「長い」および「短い」送電線

DCおよび低周波AC回路では、通常、平行線の特性インピーダンスは無視されます。これには、機器回路での同軸ケーブルの使用が含まれます。これは、漂遊電界および磁界によって引き起こされる誘導された「ノイズ」によって弱い電圧信号が破損するのを防ぐためによく使用されます。

これは、回路内の重要な信号の波形またはパルスの周期と比較して、ラインで反射が発生する期間が比較的短いためです。

前のセクションで見たように、伝送ラインがDC電圧源に接続されている場合、入射パルスが最後に到達するまでの間のみ、ラインの特性インピーダンスと同じ値の抵抗として動作します。ラインを形成し、反射パルスとしてソースに戻ります。

その後（最後の例の1マイルの長さの同軸ケーブルの場合は16.292 µs）、ソースは終端インピーダンスのみを「認識」します。

問題の回路が低周波AC電力を処理する場合、AC電源が電圧ピークを出力してから電源が終端インピーダンスによって負荷されたそのピークを「検出」するまでの間に伝送線路によって導入されるこのような短い時間遅延（ラインの端に到達してソースに反射する入射波）はほとんど重要ではありません。

光の（ほぼ）速度での信号伝搬のために、ラインの長さに沿った信号の大きさが常に等しくないことはわかっていますが、ラインの開始信号とラインの終わりの信号の実際の位相差はごくわずかです。 、線長の伝搬はAC波形の周期のごく一部で発生するためです。

すべての実用的な目的のために、低周波の2導体ライン上のそれぞれのすべてのポイントに沿った電圧は、任意の時点で等しく、互いに同相であると言えます。

このような場合、問題の送電線は電気的に短いと言えます。 なぜなら、それらの伝播効果は、伝導信号の周期よりもはるかに速いからです。

対照的に、電気的に長い ラインは、伝搬時間が信号周期の大部分または倍数でさえあるラインです。 「長い」ラインは、一般に、入射信号がラインの端に到達する前に、ソースの信号波形が少なくとも1/4サイクル（「回転」の90°）を完了するラインと見なされます。

電気回路のレッスンのこの章まで 本シリーズでは、すべての接続線は電気的に短いと想定されていました。

波長の計算方法は？

これを概観するために、電圧または電流信号が伝送線路に沿って移動した距離を、そのソース周波数との関係で表す必要があります。周波数60HzのAC波形は、16.66ミリ秒で1サイクルを完了します。

光速（186,000マイル/秒）では、これは、電圧または電流信号がその時間に伝播する3100マイルの距離に相当します。送電線の速度係数が1未満の場合、伝搬速度は1秒あたり186,000マイル未満になり、距離は同じ係数だけ小さくなります。

ただし、最後の例の同軸ケーブルの速度係数（0.66）を使用した場合でも、距離は2046マイルと非常に長くなります。特定の周波数に対して計算する距離は、波長と呼ばれます。 信号の。

波長を計算する簡単な式は次のとおりです。

ギリシャ語の小文字の「ラムダ」（λ）は、速度の数値で使用される長さの単位に関係なく、波長を表します（1秒あたりのマイル数の場合はマイル単位の波長、1秒あたりのメートルの場合はメートル単位の波長）。

伝播速度は通常、屋外または真空中の信号波長を計算するときの光速ですが、伝送線路の速度係数が1未満の場合は遅くなります。

「長い」線の長さが少なくとも1/4波長であると見なされる場合、これまでに説明した回路のすべての接続線が「短い」と見なされた理由がわかります。

60 Hz AC電力システムの場合、伝搬時間の影響が大きくなる前に、電力線の長さが775マイルを超える必要があります。オーディオアンプをスピーカーに接続するケーブルは、ラインの反射が10 kHzのオーディオ信号に大きな影響を与える前に、4.65マイル以上の長さである必要があります。

ただし、無線周波数システムを扱う場合、伝送線路の長さは取るに足らないものではありません。 100 MHzの無線信号について考えてみます。光の最大伝搬速度（186,000マイル/秒）でも、その波長はわずか9.8202フィートです。

この信号を伝送する伝送線路は、「長い」と見なされるために、長さが約2.5フィートを超える必要はありません。ケーブル速度係数が0.66の場合、この臨界長は1.62フィートに短縮されます。

送電線が「短い」場合はどうなりますか？

電源が「短い」伝送ラインを介して負荷に接続されている場合、負荷のインピーダンスが回路を支配します。つまり、ラインが短い場合、それ自体の特性インピーダンスは回路の動作にほとんど影響しません。

これは、抵抗計を使用して同軸ケーブルをテストするときにわかります。ケーブルの端が終端されていない場合、ケーブルは中心導体から外部導体まで「開いた」状態になります。

メーターが接続された後、ラインは非常に短時間（RG-58 / Uケーブルの場合は約50Ω）抵抗として機能しますが、その後すぐに単純な「開回路」として動作します。つまり、ラインのインピーダンスです。オープンエンド。

抵抗計とそれを使用する人間の合計応答時間は大幅に超える ケーブルの上下の往復伝搬時間は、このアプリケーションでは「電気的に短い」ものであり、終端（負荷）インピーダンスのみを登録します。

伝搬信号の極端な速度が原因で、ケーブルの50Ωの過渡インピーダンスを抵抗計で検出できなくなります。

同軸ケーブルを使用してDC電圧または電流を負荷に伝導し、回路内のコンポーネントが反射波に「気付く」のに十分な速さで測定または応答できない場合、ケーブルは「電気的に短い」と見なされ、そのインピーダンスは回路機能とは無関係です。

ケーブルの電気的「短さ」がアプリケーションにどのように関連しているかに注意してください。電圧と電流の値がゆっくりと変化するDC回路では、特性インピーダンスと反射波の観点から、ケーブルのほぼすべての物理的長さが「短さ」と見なされます。

ただし、同じ長さのケーブルを使用して高周波AC信号を伝送すると、そのケーブルの「短さ」の評価が大きく異なる可能性があります。

送電線が電気的に「長い」場合はどうなりますか？

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、回路の動作を決定する際に、ライン自体の特性インピーダンスが負荷インピーダンスよりも優勢になります。言い換えれば、電気的に「長い」線は回路の主成分として機能し、それ自体の特性が負荷を覆い隠します。

ケーブルの一方の端にソースが接続され、もう一方の端に負荷がある場合、ソースから引き出される電流は主にラインの関数であり、負荷ではありません。これは、伝送線路が長くなるほどますます真実になります。

無限の長さの架空の50Ωケーブルを考えてみましょう。これは確かに「長い」伝送ラインの究極の例です。このラインの一方の端に接続する負荷の種類に関係なく、ソース（もう一方の端に接続）には50しか見えません。インピーダンスのΩ。ラインの長さが無限であるため、信号が到達することはありません 負荷が接続されている端。

このシナリオでは、ラインインピーダンスは回路の動作を排他的に定義し、負荷を完全に無関係にします。

伝送線路の長さが回路に与える影響を最小限に抑える方法

送電線の長さが回路の動作に与える影響を最小限に抑える最も効果的な方法は、送電線の特性インピーダンスを負荷インピーダンスに一致させることです。

負荷インピーダンスがラインインピーダンスと等しい場合、 any ラインのもう一方の端に接続された信号源は、ラインの長さに関係なく、まったく同じインピーダンスを「認識」し、そこから引き出される電流の量はまったく同じになります。

完全なインピーダンス整合のこの状態では、ライン長は、信号源での信号の出発から負荷への信号の到着までの時間遅延の量にのみ影響します。ただし、ラインインピーダンスと負荷インピーダンスの完全一致は、常に実用的または可能であるとは限りません。

次のセクションでは、「長い」伝送線路の影響について説明します。特に、線路の長さが信号波長の特定の分数または倍数と一致する場合は特にそうです。

レビュー：

• 同軸ケーブルは、信号に提供される誘導された「ノイズ」に対する優れた耐性のために、DCおよび低周波AC回路、および高周波回路で使用されることがあります。
• 送信された電圧または電流信号の周期が送電線の伝搬時間を大幅に超える場合、その送電線は電気的に短いと見なされます。 。逆に、伝搬時間が信号の周期の大部分または倍数である場合、ラインは電気的に長いと見なされます。 。
• 信号の波長 は、1つの期間のタイムスパンで伝播する物理的な距離です。波長は、式λ=v / fで計算されます。ここで、「λ」は波長、「v」は伝搬速度、「f」は信号周波数です。
• 伝送線路の「短さ」の経験則では、伝送線路は「長い」と見なされる前に少なくとも1/4波長である必要があります。
• 「短い」ラインのある回路では、終端（負荷）インピーダンスが回路の動作を支配します。ソースは、伝送ラインでの抵抗損失を除いて、負荷のインピーダンスだけを効果的に認識します。
• 「長い」ラインのある回路では、ライン自体の特性インピーダンスが回路の動作を支配します。この究極の例は、無限の長さの伝送線路です。信号は決してないためです。 負荷インピーダンスに達すると、ソースはケーブルの特性インピーダンスのみを「認識」します。
• 伝送線路がそのインピーダンスに正確に一致する負荷で終端されている場合、反射波がないため、線路の長さに問題はありません。