特性インピーダンス＆インピーダンス

質問

特性インピーダンスとインピーダンスの違いについて教えてください。高周波の伝送線路のところに出てくる特性インピーダンスと素子のインピーダンスの違いが詳しくわからないのです。おわかりの方どうかお願いします。

回答No.6

noname#244477

地球から太陽まで距離のある長い電線の先に電球がつながれていて、地球側から電線に電池を接続したら、いつ電流が流れるかということ考えたことがありますか？
この問題を解くことで、特性インピーダンスが理解できるようになります。

素子のインピーダンスについては、おわかりだと思いますので、以下、特性インピーダンスの理解のしかたについて説明いたします。

長い伝送線路（同軸ケーブルとか平行フィーダなど）を想定してください。

線路の片端に１．５Ｖの乾電池をつなぐと、１．５Ｖの電圧が線路を光速に近い速度で満たされていきます。
短い線路ですと、電圧は終端にすぐに届いてしまい、反射して返ってくるので、そういうややこしいことは考えなくてもよいよう、線路の長さは、とりあえず、無限とします。

このとき、乾電池から、線路へ「一定の電流」が流れます。
線路には長さに比例したインダクタンスと静電容量があるので、電圧が伝わっていく過程で、線路は磁化・チャージされ、電磁エネルギーが満たされていきますので、線路には電流が流れます。電圧が満たされているポイントはどこでも一定の電流です。
長いホースに水を流し始め、ホースの中を水が満たされていく過程に似ています。

線路は、乾電池がつながれた瞬間からエネルギーを吸い取っていくので、
乾電池から見れば、線路は「抵抗」のように見えます。
乾電池の電圧を電流で割った値が、「特性インピーダンス」です。

「５０オームの抵抗素子」と「特性インピーダンス５０オームの無限長伝送線路」は、いずれを乾電池につないでも、乾電池からみると同じ５０オームの純抵抗に見えます。

以上、直流電圧を印加した場合で説明しましたが、特性インピーダンスは、「周波数に無関係」なので、高周波においても同じ事がいえます。

インピーダンス整合についてちょとだけ触れておきます。
特性インピーダンス５０オームの同軸ケーブルの先に、７５オームのケーブルを接続した場合、毎秒あたりにエネルギーを運ぶ能力が異なるケーブルが接続されていることを意味します。これにより、接続点で、エネルギーが余ったり、不足するという事態が起こり、波を伝送する場合、正の反射、負の反射が発生してしまい、効率良くエネルギーを伝送できなくなります。
この場合、５０オームを７５オームに変換するインピーダンス整合器をつけることで反射を無くすことができます。
インピーダンス整合には変圧器を使います。巻数比の２乗がインピーダンスの比率なので、５０オームを７５オームに変換するには、ルート（７５／５０）＝１．２２の巻数比の変圧器で整合がとれます。