01 z 03
Řešení jednoho z nejvíce zmatených subjektů v elektronice audia
Když jsem se učil základy zvuku, jedna z konceptů, která byla pro mě nejdůležitější, byla výstupní impedance. Vstupní impedance jsem instinktivně pochopila z příkladu řečníka . Koneckonců, ovladač reproduktorů obsahuje cívku drátu a já jsem věděl, že cívka drátu odolává elektrickému toku. Ale výstupní impedance? Proč by zesilovač nebo předzesilovač měl impedanci na výstupu, přemýšlel jsem? Nechtěla by to dát všem možným voltům a zesilovačům to, co řídí?
Ve svých rozhovorech s čtenáři a nadšenci v průběhu let jsem si uvědomil, že nejsem jediný, kdo nedostal celou představu o výstupní impedanci. Takže jsem si myslel, že by bylo hezké udělat nějaký nátěr na toto téma. V tomto článku se budu zabývat třemi společnými a velmi odlišnými situacemi: předzesilovače, zesilovače a zesilovače sluchátek.
Za prvé, pojďme krátce shrnout koncept impedance . Odpor je to, do jaké míry omezuje tok stejnosměrné elektřiny. Impedance je v podstatě stejná věc, ale s AC namísto DC. Obvykle se změní impedance součásti, jak se změní frekvence elektrického signálu. Například malá cívka drátu bude mít téměř nulovou impedanci při 1 Hz, ale vysokou impedanci při 100 kHz. Kondenzátor by mohl mít téměř nekonečnou impedanci při 1 Hz, ale téměř bez impedance na 100 kHz.
Výstupní impedance je množství impedance mezi výstupními zařízeními předzesilovače nebo zesilovače (obvykle tranzistory, ale případně transformátory nebo trubice) a skutečné výstupní svorky komponenty. To zahrnuje vnitřní impedanci samotného zařízení.
Proč potřebujete výstupní impedanci?
Tak proč by měla součást výstupní impedanci? Z větší části je to chránit před poškozením ze zkratu.
Jakékoli výstupní zařízení je omezeno množstvím elektrického proudu, který může pracovat. Je-li výstup zařízení zkratován, je požadováno, aby dodal obrovské množství proudu. Například 2.83-voltový výstupní signál bude produkovat proud do 0,35 ampérů a 1 watt výkonu do typického 8-ohmového reproduktoru. Žádný problém tam. Pokud by však byl na výstupních svorkách zesilovače připojen vodič s impedancí 0,01 ohmů, stejný výstupní signál 2,83 V bude produkovat proud 282,7 ampérů a 800 wattů výkonu. To je daleko, mnohem víc, než většina výstupních zařízení může přinést. Pokud zesilovač nemá nějaký ochranný obvod nebo zařízení, výstupní zařízení se přehřívá a bude pravděpodobně trvale poškozeno. A jo, dokonce by se mohla vzplanout.
S určitým množstvím impedance zabudovanou do výstupu má tato součást zřejmě větší ochranu proti zkratu, protože výstupní impedance je vždy v obvodu. Řekněme, že máte zesilovač pro sluchátka s výstupní impedancí 30 ohmů, poháněním sluchátek se sluchátky 32 Ohm a zkrátíte kabel sluchátek tím, že jej náhodně vyříznete pomocí nůžek. Vycházíte z celkové systémové impedance 62 ohmů dolů na celkovou impedanci asi 30,01 ohmů, což není tak velký problém. Určitě mnohem méně extrémní než jít z 8 ohmů na 0,01 ohmů.
Jak nízká by měla být výstupní impedance?
Velmi obecným pravidlem ve zvuku je to, že chcete, aby výstupní impedance byla alespoň 10krát nižší než očekávaná vstupní impedance, kterou bude napájena. Tímto způsobem výstupní impedance nemá významný vliv na výkon systému. Pokud je výstupní impedance mnohem více než desetinásobek vstupní impedance, kterou napájí, můžete získat několik různých problémů.
S jakoukoli zvukovou elektronikou může příliš vysoká výstupní impedance vytvářet filtrovací efekty, které způsobují zvláštní anomálie frekvenční odezvy a mají také za následek snížení výkonu. Další informace o těchto jevech naleznete v prvním a druhém článku o tom, jak mohou reproduktorové kabely ovlivnit kvalitu zvuku.
Se zesilovači je další problém. Když zesilovač posune kužele reproduktoru dopředu nebo dozadu, závěs reproduktoru zavěsí kužel zpět do střední polohy. Tato akce generuje napětí, které je pak vyhodeno zpět na zesilovač. (Tento jev je známý jako "zpětný EMF" nebo reverzní elektromotorická síla.) Pokud je výstupní impedance zesilovače dostatečně nízká, účinně zkrátí zpětnou elektromagnetickou kompatibilitu a působí jako brzda na kuželu, když se vrací zpět. Pokud je výstupní impedance zesilovače příliš vysoká, nebude možné kužele zastavit a kužele bude pokračovat v odpružení a zpět, dokud se nezastaví tření. Tím se vytvoří vyzváněcí efekt a poznámky zůstanou po zastavení.
Můžete to vidět v hodnotě faktoru tlumení zesilovačů. Faktor tlumení je očekávaná průměrná vstupní impedance (8 ohmů) dělená výstupní impedancí zesilovače. Čím vyšší je číslo, tím lepší je tlumící faktor.
Impedance výstupu zesilovače
Vzhledem k tomu, že mluvíme o zesilovačích, začneme s tímto příkladem, který je uveden na výkrese výše. Impedance reproduktorů jsou typicky ohodnoceny 6 až 10 ohmů, ale u běžných frekvencí je obvyklé, že reproduktory klesnou na impedanci 3 ohmy a v některých extrémních případech dokonce i 2 ohmy. Pokud běžíte paralelně s dvěma reproduktory, jak často provádějí vlastní instalatéři při vytváření multiroomových zvukových systémů , to sníží impedanci na polovinu, což znamená, že reproduktor, který klesne na 2 ohmy, řekněme, že 100 Hz nyní klesá na 1 ohm při této frekvenci, spárovaný s jiným reproduktorem stejného typu. To je extrémní případ, samozřejmě, ale designéři zesilovačů mají na mysli takové extrémní případy, nebo by mohli čelit velké hromadě zesilovačů přicházejících do opravy.
Pokud budeme mít minimální impedanci reproduktoru 1 ohm, znamená to, že zesilovač by měl mít výstupní impedanci nejvýše 0,1 ohmů. Je zřejmé, že není prostor pro přidání dostatečného odporu k výstupu tohoto zesilovače, aby výstupní zařízení byla skutečně chráněna.
Zesilovač tak bude muset použít nějaký ochranný obvod. To by mohlo být něco, co sleduje výstupní proud zesilovače a odpojí výstup, pokud je aktuální výtah příliš vysoký. Nebo by to mohlo být stejně jednoduché jako pojistka nebo jistič na přívodní síťové přípojce nebo kolejnice napájecího zdroje. Odpojují napájecí zdroj, je-li odběr proudu větší, než je zesilovač schopen zvládnout.
Mimochodem, téměř všechny výkonové výkonové zesilovače používají výstupní transformátory a protože výstupní transformátory jsou jen svitky drátu zabalené kolem kovového rámu, mají značnou impedanci vlastní, někdy až 0,5 ohmů nebo dokonce více. Ve skutečnosti simuloval zvuk trubkového zesilovače v solidních (tranzistorových) zesilovačích Sunfire, známý designér Bob Carver přidal přepínač "proudu proudu", který sériově zapojil 1 ohmový odpor s výstupními zařízeními. Samozřejmě to porušilo minimální poměr 1 až 10 výstupní impedance k předpokládané vstupní impedanci, o níž jsme diskutovali výše, a tak měl podstatný vliv na frekvenční odezvu připojeného reproduktoru, ale to je to, co získáte u mnoha zesilovačů a to je přesně to, co Carver chtěl simulovat.
02 z 03
Impedance výstupu předzesilovače / zdrojového zařízení
S předzesilovačem nebo zdrojovým zařízením (CD přehrávačem, kabelovou skříní apod.), Jak je znázorněno na výkresu výše, je to jiná situace. V tomto případě se nestaráte o napájení nebo proud. Vše, co potřebujete k přenosu audio signálu, je napětí. Takto může zařízení s nízkým příkonem - zesilovač výkonu v případě předzesilovače nebo předzesilovač v případě zdrojového zařízení - mít vysokou vstupní impedanci. Jakýkoliv proud, který prochází linkou, je téměř úplně zablokován touto vysokou vstupní impedancí, ale napětím prochází naprosto dobře.
Pro většinu výkonových zesilovačů a předzesilovačů je běžná vstupní impedance 10 až 100 kohmů. Inženýři mohou jít nahoru, ale mohou se dostat více hluku tímto způsobem. Mimochodem, kytarové zesilovače mají obvykle vstupní impedance 250 kohmů na 1 megohm, protože elektrické kytarové snímače mají obvykle výstupní impedance v rozmezí od 3 do 10 kilohmů.
Zkraty mohou být běžné u obvodů na úrovni vedení, protože je to tak snadné, že náhodně třít dva nahé vodiče konektoru RCA proti kovovému kusu, který je zkrátí. Výstupní impedance 100 ohmů nebo více jsou tedy běžné v předzesilovačích a zdrojových zařízeních. Viděl jsem několik exotických, high-end komponentů s výstupními impedancemi na úrovni linek až 2 ohmů, ale budou mít buď velmi těžké výstupní tranzistory nebo ochranný obvod, aby se zabránilo poškození šortky. V některých případech mohou mít na výstupu spojkový kondenzátor, který blokuje stejnosměrné napětí a zabraňuje vyhoření výstupního zařízení.
Phono předzesilovače jsou úplně jiný předmět. Zatímco mají obvykle výstupní impedance podobné výstupům z CD přehrávače, jejich vstupní impedance jsou velmi odlišné od vstupních předzesilovačů. To je příliš mnoho, než sem jít. Možná se budu zabývat tímto tématem v jiném článku.
03 ze dne 03
Výstupní impedance zesilovače sluchátek
Nárast popularity sluchátek přinesl spíše divný, nestandardní uspořádání impedance systému typických sluchátkových zesilovačů na reflektor. Na rozdíl od konvenčních zesilovačů nabízejí sluchátka zesilovače širokou škálu výstupních impedancí. Opravdu levné sluchátkové zesilovače, stejně jako ty, které jsou zabudovány do většiny notebooků, mohou mít výstupní impedance až 75 nebo dokonce 100 ohmů, i když impedance sluchátek je typicky v rozmezí od 16 do 70 ohmů.
Je zřídka, že spotřebitel odpojí a znovu připojuje reproduktory, když je zesilovač běží, a také vzácné, že kabely reproduktorů budou poškozeny, když je zesilovač běží. Ale se sluchátky se tyto věci staly pořád. Lidé běžně připojují nebo odpojují sluchátka, když běží zesilovač sluchátek. Kabel sluchátek je často poškozen - někdy vytváří zkrat - i když jsou v provozu. Samozřejmě, že většina zesilovačů pro sluchátka je levná zařízení, díky nimž může být přidání slušného ochranného obvodu nákladově nevýhodný. Takže většina výrobců ulehčí cestu: Zvyšují výstupní impedanci zesilovače přidáním odporu (nebo občas kondenzátoru).
Jak můžete vidět v mých měřeních sluchátek (jít dolů na druhý graf), vysoká výstupní impedance může mít obrovský vliv na frekvenční odezvu sluchátek. Nejprve měřím frekvenční odezvu sluchátek s vyzváněním pro sluchátka Musical Fidelity, který má 5 ohmovou výstupní impedanci, pak opět s dodatečným 70 ohmem odporu, který vytvoří celkovou výstupní impedanci 75 ohmů.
Účinok, že vysoká výstupní impedance se bude lišit v závislosti na impedanci připojených sluchátek, a zvláště při změně impedance sluchátek na různých frekvencích. Sluchátka s velkými impedančními houpačkami - jako většina modelů v uchu s ovladači vyvážené armatury - budou obvykle vykazovat podstatné změny frekvenční odezvy, když změníte z zesilovače s nízkou impedancí na výstupní s impedancí s vysokou výstupní impedancí. Často, sluchátka, která má přirozenou tónovou rovnováhu při použití s zdrojem s nízkou impedancí, bude mít basový, nudný zvuk, pokud je používán s zdrojem s vysokou impedancí.
Naštěstí nízká výstupní impedance je k dispozici v mnoha špičkových zesilovačích sluchátek (zejména v polovodičových modelech) a dokonce i v některých z malých čipů pro sluchátka zabudovaných do zařízení, jako jsou například iPhony. Obvykle neexistuje žádný způsob, jak vědět jistě, zda je sluchátka vyjádřena pro použití s vysokou nebo nízkou impedancí výstupu, ale dávám přednost držení nízké výstupní impedance z důvodů uvedených výše v tomto článku.
Rád bych nepoužíval sluchátka s obrovskými impedančními houpačkami, které by mohly způsobit změny frekvenční odezvy při použití se sluchátkovými zesilovači, které mají vysokou výstupní impedanci (jako je ta v notebooku, kterou píšu). Bohužel, obecně dávám přednost zvuku sluchátka do uší s vyváženou armaturou, která používá dynamické ovladače, takže když používám tyto sluchátka s laptopem, obvykle se připojuji k externímu zesilovači nebo USB / AMD sluchátkům.
Já vím, že to bylo dlouhotrvající vysvětlení, ale výstupní impedance je komplikované téma. Děkuji za to, že jste se mnou, a pokud máte nějaké dotazy nebo pokud něco nechám, pošlete mi e-mail a dejte mi vědět.