終端抵抗の必要性

質問

電子回路を勉強中です。
電子回路での、”終端抵抗” の使用目的が、いまいち分かりません。
終端抵抗の説明では、伝送路で信号を正しく伝送するため必要、とあります。
そうすると、単純な、電池とランプの回路にこの考えを適用すると、
信号（電流）を正しく伝送するのに、ランプと電池間に終端抵抗
が必要なのでしょうか？抵抗を入れたら単にランプが暗くなりますよね？
上記の、”信号を正しく～”　の説明と矛盾していますよね。
終端抵抗がどのような場合に必要かご教授ください。

回答No.1

aokii · ベストアンサー

電子回路での終端抵抗 の使用目的は、エネルギーの反射を防ぐことです。単純な、電池とランプの回路にこの考えを適用すると、信号（電流）を正しく伝送するのに、ランプと電池間に終端抵抗が必要なのです。抵抗を入れたら単にランプが暗くなりますが、上記の、 ”信号を正しく～” の説明と矛盾しているわけではありません。（この場合の ”信号を正しく伝送～” は "電池の電流を最大まで伝送～" の意味になります。）電池から最大のエネルギーを取り出すためには、ランプと電池間に直列に終端抵抗を入れるのではなく、ランプと並列に終端抵抗を入れて、電池の内部抵抗と同じ負荷とするために、ランプの他に終端抵抗が必要になります。逆に言うと、終端抵抗が無くてランプだけの場合は、ランプだけでは、電池から最大のエネルギーを取り出すことが出来ないため、ランプで消費できなかったエネルギーは、電池側に反射して帰って来ていると考えられます。直流の場合は、最大のエネルギーを取り出さなくても、あまり問題にはなりませんが、電波等の高周波回路では、終端抵抗がちゃんと接続されていないと、高周波の反射が起きて、回路が思ったように作動せず、信号の伝送がうまくいかなくなるのです。電波アンテナ等に付いては特に大切なことです。

お礼

直流でも同じようなことがいえるんですね。ためしに計算してみたら、
確かに並列だと、内部抵抗と同じにしたら電流はさがりますが電力は最大になりましたね。これは目からうろこです。いままでこのような考えかたはしたことありませんでした。ただ、直流は電力が余り関係ないことがある？ということですね。ありがとうございました。

回答No.6

tadys

ランプと電池の場合には終端抵抗の問題を考える必要はありません。
それは信号を正しく伝送する必要がないからです。
終端抵抗の必要性を理解するためには伝送線路の特性インピーダンスについて理解する必要が有ります。

最も身近な伝送線路としてはテレビのアンテナケーブルが有ります。
テレビのアンテナケーブルの特性インピーダンスは75Ωです。
テレビのアンテナケーブルの抵抗値をテスターで測っても75Ωという値は出てきません。
それではどうしたら75Ωという値を求められるかと言うとその方法の一つに次のようなものが有ります。
2V の直流電源に75Ωの抵抗とスイッチをつなげておいて、これに特性インピーダンス75Ωのケーブルをつなぎます。
ケーブルの長さを300ｍ×0.67として終端抵抗は無しとします。
0.67は短縮率というもので後で説明します。
この状態で抵抗とケーブルの接続点をオシロスコープで観測すると次のような波形が観測されます。
スイッチを入れると接続点の電圧が1Vになりますが、2us後に2Vになります。
つまり、2usの間だけはケーブルの抵抗が75Ωのように見えるわけです。
2usというのは電磁波がケーブルを往復するのに必要な時間です。
真空中では電磁波の速度は300ｍ／1usですが同軸ケーブルの中では速度が0.67倍になります。
これが短縮率です。（ケーブルの種類によって変わります）
スイッチを入れると抵抗の75Ωと特性インピーダンスの75Ωで2Vの電圧が分割され1Vの電圧が電線に沿って電磁波の速度で伝わっていきますが終端に達すると行き場がなくなって1Vの電圧が反射して抵抗に戻ってきます。
抵抗に戻ってくると抵抗値が特性インピーダンスと同じ値なのでそこでは反射は生じません。
値が違っている場合には反射が発生します。
もし線路の両端で反射が起きると多重の反射波が線路を往復することになります。
反射の割合は終端抵抗をZ、特性インピーダンスをZ0とすると（Z-Z0)／(Z+Z0)となります。

さて、上記で電池の代わりにパルス発生器をつなぐとします。
パルスの振幅2Vパルス幅10usとして、線路の始点、線路の中間点、終端で波形がどうなるかと言うと
始点：1Vが1us、2Vが8us、1Vが1us、以後0V
中間：0vが0.5us、1Vが1us、2Vが9us、1Vが1us、以後0V
終端：0Vが1us、2Vが10us、以後0V
のようになります。
グラフに書いてみると波形の違いがよくわかるでしょう。
この様な波形であっても0.8V以上を１、以下を０とするようなデジタル回路であれば誤動作をしないで済むでしょう。
パルス幅を100nsにするとどうなるでしょう。
始点：0～0.1us間に1Vのパルス、2～2.1us間に1V のパルス
中間：0.5～0.6us間に1Vのパルス、1.5～1.6us間に1V のパルス
終端：1～1.1us間に2Vのパルス
となりました。
パルスは1個しかないのに、2個を受け取る場所が出来ました。
振幅も違ってきます。
これは極端な場合を想定しましたが、きっちりと終端抵抗を入れておかないとこれらに似たようなことが発生します。
これはデジタル回路での話でしたが、アナログ信号でも終端抵抗が不適切だと問題が起こります。
アナログの場合には周波数によって伝わる電圧が異なるという不具合が出ます。
特に広帯域のビデオ信号などで影響が大きくなります。

お礼

どうもありがとうございます。えっ、2usの間だけ2Vに見える？う～ん、
いまの私ではかなり難しい説明です。なにせ高周波のことはまだよく分かっていません。ただ、特性インピーダンスなるものに終端をあわせないと、誤動作するとこうことは分かりました。ちょっと今後勉強を続ければ、ご説明の文書が分かる日が来ると思いますので、がんばって勉強します！！。

回答No.5

lumiheart

通信系で終端抵抗が問題となるのはＲＳ４２２／ＲＳ４８５ですね
http://www.ibsjapan.co.jp/tech/details/rs-422-485/rs-422-485-app-01.html
https://www.maximintegrated.com/jp/app-notes/index.mvp/id/3884
http://www.linear-tech.co.jp/product/LTC1480

＞終端抵抗がどのような場合に必要かご教授ください。
概ね、９６００ｂｐｓを超えると通信エラーが出やすくなる
９６００以下で通信距離が数ｍ以下なら終端抵抗無しでも通信可能
３８．５ｋｂｐｓを超えると終端抵抗が無いとほとんど通信できなくなる

お礼

どうもありがとうございます。9600bpsとかは通信速度ですよね。確か。
その速度によって終端がきいてくることがあるんですね。

回答No.4

chie65536（@chie65535）

追記。

「終端抵抗を付けた場合」と「終端をオープンにした場合」と「終端をショートした場合」に、信号がどのようになるか視覚的に解説しているページ。
http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-196.html

回答No.3

chie65536（@chie65535）

終端抵抗は、SCSIインターフェースや、IDEインターフェースなどの高周波信号の伝送で必要です。

ケーブルに高周波信号を流すと「ケーブルの終端」で「信号が跳ね返って来て、異なるタイミングで送出した信号と重なってしまう」のです。

水面を進む波紋が、壁に当たって、跳ね返ってくるのを想像してみて下さい。

この「壁に当たって、跳ね返ってくる反射波」を出ないようにするのが「終端抵抗」なのです。

「波が当たると、波の形に合わせて変形して、波を全部吸収して、反射波を出さない壁」を想像してみて下さい。それが「終端抵抗」なのです。

さて、ここで「新たな疑問」が湧くと思います。

「信号の送信者と受信者が１対１なら、信号の受け取りはケーブルの端っこ同士で行なうから、ケーブルの端っこで信号が反射しても、何の問題も無いじゃないか？」という疑問です。

確かに「１対１」なら問題は無さそうです。

しかし、SCSIやIDEでは「通信は１対１じゃない」のです。

例えば、IDEインターフェース。

IDEインターフェースでは、ケーブルの端子は、以下のように「マザーボード端子」「マスター端子」「スレーブ端子」の３箇所あります（マスターとスレーブが逆になっている物もある）

マザーボード端子　　スレーブ端子
↓　　　　　　　　　　　　↓
｜＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝｜＝＝＝＝＝｜
　　　　　　　　　　　　　　　　　　↑
　　　　　　　　　　　　　　　　マスター端子

このようなケーブルで「両端に終端抵抗が無い状態」で、スレーブ端子から「HDDから読んだデータ」が送出されたとします。

すると、マザーボード端子には「スレーブ端子から直接届いた信号」と「一旦、マスター端子の方に流れて行って、マザーボード端子に跳ね返って来た信号」が「時間差で重なって届く」事になります。

電子回路での信号は「ローレベルとハイレベル」つまり「０と１」で伝送していますから「ローレベルの信号が届いた瞬間に、反対側で跳ね返って来たハイレベルの信号が重なって届く」と「ローレベルの筈の信号が、ハイレベルの信号に化けてしまう」事になります。

つまり「信号が正しく伝送出来ない状態」になってしまうのです。

同様に「SCSI機器をデージーチェーン接続した場合」も以下のように「端子が幾つもある状態」になります。

機器A　　　　　機器B　　　　　　機器C　　　　　　機器D
｜＝＝＝＝＝＝＝＝｜＝＝＝＝＝＝＝＝｜＝＝＝＝＝＝＝｜

なので「機器Aの部分」と「機器Dの部分」に「終端抵抗」が必要になります。

なお「１対１」であっても、終端抵抗が無いと「送信と受信が入れ替わるタイミング」で「自分が前に送出した信号が反対側で跳ね返って来た信号」と「相手が送信して直接届いた信号」が「自分の所に来た時に重なって、信号が化けてしまうことがある」ので、やはり「信号が正しく伝送できない状態」になります。

お礼

信号の反射ですか。う～む、まだまだ知識がたりずそこまで理解
するのが難しそうです。ただ、反射したら信号が化けることがあるといいう
のは、大きな収穫でした。ありがとうございました。

回答No.2

shintaro-2

>そうすると、単純な、電池とランプの回路にこの考えを適用すると、
> 信号（電流）を正しく伝送するのに、ランプと電池間に終端抵抗
>が必要なのでしょうか？抵抗を入れたら単にランプが暗くなりますよね？
> 上記の、”信号を正しく～”　の説明と矛盾していますよね。

豆電球の場合は、直流で電力伝送なので「信号」ではありません。

終端抵抗が出てくる時に意味する「信号」は「高周波信号」です。
高周波の場合は、配線が分布定数線路と呼ばれる、LCRが結合したものとして解析する必要があります。
終端抵抗が無いと、送信側から高周波信号を送ったとしても、
最悪受信側で反射されてしまい信号を送ることができないのです。

どのような勉強をされているか存知あげませんが
高周波を扱うと終端抵抗は必要です。

その昔、オフィス内のLANケーブルが同軸ケーブルだった時代に、終端抵抗を付けていなかった端末部分だけ、LANのスピードが極端に遅いという被害に遭いました。

お礼

どうもありがとうございました。まだまだ勉強中なもので、
高周波あたりはよくわかっていません。ですが、この高周波が
終端抵抗と関係があるのですね。まだまだ前提知識がたりないようですので、がんばってみます。ありがとうございました。