.5Ω から50Ωの マッチングネットワークなどです。[ 8 ] [ 9 ]
30 Ω ケーブルは電力処理能力に優れているため非常に望ましいが、内部導体のサイズが大きいため製造が難しく、商業生産されたことはない。77 Ω ケーブルの場合はそうではない。 公称インピーダンス 75 Ω のケーブルは、損失が少ないため、初期の頃から通信で使用されてきた。Belden Wire & Cable の Stephen Lampen 氏によると、77 Ω ではなく 75 Ω が公称インピーダンスとして選ばれたのは、 それが内部導体の標準 AWG ワイヤサイズに対応するためである。同軸ビデオケーブルとインターフェースでは、 現在 75 Ω がほぼ普遍的な標準公称インピーダンスとなっている。[ 8 ] [ 10 ]
50 Ω と 75 Ω のケーブル公称インピーダンスがさまざまなアンテナ の入力インピーダンスに関連して生まれたという考えは誤りです。いくつかの一般的なアンテナは、これらの公称インピーダンスを持つケーブルに容易に整合できます。[ 7 ]自由空間の1/4 波長モノポールのインピーダンスは 36.5 Ω であり、[ 11 ]自由空間の1/2 波長ダイポールのインピーダンスは 72 Ω です。[ 12 ]一方、テレビアンテナでよく見られる1/2 波長折り返しダイポールのインピーダンスは 288 Ω で、直線ダイポールの 4 倍です。1/2 λ ダイポールと 1/2 λ折り返しダイポールの公称インピーダンスは、それぞれ75 Ω と 300 Ω であると一般的に考えられています。[ 13 ]
設置されたアンテナの給電点インピーダンスは、地上からの設置高さや周囲の土壌の電気的特性によって、公称値より上下に変動します。[ 14 ] [ 15 ]
ケーブルの製造および設置品質を評価する指標の一つは、ケーブル長に沿った特性インピーダンスが公称インピーダンスにどれだけ近いかです。インピーダンスの変化は、ケーブル長に沿った形状のばらつきによって生じる可能性があります。これは、製造工程の欠陥や、曲げ半径の制限を守らないといった設置不良によって生じる可能性があります。残念ながら、ケーブル長に沿ったインピーダンスを直接測定する簡単で非破壊的な方法はありません。しかし、反射、つまりリターンロスを測定することで間接的に示すことができます。リターンロス自体は、ケーブル設計上、純粋な抵抗特性インピーダンスを持たないため、いずれにしても固有のリターンロスが発生するため、あまり多くの情報を提供しません。使用される手法は、ケーブル終端を慎重に調整して可能な限り整合させ、周波数に対するリターンロスの変化を測定することです。このようにして測定された最小のリターンロスは、構造的リターンロス（SRL）と呼ばれます。SRLはケーブルが公称インピーダンスにどれだけ近いかを示す指標ですが、発生器から遠い誤差は、発生器に近い誤差よりもSRLへの影響が小さいため、直接的な対応関係ではありません。測定は、意味のあるものにするために、帯域内のすべての周波数で実施する必要がある。その理由は、製造プロセスによって導入された等間隔の誤差が、1/4波長インピーダンス変換器の動作により、特定の周波数で相殺され、見えなくなるか、少なくとも大幅に減少するからである。[ 16 ] [ 17 ]
ほとんどの場合、業務用および家庭用オーディオシステムでは、コンポーネントは低インピーダンス出力と高インピーダンス入力で相互接続されています。これらのインピーダンスは明確に定義されておらず、この種の接続には通常、公称インピーダンスは割り当てられません。後者が前者より何倍も大きい限り、正確なインピーダンスはパフォーマンスにほとんど影響を与えません。[ 18 ]これは、オーディオだけでなく、より大きな機器の一部を構成する、または短距離でのみ接続される電子機器全般に共通する相互接続方式です。オーディオを長距離伝送する必要がある場合（放送エンジニアリングではよくあるケースです）、整合と反射の考慮により、通信規格を使用することが義務付けられます。これは通常、公称インピーダンス600Ωを使用することを意味しますが、帯域幅の利点がある75Ωで送信し、600Ωで受信する など、他の規格が見られることもあります。伝送線路、および伝送チェーン内のアンプとイコライザーの公称インピーダンスはすべて同じ値になります。[ 6 ]
公称インピーダンスは、マイクロホンやスピーカーといったオーディオシステムのトランスデューサーの特性を表すために使用されます。これらのトランスデューサーは、適切な範囲のインピーダンスに対応できる回路に接続されることが重要であり、公称インピーダンスを設定することで、考えられる不適合性を迅速に判断できます。スピーカーとマイクロホンについては、以下の別々のセクションで説明します。
スピーカーのインピーダンスは、他のオーディオコンポーネントと比較して比較的低く設定されており、不便な（そして危険な）高電圧を使用せずに必要なオーディオ電力を伝送できるようになっています。スピーカーで最も一般的な公称インピーダンスは 8 Ω です。4 Ω と 16 Ω も使用されています。[ 20 ] かつて一般的だった 16 Ω は、オーディオスペクトルの高周波端を再生するのに通常それほど多くの電力を必要としないため、現在では主に高周波圧縮ドライバーに使用されています。 [ 21 ]
スピーカーのインピーダンスは、すべての周波数で一定ではありません。一般的なスピーカーでは、図に示すように、インピーダンスは周波数の増加とともに直流値から上昇し、機械的共振点に達します。共振後、インピーダンスは最小値まで低下し、その後再び上昇し始めます。 [ 22 ]スピーカーは通常、共振周波数よりも高い周波数で動作するように設計されているため、この最小値で公称インピーダンスを定義し、最も近い標準値に丸めるのが一般的です。[ 23 ] [ 24 ]ピーク共振周波数と公称インピーダンスの比は、最大で4:1になることがあります。[ 25 ]ただし、低周波インピーダンスが公称インピーダンスよりも実際に低くなる可能性は十分にあります。[ 19 ]特定のオーディオアンプは、公称インピーダンスを駆動できる場合でも、この低周波インピーダンスを駆動できない場合があります。この問題は、クロスオーバーフィルタを使用するか、アンプの定格を低く設定することで解決できます。[ 26 ]
真空管の時代には、ほとんどのスピーカーの公称インピーダンスは 16 Ω でした。真空管の出力では、出力管の非常に高い出力インピーダンスと電圧をこの低いインピーダンスに合わせるために出力トランスが必要でした。これらのトランスは、出力を複数のスピーカー構成に合わせられるように、タップが設けられていました。たとえば、16 Ω のスピーカーを 2 つ並列接続すると、インピーダンスは 8 Ω になります。出力にトランスを必要としないソリッドステートアンプの登場以来、かつて一般的だった複数のインピーダンス出力はまれになり、低インピーダンスのスピーカーがより一般的になりました。現在、単一スピーカーで最も一般的な公称インピーダンスは 8 Ω です。ほとんどのソリッドステートアンプは、4 Ω から 8 Ω までのあらゆるスピーカーの組み合わせで動作するように設計されています。[ 27 ]
マイクロホンにはさまざまな種類があり、それに応じてインピーダンスにも大きな違いがあります。インピーダンスは、リボンマイクロホンの非常に低いもの（1オーム未満）から、メガオームで測定される圧電マイクロホンの非常に高いものまで多岐にわたります。電子工業会（EIA）は、マイクロホンの分類を支援するために、いくつかの標準的なマイクロホン公称インピーダンスを定義しています[ 28 ] 。 [ 29 ]
国際電気標準会議は 同様の公称インピーダンスのセットを定義していますが、低インピーダンス（600 Ω未満）、中インピーダンス（600 Ω～10 kΩ）、高インピーダンス（10 kΩ超 ）というより粗い分類も行っています。[ 30 ]
オシロスコープの入力は通常、高インピーダンスであるため、接続しても測定対象の回路への影響は最小限に抑えられます。ただし、X10 プローブが一般的に使用されるため、入力インピーダンスは任意に高くするのではなく、特定の公称値に設定されます。オシロスコープの公称インピーダンスの一般的な値は、抵抗 1 MΩ、容量 20 pFです。 [ 31 ]オシロスコープへの入力インピーダンスが既知であれば、プローブ設計者は、プローブの入力インピーダンスがこの値のちょうど 10 倍 (実際にはオシロスコープとプローブケーブルのインピーダンス) であることを保証できます。インピーダンスには入力容量が含まれ、プローブはインピーダンス分圧回路であるため、結果として、測定対象の波形は、プローブの抵抗と入力の容量 (または一般的に高いケーブル容量) によって形成されるRC 回路によって歪むことはありません。 [ 32 ] [ 33 ]
