01 z 03
Riešenie jedného z najzávažnejších predmetov v elektronike zvuku
Keď som sa učil základy zvuku, jedným z konceptov, ktoré bolo pre mňa najťažšie pochopiť, bola výstupná impedancia. Vstupná impedancia som inštinktívne rozumel, z príkladu rečníka . Koniec koncov, vodič reproduktorov obsahuje cievku drôtu a ja som vedel, že cievka drôtu odolá elektrickému toku. Ale výstupná impedancia? Prečo by zosilňovač alebo predzosilňovač mali impedanciu na výstupe, napadlo ma? Nechceli by to dodať každý možný volt a zosilňovač na to, čo riadi?
Vo svojich rozhovoroch s čitateľmi a nadšencami v priebehu rokov som si uvedomil, že som nebol jediný, kto nedostal celú predstavu o výstupnej impedancii. Takže som si myslel, že by bolo pekné urobiť primer na túto tému. V tomto článku budem riešiť tri spoločné a veľmi odlišné situácie: predzosilňovače, zosilňovače a zosilňovače slúchadiel.
Po prvé, krátko zopakujme koncept impedancie . Odolnosť je miera, do akej niečo obmedzuje tok DC elektrickej energie. Impedancia je v podstate tá istá vec, ale s AC namiesto DC. Zvyčajne sa impedancia komponentu zmení, keď sa mení frekvencia elektrického signálu. Napríklad malá cievka drôtu bude mať takmer nulovú impedanciu pri 1 Hz, ale vysokú impedanciu pri 100 kHz. Kondenzátor môže mať takmer nekonečnú impedanciu pri 1 Hz, ale takmer žiadnu impedanciu pri 100 kHz.
Výstupná impedancia je množstvo impedancie medzi predzosilňovačom alebo výstupnými zariadeniami zosilňovača (zvyčajne tranzistory, ale prípadne transformátor alebo rúrka) a skutočnými výstupnými svorkami komponentu. Toto zahŕňa vnútornú impedanciu samotného zariadenia.
Prečo potrebujete výstupnú impedanciu?
Tak prečo by komponenty mali výstupnú impedanciu? Z väčšej časti je to chrániť pred poškodením spôsobeným skratmi.
Každé výstupné zariadenie je obmedzené množstvom elektrického prúdu, s ktorým je schopný pracovať. Ak je výstup prístroja skratovaný, je požiadaný o dodanie obrovského množstva prúdu. Napríklad 2.83-voltový výstupný signál bude produkovať prúd 0,35 A a 1 W výkon do typického 8-ohmového reproduktora. Žiadny problém tam. Ale ak by bol napojený vodič s impedanciou 0,01 ohmov cez výstupné svorky zosilňovača, ten istý výstupný signál 2,83 voltov bude produkovať prúd 282,7 ampérov a 800 wattov výkonu. To je ďaleko, oveľa viac ako väčšina výstupných zariadení môže priniesť. Pokiaľ zosilňovač nemá nejaký ochranný obvod alebo zariadenie, výstupné zariadenie sa prehreje a pravdepodobne trpí trvalým poškodením. A áno, mohlo by sa dokonca zapáliť.
S určitým množstvom impedancie zabudovanou do výstupu, súčasť má samozrejme väčšiu ochranu proti skratu, pretože výstupná impedancia je vždy v obvode. Povedzme, že máte zosilňovač slúchadiel s výstupnou impedanciou 30 ohmov, poháňaním pár 32-ohm slúchadiel a krátkym káblom pre slúchadlá ste náhodou odrezať nožnicami. Pôjdete z celkovej impedancie systému o 62 ohmov na celkovú impedanciu asi 30,01 ohmov, čo nie je taký veľký problém. Určite oveľa menej extrémne ako od 8 ohmov do 0,01 ohmov.
Ako má nízka výstupná impedancia?
Veľmi všeobecné pravidlo pre zvuk je, že chcete, aby výstupná impedancia bola najmenej 10 krát nižšia ako očakávaná vstupná impedancia, ktorú bude napájať. Týmto spôsobom výstupná impedancia nemá významný vplyv na výkonnosť systému. Ak je výstupná impedancia oveľa viac ako 10 násobok vstupnej impedancie, ktorú bude napájať, môžete získať niekoľko rôznych problémov.
S akoukoľvek zvukovou elektronikou môže príliš vysoká impedancia výstupu vytvárať filtrované efekty, ktoré spôsobujú zvláštne anomálie frekvenčnej odozvy a tiež vedú k zníženiu výkonu. Viac informácií o týchto javoch nájdete v prvom a druhom článku o tom, ako môžu káble reproduktorov ovplyvniť kvalitu zvuku.
So zosilňovačmi je ďalší problém. Keď zosilňovač posunie kužeľ reproduktora dopredu alebo dozadu, odpruženie reproduktora spätne vyvedie kužeľ do svojej strednej polohy. Táto akcia generuje napätie, ktoré sa potom odhodí späť na zosilňovač. (Tento fenomén je známy ako "spätný EMF" alebo reverzná elektromotorická sila.) Ak výstupná impedancia zosilňovača je dostatočne nízka, efektívne skratí späť EMF a pôsobí ako brzda na kužele, keď spätne vychádza. Ak je výstupná impedancia zosilňovača príliš vysoká, kužeľ sa nebude môcť zastaviť a kužeľ bude pokračovať v pohybe dozadu a dopredu, kým sa nezastaví trenie. Tým sa vytvorí zvonenie a poznámky zostávajú, keď sa majú zastaviť.
Môžete to vidieť v koeficientoch tlmenia faktorov zosilňovačov. Faktor tlmenia je očakávaná priemerná vstupná impedancia (8 ohmov) vydelená výstupnou impedanciou zosilňovača. Čím vyššie číslo, tým lepšie je tlmiaci faktor.
Impedancia výstupu zosilňovača
Keďže hovoríme o zosilňovačoch, začnime s týmto príkladom, ktorý je uvedený na výkrese vyššie. Impedancie reproduktorov sú zvyčajne hodnotené od 6 do 10 ohmov, ale v niektorých extrémnych prípadoch je bežné, že reproduktory klesnú na impedanciu 3 ohmy na určitých frekvenciách a dokonca aj na 2 ohmy. Ak bežíte paralelne s dvoma reproduktormi, ako často robia inštalatéri pri vytváraní multiroomových zvukových systémov , ktoré znižujú impedanciu na polovicu, čo znamená, že reproduktor, ktorý klesne na 2 ohmy, napríklad 100 Hz, teraz klesá na 1 ohm pri tejto frekvencii, keď je spárovaný s iným reproduktorom rovnakého typu. To je extrémny prípad, samozrejme, ale dizajnéri zosilňovačov musia zodpovedať za také extrémne prípady, alebo by mohli čeliť veľkej hromade zosilňovačov prichádzajúcich do opravy.
Ak zistíme minimálnu impedanciu reproduktora 1 ohm, znamená to, že zosilňovač by mal mať výstupnú impedanciu maximálne 0,1 ohmu. Je zrejmé, že nie je priestor pridávať dostatočný odpor k výstupu tohto zosilňovača, aby výstupné zariadenia poskytli skutočnú ochranu.
Zosilňovač teda musí používať nejaký ochranný obvod. To môže byť niečo, čo sleduje výstupný výkon zosilňovača a odpojí výstup, ak je príliš vysoké napájanie. Alebo to môže byť jednoduché ako poistka alebo istič na prichádzajúcom striedavom napájacom vedení alebo na koľajniciach napájania. Odpájajú napájanie, keď je ťah príkonu väčší, ako zvládne zosilňovač.
Mimochodom, takmer všetky výkonové zosilňovače rúr používajú výstupné transformátory a pretože výstupné transformátory sú len zvitky drôtu zabalené okolo kovového rámu, majú značnú vlastnú impedanciu, niekedy až 0,5 ohmov alebo dokonca viac. V skutočnosti simuloval zvuk ampérovej sondy v zosilňovačoch Sunfire v pevnom stave (tranzistor), slávny dizajnér Bob Carver pridal prepínač "prúdového režimu", ktorý umiestnil odporový odpor 1 ohm do série s výstupnými zariadeniami. Samozrejme, toto porušilo minimálny pomer 1 až 10 výstupnej impedancie k očakávanej vstupnej impedancii, o ktorom sme diskutovali vyššie, a tak mal podstatný vplyv na frekvenčnú odozvu pripojeného reproduktora, ale to je to, čo dostanete s mnohými zosilňovačmi a je to presne to, čo Carver chcel simulovať.
02 z 03
Impedancia výstupu predzosilovača / zdroja signálu
S predzosilňovačom alebo zdrojovým zariadením (CD prehrávač, káblová skrinka atď.), Ako je znázornené na výkrese vyššie, je to iná situácia. V tomto prípade sa nestaráte o napájanie alebo prúd. Všetko, čo potrebujete na vysielanie zvukového signálu, je napätie. Zariadenie na odberateľský prúd - výkonový zosilňovač, v prípade predzosilňovača alebo predzosilovač, v prípade zdrojového zariadenia - môže mať vysokú vstupnú impedanciu. Každý prúd, ktorý prechádza cez linku, je takmer úplne zablokovaný touto vysokou vstupnou impedanciou, ale napätie prechádza cez jemné.
Pre väčšinu zosilňovačov a predzosilňovačov je bežná vstupná impedancia 10 až 100 kilohms. Inžinieri môžu ísť vyššie, ale môžu dostať viac hluku týmto spôsobom. Mimochodom, gitarové zosilňovače majú zvyčajne vstupné impedancie 250 kilohmi až 1 megohm, pretože elektrické gitarové snímače majú zvyčajne výstupné impedancie v rozmedzí od 3 do 10 kilohms.
Krátkodobé obvody môžu byť bežné pri obvodoch na úrovni trate, pretože je tak ľahké neúmyselne trieť dva nahrané vodiče konektora RCA proti kovovému kusu, ktorý ich skratuje. Výstupné impedancie 100 ohmov alebo viac sú bežné v predzosilňovačoch a zdrojových zariadeniach. Videl som niekoľko exotických, high-end komponentov s lineárnou výstupnou impedanciou tak nízkou ako 2 ohmy, ale tieto budú mať buď veľmi ťažké výstupné tranzistory, alebo ochranný obvod, aby sa zabránilo poškodeniu šortky. V niektorých prípadoch môžu mať na výstupe spojkový kondenzátor, ktorý blokuje jednosmerné napätie a zabraňuje vyhoreniu výstupného zariadenia.
Phono predzosilňovače sú úplne iný predmet. Zatiaľ čo majú zvyčajne výstupné impedancie podobné ako pri prehrávači diskov CD, ich vstupné impedancie sú veľmi odlišné od vstupných impedancií. To je príliš veľa na to, aby ste sa sem dostali. Možno sa budem zaoberať touto témou v inom článku.
03 z 03
Výstupná impedancia zosilňovača slúchadiel
Nárast popularity slúchadiel priniesol dosť zvláštne, neštandardné systémové impedančné usporiadanie typických slúchadiel na reflektory. Na rozdiel od konvenčných zosilňovačov sú zosilňovače slúchadiel vybavené širokou škálou výstupných impedancií. Naozaj lacné zosilňovače slúchadiel, ako tie, ktoré sú zabudované do väčšiny prenosných počítačov, môžu mať výstupnú impedanciu vyššiu ako 75 alebo dokonca 100 ohmov, aj keď impedancia slúchadiel sa typicky pohybuje od 16 do 70 ohmov.
Je zriedkavé, že spotrebiteľ odpojí a spojí reprosústavy, keď je zosilňovač spustený, a tiež zriedkavé, ak sa káble reproduktorov poškodia pri spustení zosilňovača. Ale so slúchadlami, tieto veci sa stávajú po celý čas. Ľudia bežne pripájajú alebo odpájajú slúchadlá, keď je spustený zosilňovač slúchadiel. Káble slúchadiel sú často poškodené - niekedy vytvárajú skrat - počas používania. Samozrejme, väčšina zosilňovačov slúchadiel sú lacné zariadenia, ktoré môžu zaistiť pridaním slušného ochranného obvodu nákladovo neaktívne. Takže väčšina výrobcov má jednoduchšiu cestu: Zvyšujú výstupnú impedanciu zosilňovača pridaním odporu (alebo občas kondenzátora).
Ako môžete vidieť v mojich meraniach slúchadiel (ísť až na druhý graf), vysoká výstupná impedancia môže mať obrovský vplyv na frekvenčnú odozvu slúchadiel. Najprv meram frekvenčnú odozvu slúchadiel pomocou zosilňovača slúchadiel Musical Fidelity, ktorý má 5-ohmovú výstupnú impedanciu, potom znova s dodatočným 70 ohmom odporu pridaného na vytvorenie celkovej výstupnej impedancie 75 ohmov.
Účinok, že vysoká výstupná impedancia sa bude líšiť v závislosti od impedancie pripojených slúchadiel a najmä pri zmene impedancie slúchadiel na rôznych frekvenciách. Slúchadlá, ktoré majú veľké impedančné výkyvy - ako väčšina modelov do uší s ovládačmi vyvážených armatúr - zvyčajne vykazujú podstatné zmeny vo frekvenčnej odozve pri zmene z zosilňovača s nízkou výstupnou impedanciou na výkon s vysokou výstupnou impedanciou. Často, slúchadlá, ktoré majú prirodzenú tónovú rovnováhu pri použití s zdrojom s nízkou impedanciou, budú mať basové a tiché zvukové vyváženie pri použití s vysokoimpedančným zdrojom.
Nízka výstupná impedancia je našťastie k dispozícii v mnohých zosilňovačovach slúchadiel (najmä v polovodičových modeloch) a dokonca aj v niektorých malých čipoch pre slúchadlá zabudovaných do zariadení, ako sú napríklad telefóny iPhone. Zvyčajne nie je možné vedieť, či je slúchadlo vyjadrené na použitie s vysokou alebo nízkou výstupnou impedanciou, ale radšej sa držať s nízkou výstupnou impedanciou z dôvodov citovaných skôr v tomto článku.
Chcel by som radšej nepoužívať slúchadlá s obrovskými impedančnými výkyvmi, ktoré by spôsobili zmeny frekvenčnej odozvy, keď sa používajú so zosilňovačmi slúchadiel, ktoré majú vysokú výstupnú impedanciu (ako je tá v prenosnom počítači, ktorú píšem). Bohužiaľ, všeobecne preferujem zvuk sluchátka do uší s vyváženou armatúrou a ten, ktorý používa dynamické ovládače, takže keď používam tieto slúchadlá s notebookom, zvyčajne pripájam externý zosilňovač alebo USB slúchadlový zosilňovač / DAC.
Viem, že to bolo dlho naklonené vysvetlenie, ale výstupná impedancia je zložité. Vďaka za to, že ste so mnou a ak máte akékoľvek otázky alebo ak som niečo opustil, pošlite mi e-mail a dajte mi vedieť.