Zwalczanie jednego z najbardziej mylących tematów w elektronice audio
Kiedy uczyłem się podstaw audio, jedną z najtrudniejszych do zrozumienia koncepcji była impedancja wyjściowa. Impedancja wejściowa rozumiem instynktownie, na przykładzie głośnika. W końcu sterownik głośnika zawiera cewkę z drutu i wiedziałem, że cewka z drutu jest odporna na przepływ elektryczny. Ale wydajność impedancja? Dlaczego wzmacniacz lub przedwzmacniacz miał impedancję na wyjściu, zastanawiałem się? Czy nie chciałby dostarczyć każdego możliwego volta i wzmacniacza do tego, co prowadzi?
Podczas moich rozmów z czytelnikami i entuzjastami przez lata zdałem sobie sprawę, że nie byłem jedynym, który nie miał pojęcia o impedancji wyjściowej. Pomyślałem więc, że byłoby fajnie zrobić podkład na ten temat. W tym artykule omówię trzy typowe i bardzo różne sytuacje: przedwzmacniacze, wzmacniacze i wzmacniacze słuchawkowe.
Najpierw krótko podsumujmy pojęcie impedancji. Opór jest stopniem, w którym coś ogranicza przepływ prądu elektrycznego prądu stałego. Impedancja to w zasadzie to samo, ale z AC zamiast DC. Zwykle impedancja komponentu zmienia się wraz ze zmianą częstotliwości sygnału elektrycznego. Na przykład mała cewka z drutu będzie miała prawie zerową impedancję przy 1 Hz, ale wysoką impedancję przy 100 kHz. Kondensator może mieć prawie nieskończoną impedancję przy 1 Hz, ale prawie nie ma impedancji przy 100 kHz.
Impedancja wyjściowa to wielkość impedancji między przedwzmacniaczem lub urządzeniami wyjściowymi wzmacniacza (zwykle tranzystorami, ale prawdopodobnie transformatorem lub rurką) a rzeczywistymi końcówkami wyjściowymi komponentu. Obejmuje to wewnętrzną impedancję samego urządzenia.
Dlaczego potrzebujesz impedancji wyjściowej?
Dlaczego więc komponent ma impedancję wyjściową? W przeważającej części ma to chronić przed uszkodzeniami spowodowanymi zwarciami.
Każde urządzenie wyjściowe ma ograniczoną ilość prądu elektrycznego, z którym może sobie poradzić. Jeśli sygnał wyjściowy urządzenia jest zwarty, jest on proszony o dostarczenie dużej ilości prądu. Na przykład 2,83-woltowy sygnał wyjściowy wytwarza prąd o wartości 0,35 amperów i 1 wat mocy w typowym 8-omowym głośniku. Nie ma problemu. Jeśli jednak na zaciskach wyjściowych wzmacniacza podłączony jest przewód o impedancji 0,01 oma, ten sam 2,83-woltowy sygnał wyjściowy będzie wytwarzał prąd 282,7 i 800 watów mocy. To znacznie więcej, niż może dostarczyć większość urządzeń wyjściowych. Jeżeli wzmacniacz nie ma jakiegoś obwodu lub urządzenia zabezpieczającego, to urządzenie wyjściowe przegrzeje się i prawdopodobnie ulegnie trwałemu uszkodzeniu. I tak, może nawet zapalić.
Przy pewnej ilości impedancji wbudowanej w wyjście, komponent oczywiście ma większą ochronę przed zwarciami, ponieważ impedancja wyjściowa jest zawsze w obwodzie. Załóżmy, że masz wzmacniacz słuchawkowy o impedancji wyjściowej 30 omów, napędzając parę 32-omowych słuchawek, i zwalniasz przewód słuchawkowy, przypadkowo przecinając go nożyczkami. Przechodzisz z całkowitej impedancji systemu wynoszącej 62 Ω do całkowitej impedancji około 30,01 oma, co nie jest tak wielką sprawą. Z pewnością dużo mniej ekstremalne niż przejście od 8 omów do 0,01 oma.
Jak niska powinna być wyjściowa impedancja?
Bardzo ogólną regułą w dźwięku jest to, że chcemy, aby impedancja wyjściowa była co najmniej 10 razy niższa niż oczekiwana impedancja wejściowa, którą będzie zasilać. W ten sposób impedancja wyjściowa nie ma znaczącego wpływu na wydajność systemu. Jeśli impedancja wyjściowa jest znacznie większa niż 10-krotność impedancji wejściowej, którą będzie zasilać, można uzyskać kilka różnych problemów.
W przypadku dowolnej elektroniki audio zbyt wysoka impedancja wyjściowa może powodować efekt filtrowania, który powoduje dziwne anomalie odpowiedzi częstotliwościowej, a także powoduje zmniejszenie mocy wyjściowej. Aby dowiedzieć się więcej na temat tych zjawisk, sprawdź mój pierwszy i drugi artykuł na temat wpływu kabli głośnikowych na jakość dźwięku.
W przypadku wzmacniaczy istnieje dodatkowy problem. Kiedy wzmacniacz przesunie stożek głośnika w przód lub w tył, zawieszenie głośnika powoduje cofnięcie stożka do położenia środkowego. Ta akcja generuje napięcie, które jest następnie wyrzucane z powrotem do wzmacniacza. (Zjawisko to znane jest jako "back EMF" lub odwrócona siła elektromotoryczna.) Jeśli impedancja wyjściowa wzmacniacza jest wystarczająco niska, skutecznie skraca ten tylny EMF i działa jak hamulec na stożku, gdy cofa się. Jeśli impedancja wyjściowa wzmacniacza jest zbyt wysoka, nie będzie w stanie zatrzymać stożka, a stożek będzie kontynuował sprężyny do przodu i do tyłu, aż do zatrzymania tarcia. Tworzy to efekt dzwonienia i sprawia, że notatki zatrzymują się po tym, jak powinny się zatrzymać.
Widać to w ocenie współczynnika tłumienia wzmacniaczy. Współczynnik tłumienia to oczekiwana średnia impedancja wejściowa (8 omów) podzielona przez impedancję wyjściową wzmacniacza. Im wyższa liczba, tym lepszy współczynnik tłumienia.
Impedancja wyjściowa wzmacniacza
Ponieważ mówimy o wzmacniaczach, zacznijmy od tego przykładu, który pokazano na powyższym rysunku. Impedancja głośnika ma zwykle wartość od 6 do 10 omów, ale głośniki często obniżają impedancję o 3 omy przy pewnych częstotliwościach, a nawet o 2 omy w niektórych ekstremalnych przypadkach. Jeśli uruchomisz dwa głośniki równolegle, ponieważ niestandardowe instalatory często robią to podczas tworzenia systemów dźwiękowych multiroom, które zmniejszają impedancję o połowę, co oznacza, że głośnik spadnie do 2 Ω przy, powiedzmy, 100 Hz, teraz spadnie do 1 ohm na tej częstotliwości, kiedy jest w połączeniu z innym głośnikiem tego samego typu.Oczywiście, jest to skrajny przypadek, ale projektanci wzmacniaczy muszą brać pod uwagę tak skrajne przypadki, że mogą stanąć przed dużą stertą wzmacniaczy przychodzących do naprawy.
Jeśli określimy impedancję głośnika wynoszącą co najmniej 1 om, oznacza to, że wzmacniacz powinien mieć impedancję wyjściową nie większą niż 0,1 oma. Oczywiście, nie ma miejsca na dodanie dostatecznego oporu dla wyjścia tego wzmacniacza, aby zapewnić wyjściowym urządzeniom jakąkolwiek prawdziwą ochronę.
Tak więc wzmacniacz będzie musiał użyć pewnego rodzaju obwodu zabezpieczającego. To może być coś, co śledzi bieżące wyjście wzmacniacza i odłącza wyjście, jeśli bieżące losowanie jest zbyt wysokie. Lub może to być tak proste, jak bezpiecznik lub wyłącznik automatyczny na linii zasilającej AC lub szynach zasilających. Odłączają one zasilanie, gdy prąd pobierany jest więcej niż może obsłużyć wzmacniacz.
Nawiasem mówiąc, prawie wszystkie lampowe wzmacniacze mocy używają transformatorów wyjściowych, a ponieważ transformatory wyjściowe są po prostu cewkami z drutu owiniętymi wokół metalowej ramy, mają one znaczną impedancję własną, czasami nawet 0,5 ohm lub nawet więcej. W rzeczywistości, aby zasymulować dźwięk wzmacniacza lampowego w jego wzmacniaczach półprzewodnikowych Sunfire, słynny projektant Bob Carver dodał przełącznik "trybu prądowego", w którym rezystor 1-omowy połączono szeregowo z urządzeniami wyjściowymi. Oczywiście, naruszyło to minimalną proporcję 1 do 10 impedancji wyjściowej do oczekiwanej impedancji wejściowej, o której mówiliśmy powyżej, a zatem miało znaczny wpływ na charakterystykę częstotliwościową podłączonego głośnika, ale to jest to, co dostajemy z wieloma lampowymi wzmacniaczami i dokładnie to chciał Carve symulować.
02 z 03Impedancja wyjściowa przedwzmacniacza / urządzenia źródłowego
Z przedwzmacniaczem lub urządzeniem źródłowym (odtwarzacz CD, skrzynka kablowa itp.), Jak pokazano na powyższym rysunku, sytuacja jest inna. W tym przypadku nie dbasz o moc lub prąd. Wszystko czego potrzebujesz do przekazania sygnału audio to napięcie. W związku z tym urządzenie znajdujące się dalej - wzmacniacz mocy, w przypadku przedwzmacniacza lub przedwzmacniacza, w przypadku urządzenia źródłowego - może mieć wysoką impedancję wejściową. Każdy prąd płynący przez linię jest prawie całkowicie zablokowany przez tę wysoką impedancję wejściową, ale napięcie przechodzi dobrze.
Dla większości wzmacniaczy mocy i przedwzmacniaczy powszechna jest impedancja wejściowa od 10 do 100 kiloomów. Inżynierowie mogą iść wyżej, ale w ten sposób mogą uzyskać więcej hałasu. Nawiasem mówiąc, wzmacniacze gitarowe mają zazwyczaj impedancje wejściowe od 250 kiloomów do 1 megaoma, ponieważ przetworniki z gitarą elektryczną mają zwykle impedancje wyjściowe w zakresie od 3 do 10 kiloomów.
Zwarcia mogą być powszechne w obwodach liniowych, ponieważ tak łatwo jest przypadkowo pocierać dwa nagie przewodniki wtyczki RCA o kawałek metalu, który je zwiesza. Tak więc impedancja wyjściowa wynosząca 100 omów lub więcej jest powszechna w przedwzmacniaczach i urządzeniach źródłowych. Widziałem kilka egzotycznych, wysokiej klasy komponentów z impedancją wyjściową na poziomie linii wynoszącą zaledwie 2 omy, ale będą one miały tranzystory wyjściowe o bardzo dużej obciążalności lub obwód zabezpieczający, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym zwarciem. W niektórych przypadkach mogą mieć kondensator sprzęgający na wyjściu, aby zablokować napięcie stałe i zapobiec wypaleniu urządzenia wyjściowego.
Przedwzmacniacze gramofonowe to zupełnie inny temat. Chociaż zwykle mają impedancje wyjściowe podobne do impedancji odtwarzacza CD, ich impedancje wejściowe są bardzo różne od tych w przedwzmacniaczu liniowym. To za dużo, żeby tu wejść. Być może zagłębię się w ten temat w innym artykule.
03 z 03Impedancja wyjściowa słuchawek
Wzrost popularności słuchawek spowodował, że dość nietypowy układ impedancji typowych wzmacniaczy słuchawkowych znalazł się w centrum uwagi. W przeciwieństwie do konwencjonalnych wzmacniaczy, wzmacniacze słuchawkowe mają wiele różnych impedancji wyjściowych. Naprawdę tanie wzmacniacze słuchawkowe, takie jak te wbudowane w większość laptopów, mogą mieć impedancję wyjściową sięgającą 75 lub nawet 100 omów, chociaż impedancja słuchawek zwykle waha się od około 16 do 70 omów.
Rzadko zdarza się, aby konsument odłączał i ponownie podłączał głośniki, gdy działa wzmacniacz, a także rzadko występowały uszkodzenia kabli głośnikowych, gdy wzmacniacz pracuje. Ale w przypadku słuchawek takie rzeczy zdarzają się przez cały czas. Ludzie rutynowo podłączają lub odłączają słuchawki, gdy działa wzmacniacz słuchawkowy. Kable słuchawkowe są często uszkodzone - czasem tworząc zwarcie - gdy są w użyciu. Oczywiście większość wzmacniaczy słuchawkowych to tanie urządzenia, które mogą sprawić, że dodanie porządnego obwodu ochronnego będzie kosztowne. Dlatego większość producentów wybiera łatwiejsze wyjście: podnoszą impedancję wyjściową wzmacniacza, dodając rezystor (lub czasami kondensator).
Jak widać w moich pomiarach słuchawek (przejdź do drugiego wykresu), wysoka impedancja wyjściowa może mieć ogromny wpływ na charakterystykę częstotliwościową słuchawek. Najpierw mierzę charakterystykę częstotliwościową słuchawek za pomocą wzmacniacza słuchawkowego Musical Fidelity, który ma impedancję wyjściową 5 Ω, a następnie ponownie z dodatkowym rezystorem 70 omów, aby uzyskać całkowitą impedancję wyjściową wynoszącą 75 Ω.
Wpływ wysokiej impedancji wyjściowej zależy od impedancji podłączonych słuchawek, a zwłaszcza od zmiany impedancji słuchawek przy różnych częstotliwościach. Słuchawki z dużymi wahaniami impedancji - jak większość modeli dousznych z przetwornikami ze zrównoważoną armaturą - zwykle wykazują znaczne zmiany w zakresie charakterystyki częstotliwościowej po zmianie ze wzmacniacza o niskiej impedancji wyjściowej na drugą o wysokiej impedancji wyjściowej. Często, słuchawki, które mają naturalnie brzmiącą równowagę tonalną, gdy są używane ze źródłem niskiej impedancji, będą miały basową, matową równowagę, gdy będą używane ze źródłem o wysokiej impedancji.
Na szczęście niska impedancja wyjściowa jest dostępna w wielu high-endowych wzmacniaczach słuchawkowych (szczególnie w modelach półprzewodnikowych), a nawet w niektórych małych wzmacniaczach słuchawkowych wbudowanych w urządzenia takie jak iPhone. Zwykle nie ma pewności, czy słuchawki są dźwięczne do użytku z wysoką lub niską impedancją wyjściową, ale wolę trzymać się impedancji o niskiej mocy wyjściowej z powodów cytowanych wcześniej w tym artykule.
ja by Wolę nie używać słuchawek z ogromnymi wahaniami impedancji, które mogłyby spowodować zmiany w zakresie częstotliwości, gdy są używane ze wzmacniaczami słuchawkowymi, które mają wysoką impedancję wyjściową (taką jak ta na laptopie, na którą to piszę). Niestety, ogólnie rzecz biorąc, preferuję dźwięk dobrych zbalansowanych słuchawek dousznych do słuchawek z dynamicznymi przetwornikami, więc kiedy używam tych słuchawek z moim laptopem, zazwyczaj podłączam zewnętrzny wzmacniacz lub wzmacniacz słuchawkowy USB / DAC.
Wiem, że było to rozwlekłe wyjaśnienie, ale impedancja wyjściowa to skomplikowany temat. Dziękuję, że przyjechałeś ze mną, a jeśli masz jakieś pytania lub coś zostawiłem, wyślij mi e-mail i daj mi znać.
