Å takle en av de mest forvirrende fagene i lydelektronikk
Da jeg lærte det grunnleggende av lyd, var et av konseptene som var vanskeligste for meg å forstå, utgangssimpedansen. Inputimpedans forstod jeg instinktivt, fra et tales eksempel. Tross alt inneholder en høyttalerdriver en trådspole, og jeg visste at en spolebatteri motstår elektrisk strømning. Men produksjon impedans? Hvorfor ville en forsterker eller preamp ha impedans ved utgangen, lurte jeg på? Ville det ikke ønske å levere alle mulige volt og forsterker til hva det kjører?
I mine samtaler med lesere og entusiaster gjennom årene har jeg kommet inn for at jeg ikke var den eneste som ikke fikk hele ideen om utgangssimpedans. Så jeg trodde det ville vært fint å lage en primer på emnet. I denne artikkelen behandler jeg tre vanlige og svært forskjellige situasjoner: preamps, forsterkere og hodetelefonforsterkere.
Først, la oss kort omtale begrepet impedans. Motstand er graden som noe begrenser strømmen av likestrøm. Impedans er i utgangspunktet den samme, men med AC i stedet for DC. Typisk vil impedansen til en komponent endres ettersom frekvensen av det elektriske signalet endres. For eksempel vil en liten trådspole ha nesten nullimpedans ved 1 Hz, men høy impedans ved 100 kHz. En kondensator kan ha nesten uendelig impedans ved 1 Hz, men nesten ingen impedans ved 100 kHz.
Utgangsimpedans er mengden impedans mellom en forsterker eller forsterkers utgangsenheter (vanligvis transistorer, men muligens en transformator eller et rør) og de faktiske utgangsterminaler av komponenten. Dette inkluderer den interne impedansen til selve enheten.
Hvorfor trenger du Output Impedance?
Så hvorfor ville en komponent ha en utgangsimpedans? For det meste er det å beskytte mot skade fra kortslutning.
Enhver utgangsenhet er begrenset i mengden elektrisk strøm det kan håndtere. Hvis utgangen på enheten er kort, blir den bedt om å levere en stor mengde strøm. For eksempel vil et 2,83 volt utgangssignal produsere en strøm på 0,35 ampere og 1 watt strøm til en typisk 8 ohm høyttaler. Ikke noe problem der. Men hvis en ledning med 0,01 ohm impedans ble koblet over en forsterkers utgangsterminaler, vil det samme 2,83 volt utgangssignalet produsere en strøm på 282,7 ampere og 800 watt strøm. Det er langt, langt mer enn de fleste utgangsenheter kan levere. Med mindre forsterkeren har en slags beskyttelseskrets eller enhet, vil utgangsenheten overopphetes og vil trolig lide permanent skade. Og ja, det kan til og med fange ild.
Med litt impedans innebygd i utgangen, har komponenten åpenbart større beskyttelse mot kortslutning, fordi utgangssimpedansen alltid er i kretsen. Si at du har en hodetelefonforsterker med en utgangsimpedans på 30 ohm, kjører et par 32 ohm hodetelefoner, og du kortslår hodetelefonledningen ved et uhell å kutte det med et saks. Du går fra en total systemimpedans på 62 ohm ned til en total impedans på kanskje 30,01 ohm, noe som ikke er så stort. Ganske mye mindre ekstreme enn å gå fra 8 ohm ned til 0,01 ohm.
Hvor lav skal Output Impedance være?
En meget generell tommelfingerregel i lyd er at du vil at utgangssimpedansen skal være minst 10 ganger lavere enn den forventede inngangsimpedansen som den vil mate. På denne måten har utgangssimpedansen ingen signifikant effekt på systemets ytelse. Hvis utgangsimpedansen er mye mer enn 10 ganger den inngangsimpedansen den vil mate, kan du få noen forskjellige problemer.
Med en hvilken som helst lydelektronikk kan en for høy utgangsimpedans skape filtreringseffekter som forårsaker uvanlige frekvensresponsavvik, og gir også redusert effekt. For mer om disse fenomenene, sjekk ut mine første og andre artikler om hvordan høyttalerkabler kan påvirke lydkvaliteten.
Med forsterkere er det et ekstra problem. Når forsterkeren beveger høyttalerkonene fremover eller bakover, fjærer høyttalerens fjæring kegelen tilbake til sin midtstilling. Denne handlingen genererer spenning som deretter kastes tilbake på forsterkeren. (Dette fenomenet er kjent som "back EMF" eller omvendt elektromotorisk kraft.) Hvis forsterkerens utgangsimpedans er lav nok, vil den effektivt kutte ut den bakre EMF og fungere som en bremse på kjeglen når den springer tilbake. Hvis forsterkerens utgangsimpedans er for høy, vil den ikke kunne stoppe kjeglen, og keglen vil fortsette å springe frem og tilbake til friksjonstoppene er. Dette skaper en ringeffekt og gjør notater drømmer etter at de skulle stoppe.
Du kan se dette i dempningsfaktorene for forsterkere. Dampfaktor er den forventede gjennomsnittlige inngangsimpedansen (8 ohm) dividert med forsterkningens impedans. Jo høyere tallet, desto bedre dempningsfaktoren.
Forsterkerutgangseimpedans
Siden vi snakker om forsterkere, la oss starte med det eksemplet som er vist på tegningen ovenfor. Høyttalerimpedansene er typisk klassifisert 6 til 10 ohm, men det er vanlig at høyttalere faller til 3 ohm impedans ved bestemte frekvenser, og til og med 2 ohm i noen ekstreme tilfeller. Hvis du kjører to høyttalere parallelt, som tilpassede installatører ofte gjør når du lager multiroom lydsystemer, kutter impedansen halvt, noe som betyr at en høyttaler som faller til 2 ohm, for eksempel, 100 Hz dips nå til 1 ohm ved den frekvensen når den er paret med en annen høyttaler av samme type.Det er et ekstremt tilfelle, selvfølgelig, men forsterker designere må ta hensyn til slike ekstreme tilfeller, eller de kan stå overfor en stor haug med forsterkere som kommer inn for reparasjon.
Hvis vi finner en minimum høyttalerimpedans på 1 ohm, betyr det at forsterkeren skal ha en utgangsimpedans på ikke mer enn 0,1 ohm. Tydeligvis er det ikke noe rom å legge til nok motstand mot denne forsterkers utgang for å gi utgangsenhetene noen reell beskyttelse.
Dermed vil forsterkeren måtte bruke en slags beskyttelseskrets. Det kan være noe som sporer forsterkerens nåværende utgang og kobler ut utgangen hvis dagens trekk er for høyt. Eller det kan være så enkelt som en sikring eller strømbryter på den innkommende vekselstrømledningen eller spenningene på strømforsyningen. Disse kobler fra strømforsyningen når dagens trekk er mer enn forsterkeren kan håndtere.
For øvrig bruker nesten alle rørforsterkere en utgangstransformator, og fordi utgangstransformatorer er bare spoler av tråd innpakket rundt en metallramme, har de en betydelig impedans av deres egne, noen ganger så mye som 0,5 ohm eller enda mer. Faktisk, for å simulere lyden av en rørforsterker i sin Sunfire solid-state (transistor) forsterkere, la den kjente designer Bob Carver til en "current mode" bryter som plasserte en 1 ohm motstand i serie med utgangsenhetene. Selvfølgelig brøt dette 1 til 10 minimumsforholdet mellom utgangsimpedans og forventet inngangsimpedans som vi diskuterte ovenfor, og dermed hadde en betydelig effekt på frekvensresponsen til den tilkoblede høyttaleren, men det er det du får med mange rørforsterkere og Det er akkurat det Carver ønsket å simulere.
02 av 03Preamp / Source Device Output Impedance
Med en preamp eller kildeenhet (CD-spiller, kabelboks, etc.), som vist på tegningen ovenfor, er det en annen situasjon. I dette tilfellet bryr du deg ikke om strøm eller strøm. Alt du trenger for å formidle lydsignalet er spenningen. Dermed kan nedstrømsenheten - en effektforsterker, i tilfelle av en forkamp eller en forkamp, i tilfelle av en kildeenhet - ha en høy inngangsimpedans. En hvilken som helst strøm som kommer gjennom linjen, er nesten helt blokkert av den høye inngangsimpedansen, men spenningen kommer gjennom helt fint.
For de fleste kraftforsterkere og forsterkere er en inngangsimpedans på 10 til 100 kilohms vanlig. Ingeniører kan gå høyere, men de kan få mer støy på den måten. Foreløpig har gitarforsterkere vanligvis inngangsimpedanser på 250 kilohms til 1 megohm, fordi elektriske gitaroppsamlinger vanligvis har utgangsimpedanser i området fra 3 til 10 kilohms.
Kortslutninger kan være vanlige med kretser på linje-nivå, fordi det er så lett å tilfeldigvis gni de to nakne lederne av en RCA-kontakt mot et metallstykke som shorts dem ut. Dermed er utgangsimpedanser på 100 ohm eller mer vanlige i forsterkere og kildeenheter. Jeg har sett noen eksotiske, high-end komponenter med line-nivå utgangsimpedanser så lave som 2 ohm, men disse vil ha enten svært kraftige utgangstransistorer eller en beskyttelseskrets for å forhindre skade fra shorts. I noen tilfeller kan de ha en koplingskondensator ved utgangen for å blokkere likespenning og forhindre utmatningsenhetens utbrenning.
Phono preamps er et helt annet emne helt. Selv om de vanligvis har utgangsimpedanser som ligner på en CD-spiller, er deres inngangsimpedanser svært forskjellige fra de for en linjestegs preamp. Det er for mye å gå inn her. Kanskje jeg graver inn i det aktuelle emnet i en annen artikkel.
03 av 03Hodetelefonens forsterkningsimpedans
Økningen i hodetelefonens popularitet har ført til det ganske rare, ikke-standardiserte systemimpedansarrangementet med typiske hodetelefonforsterkere til spotlighten. I motsetning til konvensjonelle forsterkere kommer hodetelefonforsterkere i et stort utvalg av utgangsimpedanser. Virkelig billige hodetelefonforsterkere, som de som er innbygget i de fleste bærbare datamaskiner, kan ha en utgangsimpedans så høy som 75 eller 100 ohm, selv om hodetelefonimpedansen vanligvis varierer fra 16 til 70 ohm.
Det er sjelden at forbrukeren koble fra og koble til høyttalere når en forsterker kjører, og også sjelden at høyttalerkabler blir skadet når en forsterker kjører. Men med hodetelefoner skjer disse tingene hele tiden. Folk kobler rutinemessig til eller kobler fra hodetelefoner når en hodetelefonforsterker kjører. Hodetelefonkabler er ofte skadet - noen ganger oppretter en kortslutning - mens de er i bruk. Selvfølgelig er de fleste hodetelefonforsterkere billige enheter, noe som kan gjøre det enklere å legge til en anstendig beskyttelseskrets. Så de fleste produsenter tar det enklere ut: De øker forsterkerens utgangsimpedans ved å legge til en motstand (eller noen ganger kondensator).
Som du kan se i hodetelefonmålinger (gå ned til den andre grafen), kan høy effektimpedans ha stor effekt på frekvensresponsen til en hodetelefon. Jeg måler frekvensresponsen til en hodetelefon først med en Musical Fidelity-hodetelefonforsterker som har en impedans på 5 ohm, så igjen med en ekstra 70 ohm motstand som er lagt til for å opprette en total utgangsimpedans på 75 ohm.
Effekten som en høyimpedans vil ha varierer med impedansen til den tilkoblede hodetelefonen, og spesielt med endringen i hodetelefonens impedans ved forskjellige frekvenser. Hodetelefoner som har store impedanssvingninger - som de fleste i-øret-modeller med balansert armaturdrivere gjør - vil vanligvis vise betydelige endringer i frekvensrespons når du bytter fra en forsterker med lav utgangsimpedans til en med høy effektimpedans. Ofte har en hodetelefon som har en naturlig lydende tonebalanse når den brukes med en lavimpedanskilde, en bassy, kjedelig lydbalanse når den brukes med en høyimpedanskilde.
Heldigvis er lav utgangsimpedans tilgjengelig i mange avanserte hodetelefonforsterkere (spesielt solid state-modeller), og til og med noen av de små hodetelefonforsterkerne er bygget inn i enheter som iPhones. Det er vanligvis ingen måte å vite sikkert om en hodetelefon stemmes for bruk med høy eller lav utgang impedans, men jeg foretrekker å holde fast med lav utgang impedans av årsakene som er nevnt tidligere i denne artikkelen.
Jeg ville foretrekker ikke å bruke hodetelefoner med store impedanssvingninger som vil forårsake frekvensresponsendringer når de brukes med hodetelefonforsterkere som har høy effektimpedans (som den i den bærbare jeg skriver dette på). Dessverre foretrekker jeg likevel lyden av en god balansert armatur i øret-hodetelefon til en som bruker dynamiske drivere, så når jeg bruker disse hodetelefonene med min bærbare PC, kobler jeg vanligvis til en ekstern forsterker eller USB-hodetelefon forsterker / DAC.
Jeg vet at dette har vært en langvarig forklaring, men utgangsimpedans er et komplisert tema. Takk for at du har med meg, og hvis du har noen spørsmål, eller hvis jeg forlot noe, send meg en e-post og gi meg beskjed.
