Mikä on tuotoksen impedanssi?

01/03

Tekniikan hallitseminen Audio-elektroniikan hämmentävimmistä aiheista

Brent Butterworth

Kun opettelin äänen perusasiat, eräs käsitteistä, jotka oli vaikeinta ymmärtää, oli lähtöimpedanssi. Tuloimpedanssi ymmärsin vaistomaisesti kaiuttimen esimerkistä . Loppujen lopuksi kaiutinohjaimessa on lanka, ja tiesin, että käämijohdot vastustavat sähkövirtaa. Mutta lähtöimpedanssi? Miksi vahvistimella tai esivahvistimella olisi impedanssit lähdössä, mietin? Eikö se halua toimittaa kaikki mahdolliset volttit ja vahvistimet mihin tahansa ajoon?

Keskusteluissa lukijoiden ja harrastajien kanssa vuosien varrella olen ymmärtänyt, etten ollut ainoa, joka ei saanut koko ajatusta lähtöimpedanssista. Joten ajattelin, että olisi hienoa tehdä alusta aiheesta. Tässä artikkelissa käsitellään kolmea yleistä ja hyvin erilaista tilannetta: esivahvistimet, vahvistimet ja kuulokkeiden vahvistimet.

Ensinnäkin, kerrotaan lyhyesti impedanssin käsitteestä. Resistanssi on se, missä määrin jokin rajoittaa DC-sähkön virtaa. Impedanssi on pohjimmiltaan sama asia, mutta vaihtovirta DC: n sijaan. Tyypillisesti komponentin impedanssi muuttuu sähköisen signaalin taajuuden muuttuessa. Esimerkiksi pienen langan käämillä on lähes nolla impedanssi 1 Hz: ssä, mutta suuri impedanssi 100 kHz: ssä. Kondensaattorilla voi olla lähes ääretön impedanssi 1 Hz: ssä, mutta lähes impedanssia 100 kHz: ssä.

Lähtöimpedanssi on impedanssin määrä esivahvistimen tai vahvistimen lähtölaitteiden (yleensä transistorien, mutta mahdollisesti muuntajan tai putken) ja komponentin todellisten lähtöterminaalien välillä. Tämä sisältää laitteen sisäisen impedanssin.

Miksi tarvitset tuotoksen impedanssia?

Joten miksi komponentilla olisi lähtöimpedanssi? Suurin osa siitä on suojata sitä oikosulkujen vaurioilta.

Mikä tahansa lähtölaite on rajoitettu sen sähkövirran määränä, jota se pystyy käsittelemään. Jos laitteen ulostulo on oikosulussa, sitä pyydetään toimittamaan valtava määrä virtaa. Esimerkiksi 2,83 V: n ulostulosignaali tuottaa 0,35 ampeerin virran ja 1 watin tehon tyypilliseen 8 ohmia kaiuttimeen. Ei ongelmaa siellä. Mutta jos johdin, jonka impedanssi oli 0,01 ohmia, liitettiin vahvistimen ulostuloliittimiin, sama 2,83 voltin lähtösignaali tuottaa 282,7 ampeerin virran ja 800 watin tehon. Se on paljon muutakin kuin useimmat tulostuslaitteet. Ellei vahvistimessa ole jonkinlaista suojauspiiriä tai laitetta, tulostuslaite ylikuumenee ja todennäköisesti kärsii pysyvästä vaurioitumisesta. Ja joo, se saattaisi jopa syttyä.

Kun osa sisäänrakennetusta impedanssista on osa, komponentilla on tietenkin suurempi suojaus oikosulkuja vastaan, koska lähtöimpedanssi on aina piirissä. Sano, että sinulla on kuulokevahvistin, jonka ulostuloimpedanssi on 30 ohmia, ajaa pari 32 ohmia kuulokkeita ja lyhentää kuulokejohtoa vahingossa leikkaamalla sitä saksilla. Menet koko järjestelmän impedanssista 62 ohmia alaspäin impedanssiin jopa 30,01 ohmia, mikä ei ole niin iso asia. Varmasti paljon vähemmän äärimmäistä kuin menee 8 ohmia alas 0,01 ohmia.

Kuinka alhainen pitäisi tuotoksen impedanssi olla?

Erittäin yleinen äänisäänten ääni on, että haluat, että lähtöimpedanssi on vähintään 10 kertaa pienempi kuin odotettu tuloimpedanssi, jota se syöttää. Tällä tavalla lähtöimpedanssilla ei ole merkittävää vaikutusta järjestelmän suorituskykyyn. Jos lähtöimpedanssi on paljon enemmän kuin 10 kertaa syöttöimpedanssi, jota se syöttää, saat muutamia erilaisia ​​ongelmia.

Kaikilla äänentoistolaitteilla liian suuri ulostuloimpedanssi voi tuottaa suodatusvaikutuksia, jotka aiheuttavat outoja taajuusvastehäiriöitä ja johtavat myös tehon vähenemiseen. Jos haluat lisätietoja näistä ilmiöistä, tutustu ensimmäiseen ja toiseen artikkeliin siitä, miten kaiutinkaapelit voivat vaikuttaa äänenlaadusta.

Vahvistimilla on lisäksi ongelma. Kun vahvistin siirtää kaiutinkartioa eteen- tai taaksepäin, kaiuttimen jousitus jousi kartiota takaisin keskiasentoonsa. Tämä toiminta tuottaa jännitettä, joka sitten heitetään takaisin vahvistimeen. (Tämä ilmiö tunnetaan nimellä "back EMF" tai käänteinen sähkömoottorivoima.) Jos vahvistimen lähtöimpedanssi on tarpeeksi alhainen, se tehokkaasti lyhentää sen takaisin EMF: n ja toimii jarruna kartiossa, kun se lähtee takaisin. Jos vahvistimen lähtöimpedanssi on liian korkea, se ei voi pysäyttää kartioa, ja kartio jatkaa joustahdusta edestakaisin, kunnes kitkaväli on. Tämä luo soittoäänen ja tekee muistiinpanot viipyä sen jälkeen, kun heidän oli tarkoitus pysähtyä.

Näet tämän vahvistimien vaimennuskerroinarvot. Vaimennuskerroin on odotettu keskimääräinen tuloimpedanssi (8 ohmia) jaettuna vahvistimen lähtöimpedanssilla. Mitä korkeampi määrä on, sitä parempi on vaimennustekijä.

Vahvistimen lähtöimpedanssi

Koska puhumme vahvistimista, alkaa tämä esimerkki, joka on esitetty piirroksessa. Kaiuttimien impedanssit ovat tyypillisesti 6 - 10 ohmia, mutta yleinen kaiuttimien pudottaminen 3 ohmiseen impedanssiin tietyillä taajuuksilla ja jopa 2 ohmia ääritapauksissa. Jos käytät kahta kaiutinta rinnakkain, koska räätälöityjä asentimia usein tehdään monihuonejärjestelmien luomisessa, joka katkaisee impedanssin puoliksi eli tarkoittaa, että kaiutin, joka nousee 2 ohmiin, sanotaan esimerkiksi, että 100 Hz taipuu 1 ohmiin taajuudella, kun se on pariksi toisen samanlaisen kaiuttimen kanssa. Tämä on tietenkin äärimmäinen tapaus, mutta vahvistimien suunnittelijoiden on otettava huomioon tällaiset äärimmäiset tapaukset tai he joutuvat kohtaamaan suuren joukon vahvistimia, jotka tulevat korjaukseen.

Jos kuvaamme vähintään 1 ohmin kaiuttimien impedanssin, se tarkoittaa, että vahvistimen lähtöimpedanssi on enintään 0,1 ohmia. Ilmeisesti ei ole tilaa lisätä riittävän vastustuskykyä tämän vahvistimen ulostuloon, jotta ulostulolaitteet saisivat todellisen suojan.

Vahvistimen on siis käytettävä jonkinlaista suojapiiriä. Se voisi olla jotain, joka seuraa vahvistimen nykyistä lähtöä ja katkaisee lähdön, jos nykyinen piirto on liian korkea. Tai se voi olla niin yksinkertainen kuin sulake tai katkaisin tulevasta virtajohdosta tai virtalähteen kiskoista. Nämä irrota virtalähde, kun virranotto on enemmän kuin vahvistin voi käsitellä.

Satunnaisesti lähes kaikki putken tehovahvistimet käyttävät lähtömuuntajia, ja koska lähtömuuntajat ovat pelkästään metallikehyksen ympärille käärittyjä lankoja, niillä on huomattava impedanssi, joskus jopa 0,5 ohmia tai jopa enemmän. Itse asiassa, kun simuloidaan putkivahvistimen ääntä Sunfire-solid-state-transistorivahvistimissa, kuuluisa suunnittelija Bob Carver lisäsi "nykyisen tilan" kytkimen, joka laittoi 1 ohmin vastuksen sarjassa lähtölaitteiden kanssa. Tietenkin tämä rikkoi lähtöimpedanssin minimiosuutta 1 - 10: een odotettuun tuloimpedanssiin, josta keskustelimme edellä, ja näin ollen sillä oli huomattava vaikutus yhdistetyn kaiuttimen taajuusvasteeseen, mutta tämä on mitä saat monilla putkivahvistimilla ja se mitä Carver halusi simuloida.

02/03

Esivahvistin / lähdelaitteen lähtöimpedanssi

Brent Butterworth

Esivahvistimella tai lähdelaitteella (CD-soitin, kaapelipakkaus jne.), Kuten yllä olevassa piirroksessa esitetään, se on erilainen tilanne. Tässä tapauksessa et välitä voimaa tai virtaa. Kaikki, mitä tarvitset välittää äänisignaali on jännite. Tällöin alavirran laite - tehovahvistin, esivahvistimen tapauksessa tai esivahvistimen tapauksessa lähdelaitteen tapauksessa - voi olla suuri tuloimpedanssi. Kaikki nykyinen linjan läpi kulkeva virta on lähes täysin tukossa, että suuri tuloimpedanssi, mutta jännite menee vain hienosti.

Useimmille tehovahvistimille ja esivahvistimille on 10-100 kilohmon tuloimpedanssi. Insinöörit voivat mennä korkeammalle, mutta he voivat saada enemmän melua tällä tavoin. Muuten kitaravahvistimilla on tyypillisesti 250 megaohmista 1 megaohmista johtuvat impedanssit, koska sähkökitaroiden pickups ovat yleensä lähtöimpedansseja, jotka vaihtelevat välillä 3 - 10 kiloa.

Lyhytkytkentä voi olla yhteistä linjatason piireissä, koska on niin helppoa vahingossa hankaa kaksi RCA-liittimen alastomia johtimia metallista, joka lyhentää niitä. Tällöin esivahvistimissa ja lähdelaitteissa esiintyvät 100 ohmia tai enemmän lähtöimpedanssit ovat yleisiä. Olen nähnyt muutamia eksoottisia, huipputason komponentteja, joiden linjatason ulostuloimpedanssit ovat yhtä alhaiset kuin 2 ohmia, mutta niillä on joko erittäin raskaita ulostulotransistoreita tai suojapiiri, joka estää vaurioita shortseista. Joissakin tapauksissa niillä voi olla kytkentäkondensaattori, joka tuottaa ulostulon DC-jännitteen estämiseksi ja estää laitteen ulostulon.

Phono-esivahvistimet ovat täysin erilainen aihe. Vaikka niillä on tyypillisesti CD-soittimen kaltaiset lähtöimpedanssit, niiden tuloimpedanssit ovat hyvin erilaiset kuin lineaarisen esivahvistimen. Se on liikaa mennä tänne. Ehkä minä kaivaa kyseistä aihetta toisessa artikkelissa.

03/03

Kuulokkeiden vahvistimen lähtöimpedanssi

Brent Butterworth

Kuulokkeiden suosion nousu on tuonut tyypillisten kuulokevahvistimien melko outo, epästandardin järjestelmäimpedanssin järjestelyn valokeilaan. Toisin kuin perinteiset vahvistimet, kuulokevahvistimet tulevat monenlaisiin lähtönimpedansseihin. Todella halvat kuulokkeiden vahvistimet, kuten useimpiin kannettaviin tietokoneisiin, saattavat olla jopa 75 tai jopa 100 ohmia lähtöimpedanssissa, vaikka kuulokkeiden impedanssi on tyypillisesti noin 16-70 ohmia.

On harvinaista, että kuluttaja irrottaa ja kytkee kaiuttimet uudelleen, kun vahvistin on käynnissä, ja harvoin myös kaiutinkaapeleiden vahingoittuminen, kun vahvistin on käynnissä. Mutta kuulokkeilla nämä asiat tapahtuvat koko ajan. Ihmiset rutiininomaisesti kytkeytyvät tai irrota kuulokkeita, kun kuulokevahvistin on käynnissä. Kuulokejohdot ovat usein vaurioituneita - joskus luodaan oikosulku - kun ne ovat käytössä. Tietenkin useimmat kuulokevahvistimet ovat halpoja laitteita, jotka voivat lisätä ihmisarvoisen suojapiirin kustannustehokkaasti. Joten useimmat valmistajat ottavat helpommin ulos: Ne nostavat vahvistimen lähtöimpedanssia lisäämällä vastus (tai joskus kondensaattori).

Kuten näet kuulokemikartoituksissani (mene alas toiseen kuvaajaan), suuri lähtöimpedanssi voi vaikuttaa valtavasti kuulokkeiden taajuusvasteeseen. Kuulokkeiden taajuusvaste mitataan ensin Musical Fidelity -kuulokevahvistimella, jolla on 5 ohmilähtöimpedanssi, ja jälleen ylimääräisellä 70 ohmia vastuksella, joka tuottaa 75 ohmin kokonaistehoimpedanssin.

Sellainen vaikutus, että suurella lähtöimpedanssilla on vaihteleva liitettyjen kuulokkeiden impedanssi ja erityisesti muuttamalla kuulokkeiden impedanssia eri taajuuksilla. Kuulokkeilla, joilla on suuri impedanssin heilahdus - kuten useimmat korvaavat mallit, joissa on tasapainoiset vahvistimet - yleensä näyttävät merkittäviä muutoksia taajuusvasteeseen, kun vaihdat vahvistimesta, jolla on pieni lähtöimpedanssi, jolla on suuri lähtöimpedanssi. Usein kuulokkeella, jolla on luonnollisesti kuuluva äänitasapaino, kun sitä käytetään pienen impedanssin lähteenä, on äänihälyinen, tylsää ääntä, kun sitä käytetään suuren impedanssin lähteellä.

Onneksi matala lähtöimpedanssi on saatavana monissa huippuluokan kuulokevahvistimissa (erityisesti solid-state-malleissa) ja jopa joitain pienistä kuulokkeiden vahvistinpiireistä, jotka on rakennettu laitteisiin, kuten iPhoniin. Yleensä ei ole mahdollista tietää varmasti, onko kuulokkeita käytettävissään suurilla tai matalilla ulostuloimpedansseilla, mutta mieluummin pidätte vähän lähtöimpedanssilla tässä artikkelissa aiemmin mainituista syistä.

En haluaisi käyttää kuulokkeita, joissa on suuria impedanssin heilahteluja, jotka aiheuttaisivat taajuusvasteen muutoksia käytettäessä kuulokevahvistimia, joilla on suuri lähtöimpedanssi (kuten kannettavassa tietokoneessa). Valitettavasti olen kuitenkin yleensä mieluummin hyvä tasapainoinen, tasapainoinen korvakäytäväkuuloke, joka käyttää dynaamisia ohjaimia, joten kun käytän näitä kuulokkeita kannettavan tietokoneen kanssa, liitän yleensä ulkoisen vahvistimen tai USB-kuulokevahvistimen / DAC: n.

Tiedän, että tämä on ollut pitkäkestoinen selitys, mutta lähtöimpedanssi on monimutkainen aihe. Kiitos, että olen mukana minulle ja jos sinulla on kysyttävää tai jos jätän jotain, lähetä minulle sähköpostia ja kerro siitä.