Jeśli ktoś mówi o kablu (zwykle kablu koncentrycznym) jako 50 lub 75Om kabla, oznacza to impedancję charakterystyczną kabla. Nie można tego zmierzyć za pomocą omomierza, ponieważ występuje tylko przy prądzie przemiennym o wysokiej częstotliwości, a omomierz zwykle mierzy prądem stałym.
Impedancja charakterystyczna również nie zależy od długości kabla, w przeciwieństwie do jego rezystancji szeregowej.

Jak to się dzieje?

W przypadku prądu stałego w kablu koncentrycznym prąd płynie w jednym kierunku w przewodzie wewnętrznym iw przeciwnym kierunku w ekranie. Istotny jest tutaj tylko omowy Odporność dwóch przewodników (wewnętrzny przewodnik ma zwykle wyższą rezystancję niż ekran). Rezystancje te rosną proporcjonalnie do długości kabla.
Kabel o długości 1 m ma dwa razy większy opór niż kabel o długości 50 cm. Rezystancję tę można zmierzyć za pomocą omomierza, pod warunkiem, że ma on odpowiedni zakres dla niskich rezystancji (zwykle poniżej 1 oma).

Inaczej jest w przypadku prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości (np. częstotliwości radiowych). Tutaj wchodzi w grę prędkość sygnału w kablu. Jest to praktycznie to samo, co prędkość światła, jeśli między przewodnikiem wewnętrznym a ekranem znajduje się powietrze lub próżnia jako izolator. Jest to niepraktyczne, w praktyce używa się do tego tworzywa sztucznego, którego właściwości spowalniają propagację sygnału. Typowe kable koncentryczne mają prędkość sygnału około 2/3 prędkości światła.
Dla jasnego opisu efektu załóżmy, że w kablu nie ma być przesyłany sygnał sinusoidalny o określonej częstotliwości, ale impuls o nieskończenie stromych zboczach. Tak naprawdę nie ma czegoś takiego, ale jest to wyidealizowany eksperyment myślowy. Impuls powinien rozpocząć się zboczem narastającym i po pewnym czasie powrócić do poprzedniej wartości zboczem opadającym.

Więc jeśli wyślemy ten impuls w dół drutu, zbocze narastające będzie biec przez drut z prędkością 2/3 prędkości światła i ostatecznie dotrze do drugiego końca. W tym czasie elektronika generująca impuls, czyli wyjście, do którego podłączony jest kabel, nie zauważa, co dzieje się na drugim końcu kabla. Opór jaki „widzi” wyjście zależy tylko od samego kabla.
Dopiero gdy impuls dotrze do drugiego końca kabla, wchodzi w interakcję z odbiornikiem na końcu kabla, a efektem może być (w przypadku „niedopasowania”), że część energii impulsu jest odbijana z powrotem do kabla. Oznacza to, że kolejna krawędź wędruje z powrotem w dół kabla do urządzenia wysyłającego, ponownie poruszając się z prędkością 2/3 prędkości światła. Dopiero gdy ten odbity impuls dotrze do nadajnika, zauważa on coś we właściwościach urządzenia odbiorczego.

Prędkość światła wynosi około 300,000 30 km/s, czyli 20 cm/ns. Dwie trzecie z tego to XNUMX cm/ns.
W przypadku kabla o długości 1 m zanik wyjścia zajmuje około 10 ns Refleksja „widzi” emitowane zbocze impulsu. Podczas tych 10 ns tylko sam kabel ładuje wyjście. Wynikowa rezystancja obciążenia w tym krótkim czasie jest impedancją charakterystyczną. Wynika to z geometrii kabla i użytych materiałów.

Mówiąc dokładniej, impedancja charakterystyczna wynika ze stosunku indukcyjności linii do pojemności między przewodem wewnętrznym a ekranem. Oba są rozłożone na długości kabla, stosunek jest niezależny od długości, dlatego impedancja charakterystyczna jest niezależna od długości.

Odbicia występują w przypadku niedopasowania odbiornika, tj. gdy jego rezystancja wejściowa nie odpowiada impedancji charakterystycznej kabla. Jeśli obie rezystancje są równe, wejście odbiornika na końcu kabla szuka
nadchodzący impuls wygląda jak idealna kontynuacja kabla i nic się nie odbija. Im większa różnica, tym więcej energii impulsu jest zwracane. W dwóch skrajnych przypadkach otwartego końca kabla
(nieskończona rezystancja wejściowa) lub zwarty koniec kabla (zerowa rezystancja wejściowa), cała energia jest odbijana. W takich przypadkach impuls powraca w całości (bez strat w kablach).

Wyjście nadajnika również powinno być odpowiednio wyregulowane. Jeśli jego rezystancja wyjściowa nie odpowiada impedancji charakterystycznej kabla, wówczas powracająca rezystancja zostanie odbita Signal odbija się ponownie i biegnie z powrotem do
odbiorca. W skrajnych przypadkach zbocze impulsu może przebiegać tam i z powrotem w kablu kilka razy, jeśli oba końce są niedopasowane.

Nawiasem mówiąc, efekty te można wykorzystać do znalezienia uszkodzeń w kablu. Jest to szczególnie przydatne, gdy przewody są trudno dostępne, np. B. zakopany w ziemi. Aby to zrobić, wysyłasz stromy impuls do kabla i czekasz na odbicia. Czas potrzebny do dotarcia odbicia do punktu zasilania jest miarą tego, jak daleko znajduje się defekt. Możesz wtedy Z. B. skierować koparkę we właściwe miejsce. Ta metoda nazywa się TDR (Time Domain Reflectometry).

W powyższym przykładzie z 10 ns w kablu o długości 1 m staje się jasne, że stromość zbocza impulsu musi być tak duża, że ​​całe zbocze musi zostać pokryte w czasie krótszym niż 10 ns, w przeciwnym razie odbicie wystąpiłoby już podczas narastania
przybywa. Im wolniejsza krawędź, tym trudniej odróżnić pierwotną krawędź od odbicia. Jeśli więc mamy sygnały o tak małej stromości zbocza, że ​​opóźnienie w kablu jest wystarczająco krótkie, to efekt można pominąć, a impedancja charakterystyczna nie odgrywa już roli. A więc: impedancja charakterystyczna odgrywa ważniejszą rolę, im dłuższy kabel i bardziej strome zbocza.

Zgodnie z teorią sygnału (Fouriera) stromość zboczy ma bezpośredni związek z częstotliwościami sygnału. Rozważania te można również przeprowadzić z sygnałami sinusoidalnymi o odpowiedniej częstotliwości. To może nie być
bardziej żywo, ale być może nadal można sobie wyobrazić, że fale stojące mogą wynikać z niedopasowania na końcach kabla. Najniższa częstotliwość takich fal stojących wynika z tzw
długość kabla. W przypadku zwarcia na obu końcach, np. B. półfala w kablu, więc częstotliwość w naszym 1m kablu to 100MHz.

Widać więc, że w grę wchodzą dość wysokie częstotliwości, przynajmniej pod warunkiem, że kable nie będą zbyt długie.
Jako „praktyczną zasadę” mówi się o „krótkim elektrycznie” kablu, jeśli jest on krótszy niż 1/10 długości fali najwyższej transmitowanej częstotliwości. W tych warunkach efekty falowe – a co za tym idzie także opór falowy i związane z nim niedopasowania – można ogólnie pominąć. Jeśli zastosujesz to do technologii audio, gdzie zwykle przyjmuje się, że najwyższa częstotliwość wynosi 20 kHz, oznacza to, że kabel nie może być dłużej uznawany za krótki elektrycznie powyżej 1 km. Jeśli wolisz dokonywać obliczeń z szerokością pasma 100 kHz, nadal możesz uzyskać kabel o długości 200 m, nie martwiąc się o odbicia lub fale stojące.

Połączenia audio są więc zawsze niedopasowane, a kable zwykle nie mają określonej impedancji charakterystycznej. Częstotliwości są po prostu zbyt niskie, aby miało to znaczenie. Tylko w przypadku sygnałów wideo lub cyfrowych sygnałów audio występują częstotliwości na tyle wysokie, że sięgają „interesującego” zakresu. I tutaj również kable są zwykle wystarczająco krótkie w domu, aby uniknąć problemów.

Zanim więc kogokolwiek zmylą informacje o impedancjach charakterystycznych, należy pokrótce zastanowić się, o jakie częstotliwości sygnału i długości kabli chodzi, tj. czy w ogóle należy spodziewać się problemu w danych okolicznościach.
Należy również wspomnieć, że impedancje charakterystyczne określone dla kabli dotyczą tylko wysokich częstotliwości, które są znacznie powyżej zakresu audio.

Dla niższych częstotliwości impedancja charakterystyczna jest złożona i zależy od częstotliwości, ponieważ zachowuje się w niej linia Zakres częstotliwości ile obwodów RC połączonych szeregowo. Ponieważ linie stosowane w sektorze audio są krótkie, tylko element pojemnościowy ma wpływ, co czasami jest konieczne
kabli podano w danych technicznych.