インピーダンス整合

「インピーダンス整合はどういう所で行われているか。また、なぜ行わなければならないのか」という問題が分かりません。お願いします。

No.3 ベストアンサー 回答者： denden_kei 回答日時： 2001/11/18 17:55

レポートですか？とりあえず一般的なヒントだけ。

まず、伝送線路の概念はご存知でしょうか？
高周波回路などで、信号の波長がケーブルの長さに比べ無視できない場合、信号はケーブルを光速(とおなじオーダ)で伝わると考えるのが適当です。このような状態におけるケーブルを伝送線路と言います。
伝送線路においては、外部がわからはケーブルの端しか見えていないことになり、外部からケーブルを見たインピーダンスは従来の(導線は単なる導体、という)概念とは違ったものとなります。具体的には、ケーブルの２導体の単位長さあたりのインダクタンスLとキャパシタンスCの関数となります。
２種の異なる回路要素(ケーブルと負荷、ケーブルとケーブルなど)の接続点においてインピーダンスが等しいと、同じ伝送線路がその先もつながっているのと同じことになります。これがインピーダンス整合です。インピーダンスが整合していない場合、接続点において電圧と電流(両方向)に関する連続方程式を計算すると、有限の反射電圧が生じることになります。これは負荷へのエネルギーが一部反射されてしまうことになり、具合が悪いです。また、効率が低下します。


まとめますと、
＞インピーダンス整合はどういう所で行われているか。

上で述べていますが、周波数とケーブル長がある条件を満たす場合にこのような概念が必要となります。ご家庭でも、インピーダンス整合の概念が必要な機器がたくさんあります。テレビ、ラジオや電子レンジ、最近ではパソコン内部とか(それぞれどこに使っているかはお考えください)。なお、オーディオ機器で出てくるインピーダンスは、似ていますがちょっと違う話です(周波数が..)。

＞なぜ行わなければならないのか
整合をとらないと上記のような反射や効率の低下が生じます。

No.7 回答者： denden_kei 回答日時： 2001/11/23 10:53

うーん、実はオーディオ領域でのインピーダンス理論はよく理解していないので...。

間違いがありましたらすみません。

starflora様の回答は、「スピーカ」という例がたまたまオーディオ領域で扱われる物で、「インピーダンス」がそちら特有の定義で計算されているため、話が混乱してしまっただけだと思います。おなじ電力伝送効率の話でも、高周波の、たとえば電子レンジのマグネトロンの話(?)なら正しいと思います。

オーディオ領域でいう「インピーダンス」の計算法が分からないのでが、伝送線路理論でいう「インピーダンス」とは別物ではないでしょうか？
推測するに、オーディオ領域では、音声周波数程度の交流信号を流したとき、同じ値の抵抗負荷に相当する電流(位相は別)が流れる、という考え方で求められているのではないでしょうか？この考え方は回路設計上非常に有効だと思います。

ひょっとしたら、最近のオーディオ機器は、キャパシタなどを付加して、伝送線路理論による「特性インピーダンス」も整合をとっているのかもしれませんが(全く別の設計によるものです)。

＞　　わたしの無知は認めざるを得ないですが、理論的には、有効性が少ない、または無意味に近いとしても、スピーカーとの「特性インピーダンス整合」というのは、別に間違いではないとも思うのですが。

私も「インピーダンス」の計算についてはまだまだ無知でありまして、ぜひご教授ください。

No.6 回答者： starflora 回答日時： 2001/11/23 08:14

　

　　回答というより、むしろ、失礼ながら、この場を借りて、他の人にお伺いしたのです。わたしは、インピーダンス整合ということについて、イメージを把握できたのですが、無限のケーブルを途中で切って、何かの機器を繋ぐ時、その繋ぐ相手の機器がどういうものであるのか分からなかったので、スピーカーを機器として述べたのです。
　
　　ところで、denden_kei さんにお伺いしたいのですが、次のように述べておられます：
　
　　>>伝送線路においては、外部がわからはケーブルの端しか見えていないことに
　　>>なり、外部からケーブルを見たインピーダンスは従来の(導線は単なる導体、
　　>>という)概念とは違ったものとなります。具体的には、ケーブルの２導体の単
　　>>位長さあたりのインダクタンスLとキャパシタンスCの関数となります。
　
　　ここで、インダクタンスとキャパシタンスの関数となるインピーダンスのことを、このケーブルの「特性インピーダンス」と呼ぶのではないのでしょうか？
　　わたしは、「特性インピーダンス」について次のように述べました：
　
============================================================
　
　　>>インピーダンス整合というのは、電気信号を伝えるケーブル（またはワイ
　　>>ヤー）の持つインピーダンス（これをケーブルの特性インピーダンスと呼び
　　>>ます）と、スピーカーの持つインピーダンスが等しいことです。
　
　　>>しかし、ケーブルの先に繋ぐ機器（つまりスピーカーのインピーダンス）が
　　>>ケーブルの特性インピーダンスの値と違うと、機器が、無限の向こうにまで
　　>>続いているケーブルと同じものと考えられるので、ケーブルの特性インピー
　　>>ダンスに不調和が起こることになります。
　
============================================================
　
　　ここで、ケーブルの先に繋ぐ機器をスピーカーとしたのですが、これは、必ずしも「スピーカー」でなければよいとはわたしは言っていません。機器の例が思いつかないので、スピーカーとしてみて、と前置きで書いています。
　
　　これらの文章で、特性インピーダンスとわたしが呼んでいるものは、ケーブルが無限の向こうまで続いている時のインピーダンスと同じで、「電送線路の特性インピーダンス」のことと同じことです。
　
　　スピーカーという機器を使っているので、述べていることがおかしく聞こえるのかも知れませんが、ケーブルを途中で切って、その先に別の機器を繋ぐ時、この繋ぐ機器の特性インピーダンスと、ケーブルの特性インピーダンスを同じものにせねばならず、でなければ、波形の乱れやノイズの混入が起こるので、同じインピーダンスの機器とし、これを「インピーダンスの整合を取る」というとわたしは述べていないでしょうか。
　
　　「特性インピーダンス」について、ケーブルが無限の長さについての定義だとしているのは、間違いありません。
　
　　わたしの述べたことで間違っているのは、インピーダンス整合が、高周波で有効性を持ち、スピーカーを流れる信号の場合は、高周波ではないので、有効性・適用性が成立しないということなのではないでしょうか。
　
　　わたしの無知は認めざるを得ないですが、理論的には、有効性が少ない、または無意味に近いとしても、スピーカーとの「特性インピーダンス整合」というのは、別に間違いではないとも思うのですが。まったく無知なものの言う戯言だといわれるなら、無論それで構いません。
　　　

No.5 回答者： anisol 回答日時： 2001/11/18 18:37

denden keiさんの回答が正確です。

スピーカーなどの話はインピーダンス整合には関係ありません。アンプの出力インピーダンスはダンピングファクターを稼ぐために、できるだけゼロに近くなるように作られています。出力インピーダンスが高いと、スピーカーのボイスコイルの制動が利きにくくなるためです。sailorさんの回答の「出力インピーダンス16Ωで設計されたアンプ」というのは正確には「スピーカーの推奨インピーダンスが16Ω」ということです。スピーカーケーブルの（直流）インピーダンスもできるだけ低いもの、つまり太いスピーカーケーブルを使うのが常識で、アンプとスピーカーのインピーダンス整合はまったく取られていないし、取る必要もありません。

アンプとスピーカーに限らず、低周波領域では（電流伝送でない限り）「ロー出し、ハイ受け」が普通です。インピーダンス整合の必要があるのは高周波領域です。

No.4 回答者： denden_kei 回答日時： 2001/11/18 18:26

ごめんなさい、ちょっと訂正です。

＞なお、オーディオ機器で出てくるインピーダンスは、似ていますがちょっと違う話です(周波数が..)。

オーディオ機器でも「インピーダンス整合」の話はでてきます。ただ、さきほど説明した、いわゆる高周波回路とは、考え方が違う部分がありますので２つのインピーダンスが混乱しないようにご注意ください。

オーディオ分野のインピーダンス整合に関しては、他の方々の説明が正しいと思います。

ちなみに、テレビアンテナケーブルのインピーダンス75Ωと、スピーカのインピーダンス8Ωは同じ回路においてそのままの比較はできませんのでご注意ください。

No.2 回答者： starflora 回答日時： 2001/11/18 17:33

　

　　とりあえず、具体的に何の話か分かりませんので、オーディオ・システムのスピーカーという機器についてのインピーダンス整合の必要性の理由を書きます。
　
　　インピーダンス整合というのは、電気信号を伝えるケーブル（またはワイヤー）の持つインピーダンス（これをケーブルの特性インピーダンスと呼びます）と、スピーカーの持つインピーダンスが等しいことです。
　
　　ケーブルのなかを電気信号が伝わって行く時、ケーブルが一様でなく、何かの違いが線の部分である場合、特性インピーダンスが一定になりません。こういうケーブルの場合、ケーブル自身のインピーダンスで、搬送電気信号の波形等に影響を及ぼしたり、ノイズ等を拾ったりして、よい電気信号伝達のケーブルとは言えなくなります。ケーブル（線）は、このため、ケーブル自体としては、特性インピーダンスが安定した一定の状態であるように造られています。
　
　　しかし、ケーブルの先に繋ぐ機器（つまりスピーカーのインピーダンス）がケーブルの特性インピーダンスの値と違うと、機器が、無限の向こうにまで続いているケーブルと同じものと考えられるので、ケーブルの特性インピーダンスに不調和が起こることになります。
　
　　スピーカーで綺麗な波形を再現し、また伝達信号波形を保持しようとすると、ケーブルと機器（スピーカー）のあいだのインピーダンスが一致していなければなりません。また、スピーカーに繋ぐことで、特性インピーダンスが変化しないよう、工夫しなければなりません。
　
　　スピーカー以外の機器が並列か直列かは別に繋がっている場合、ケーブルと機器全体のシステムについて、特性インピーダンスが一定であるようにしなければなりません。これが、インピーダンスの整合です。
　
　　インピーダンスを整合させると、ケーブルなどで電気信号を送る時、波形の崩れや、ノイズの混入などが避けられるということです。他の一般の電気機器でも、同様なことが言えるということです。
　

No.1 回答者： noname#2748 回答日時： 2001/11/18 17:25

インピーダンスの整合とは、エネルギーを供給する側と受ける側の状態をあわせるということです。

たとえば出力インピーダンス１６Ωで設計されたアンプに４Ωのスピーカーをつないだとします。この状態ではインピーダンスのマッチングが取れていません。ここでアンプのボリュームを上げていくと、１６Ωのインピーダンスを想定したアンプでは、そのインピーダンスで最大出力を得る電圧を出力しようとしますが、スピーカーのインピーダンスが１／４しかないため、その電圧を出力した場合、設計値の４倍もの電流が流れてしまい、とても正常に動作できません。この逆にアンプの設計値が４Ωでスピーカーが１６Ωの場合は出力電圧が最大になっても、設計値の１／４しか電流が流れず、出力電力が１／４しか得られないことになります。

これは、変速機つきの自転車で走る場合に準えて説明できます。上り坂を高速用のギアで登ろうとすれば、負荷のインピーダンスが小さすぎるため、力が不足してしまい登りきれないでしょう。逆に下り坂で低速用のギアを使用すると、負荷のインピーダンスが大きすぎるためにペダルが空回りするだけで、有効に力を伝えることができません。ちょうどよいギアを選んだ（インピーダンスの整合が取れている）状態で、エネルギー効率がもっともよい状態になります。


端的な例としてオーディオアンプの例を示しましたが
その他にも、信号の伝送路や複数の回路の接続などを行う場合はインピーダンスのマッチングが取れていないと効率のよい信号の伝達ができないのです。また、単に効率が落ちるだけではなく、反射という現象も起こり、周波数の高い場合やインピーダンスの大きな回路では、この影響も無視できません。インピーダンスに不整合がある端点で入力側に供給された電力一部がもっどってしまう現象で、波形のひずみや伝送レベルの低下の原因になります。