สายสัญญาณวิดีโอและดิจิทัล 75 โอห์ม หมายถึงอะไร ทำไมถึงต้องเป็น 75 โอห์ม?
สายสัญญาณวิดีโอและสายสัญญาณดิจิทัลจำนวนมากระบุว่ามีอิมพิแดนซ์ 75 โอห์ม สิ่งนี้หมายความเช่นไร?
อิมพิแดนซ์ 75 โอห์มเป็นค่าที่ยอมรับกันทั่วโลกสำหรับการเชื่อมต่อสัญญาณความถี่สูงด้วยสายแกนร่วม (coaxial) ทุกรูปแบบ อิมพิแดนซ์คือคำอีกคำหนึ่งสำหรับบอกค่าความต้านทานทางไฟฟ้ากระแสสลับ
สายไฟเส้นหนึ่งเมื่อถูกป้อนด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจะส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลไปตามสายไฟ อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับต่อกระแสไฟฟ้าบนสายดังกล่าวก็คือ อิมพิแดนซ์ (impedance)
เมื่อเราวัดความต้านทานของสาย Coaxial 75 โอห์ม ระหว่างชีลด์ด้านนอกกับตัวนำที่แกนกลาง ด้วยโอห์มมิเตอร์ ค่าความต้านทานที่ได้จะเป็น infinity หรือเรียกว่าวงจรเปิด โดยค่าที่ได้จะไม่เท่ากับ 75 โอห์ม ทั้งนี้เนื่องจากมิเตอร์ทั่วไปที่ใช้วัดมีไว้สำหรับวัดไฟฟ้ากระแสตรง นั่นคือใช้วัดความต้านทานกระแสตรง (resistance) ไม่ได้มีไว้วัดความต้านทานกระแสสลับ (impedance)
ค่าอิมพิแดนซ์ของสาย coaxial เกิดขึ้นจากค่าความจุแฝง (capacitance) และค่าความเหนี่ยวนำแฝง (inductance) ที่เกิดขึ้นระหว่างชีลด์ด้านนอกกับตัวนำที่แกนกลาง ทั้ง 2 ค่านี้จะปรากฎอยู่ตลอดทั้งความยาวของสายสัญญาณ และมันจะส่งผลโดยตรงกับสัญญาณไฟฟ้าที่ความถี่สูงที่วิ่งเข้ามาในสายในลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้พลังงานของสัญญาณถูกส่งไปถึงปลายทางได้อย่างราบรื่น
โดยปกติค่าความจุแฝงและค่าความเหนี่ยวนำแฝงจะวัดค่ากันเป็นหน่วยต่อเมตร ค่าเหล่านี้จะถ้าหากสามารถรักษาให้มีอิมพิแดนซ์ 75 โอห์มเอาไว้ได้ตลอดทั้งความยาวของสาย จะส่งผลให้เกิดการสูญเสียทางไฟฟ้าต่ำที่สุด ทำให้สามารถถ่ายโอนพลังงานของสัญญาณได้ในระดับสูงสุด ตลอดย่านความถี่สูงซึ่งกินแบนด์วิดธ์กว้างมาก ๆ
นอกจากตัวสายแล้วขั้วต่อที่ดีก็ควรจะเป็นแบบที่มีอิมพิแดนซ์ 75 โอห์มด้วยเช่นกัน ดังนั้นปลั๊กต่อแบบ RCA สำหรับสาย 75 โอห์ม ก็จะมีดีไซน์ที่แตกต่างจากปลั๊กต่อแบบ RCA ทั่วไปที่ใช้กับสัญญาณอะนาล็อก บางครั้งเราอาจจะเห็นขั้วต่อแบบ BNC ซึ่งมักจะใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำสูงมาก หรืองานในระดับสตูดิโอและบรอดคาสต์
ทำไมถึงเป็น 75 โอห์ม?
ตัวเลขนี้มีที่มา ย้อนเวลากลับไปในปี 1929 นักวิจัย 2 คนของ Bell Labs ชื่อ Lloyd Espenscheid และ Herman Affel ได้ทำการทดลองเพื่อหาวิธีส่งสัญญาณวิทยุความถี่สูง 4MHz ซึ่งเป็นพาหะของสัญญาณโทรศัพท์นับพันคู่สาย พวกเขาต้องการสายสัญญาณที่สามารถรองรับทั้งแรงดันไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าในระดับสูงได้พร้อม ๆ กัน
หลังจากทำการทดสอบพวกเขาได้กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอิมพิแดนซ์และค่าต่าง ๆ ตามภาพประกอบ ซึ่งเมื่อเราพิจารณาก็จะพบว่าอิมพิแดนซ์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานที่แรงดันไฟฟ้าสูง ๆ คือที่ 60 โอห์ม แต่ถ้าเป็นเรื่องของการรองรับกำลังไฟฟ้าอิมพิแดนซ์ที่เหมาะสมที่สุดจะเป็น 30 โอห์มมิเตอร์
นั่นหมายความว่าอิมพิแดนซ์ที่ดีที่สุดสำหรับทั้ง 2 เรื่องนั้นไม่มี จึงต้องประนีประนอมเลือกเอาค่ากลางที่มีความลงตัวโดยเฉลี่ยในภาพรวมนั่นคือที่ 50 โอห์ม สังเกตว่าค่านี้ใกล้มาทาง 60 โอห์มมากกว่า เพราะในเชิงวิศวกรรมแล้วเรื่องของแรงดันไฟฟ้านั้นสำคัญมากกว่าสำหรับการส่งสัญญาณ
การเลือกที่ 60 โอห์มไปเลยก็มีปัญหาเช่นกัน เพราะที่ 60 โอห์มการรองรับกำลังไฟฟ้านั้นอยู่ในระดับต่ำเกินไป
คราวนี้มาดูที่อิมพิแดนซ์ 75 โอห์มบ้าง ความพิเศษของมันอยู่ที่มันมีการสูญเสียของสัญญาณต่ำที่สุด จึงเหมาะสมกับสัญญาณประเภท small signal ที่มีกำลังไฟฟ้าไม่สูงนัก เช่น สัญญาณดิจิทัล, สัญญาณวิดีโอ หรือสัญญาณจากสายอากาศ
สายบาลานซ์มีอิมพิแดนซ์ 75 โอห์ม หรือเปล่า?
สายบาลานซ์โดยทั่วไปจะมีอิมพิแดนซ์สูง เช่นมาตรฐาน AES/EBU สายนำสัญญาณเสียงแบบดิจิตัลสำหรับงานระดับมืออาชีพหรือเครื่องเสียงบ้านระดับไฮเอนด์จะมีอิมพิแดนซ์สูงถึง 110 โอห์ม
สำหรับสายบาลานซ์ 75 โอห์ม มีใช้ในงานที่ต้องการคุณสมบัติเฉพาะด้าน แต่รูปแบบในการออกแบบจะต่างไปจากเดิมโดยค่าความจุแฝงระหว่างตัวนำทั้งคู่จะค่อนข้างสูง
