Какво е изходен импеданс?

01 от 03

Справяне с един от най-объркващите субекти в аудио електрониката

Брент Бътъруърт

Когато научих основите на аудиото, едно от понятията, което беше най-трудно за мен, беше изходното импеданс. Входният импеданс разбрах инстинктивно от примера на говорител . В края на краищата, драйверът на високоговорителя съдържа намотка от тел, а аз знаех, че една бобина от жици се съпротивлява на електрическия поток. Но изходен импеданс? Защо един усилвател или предусилвател ще имат импеданс при изхода, чудех се? Не би ли искал да достави всеки възможен волт и усилвател на каквото и да е шофиране?

В разговорите си с читатели и ентусиасти през годините съм разбрал, че не съм единственият, който не получи цялата идея за изходен импеданс. Така че мислех, че би било хубаво да направя грунд по този въпрос. В тази статия ще разгледам три общи и много различни ситуации: предусилватели, усилватели и усилватели за слушалки.

Първо, нека накратко да съберем концепцията за импеданс . Съпротивлението е степента, до която нещо ограничава потока на електроенергия от постоянен ток. Импедансът е по същество едно и също нещо, но с AC вместо DC. Обикновено импедансът на даден компонент ще се промени, тъй като честотата на електрическия сигнал се променя. Например, една малка бобина от тел ще има почти нулев импеданс при 1 Hz, но висок импеданс при 100 kHz. Кондензаторът може да има почти безкраен импеданс при 1 Hz, но почти няма импеданс при 100 kHz.

Изходният импеданс е размерът на импеданса между изходните устройства на предусилвателя или усилвателя (обикновено транзистори, но евентуално трансформатор или тръба) и действителните изходни клеми на компонента. Това включва вътрешния импеданс на самото устройство.

Защо имате нужда от изходен импеданс?

Така че защо компонентът да има изходен импеданс? В по-голямата си част това е да го предпазите от повреда от къси съединения.

Всяко изходно устройство е ограничено в количеството електрически ток, който може да работи. Ако изходът на устройството е скъсен, от него се иска да достави огромно количество ток. Например, 2.83-волтов изходен сигнал ще генерира ток от 0.35 ампера и 1 вата мощност в типичен 8-омови говорители. Няма проблем там. Но ако един тел с 0,01 ома импеданс е бил свързан през изходните терминали на усилвателя, този 2,83-волтов изходен сигнал ще произведе ток от 282,7 ампера и 800 вата мощност. Това е далеч, далеч повече, отколкото повечето изходни устройства могат да доставят. Ако усилвателят няма някаква защитна схема или устройство, тогава изходното устройство ще прегрее и вероятно ще понесе трайни повреди. И да, дори може да се запали.

С някакво количество импеданс, вграден в изхода, компонентът очевидно има по-голяма защита срещу късо съединение, защото изходният импеданс винаги е във веригата. Кажете, че имате усилвател за слушалки с изходен импеданс от 30 ома, който задвижва чифт 32-омни слушалки, а вие късите кабели на слушалките случайно го нарязвате с чифт ножици. Можете да отидете от общ импеданс система от 62 ома до общо импеданс от може би 30.01 ома, което не е толкова голяма работа. Разбира се, много по-малко крайни от това от 8 ома до 0.01 ома.

Колко ниско трябва да бъде изходен импеданс?

Много общо правило на аудиото е, че вие ​​искате изходният импеданс да бъде най-малко 10 пъти по-нисък от очаквания входен импеданс, който ще се захранва. По този начин импедансът на изхода няма значителен ефект върху работата на системата. Ако продукцията импеданс е много повече от 10 пъти на входа импеданс, че ще се хранят, можете да получите няколко различни проблеми.

При всяка аудиоелектроника прекалено високият импеданс на изхода може да създаде филтриращи ефекти, които причиняват странни аномалии на честотната характеристика и също така водят до намалена мощност. За повече информация относно тези явления вижте първите и вторите статии за това, как кабелите на високоговорителите могат да повлияят на качеството на звука.

При усилвателите има допълнителен проблем. Когато усилвателят придвижи конуса на високоговорителя напред или назад, окачването на високоговорителя извива конуса обратно в централно положение. Това действие генерира напрежение, което след това се връща обратно в усилвателя. (Това явление е известно като "обратна ЕМФ" или обратна електродвижеща сила.) Ако изходният импеданс на усилвателя е достатъчно нисък, той ефективно ще намали този заден EMF и ще действа като спирачка върху конуса, докато се върне назад. Ако изходният импеданс на усилвателя е твърде висок, той няма да може да спре конуса и конусът ще продължи да се върти назад и напред, докато спира триенето. Това създава ефект на звънене и прави бележките да престанат, след като се предполага, че ще спрат.

Можете да видите това в коефициентите на амортизация на усилвателите. Коефициентът на амортизация е очакваният среден входен импеданс (8 ома), разделен на изходния импеданс на усилвателя. Колкото по-голям е броят, толкова по-добър е коефициентът на амортизация.

Импеданс на усилвателя на изхода

Тъй като става дума за усилватели, нека да започнем с този пример, който е показан на чертежа по-горе. Импедансите на високоговорителите обикновено се оценяват от 6 до 10 ома, но често се случва, че високоговорителите падат до 3 ома импеданс при определени честоти и дори 2 ома в някои крайни случаи. Ако работите с два високоговорителя паралелно, както обикновено извършват обичайните инсталатори при създаване на многоаудио аудио системи , това намалява импеданс наполовина, което означава, че говорител, който намалява до 2 ома, да речем, 100 Hz сега спада до 1 ом при тази честота, сдвоени с друг високоговорител от същия тип. Това е изключителен случай, разбира се, но дизайнерите на усилватели трябва да отчитат такива екстремни случаи или биха могли да бъдат изправени пред голяма купчина усилватели, идващи за ремонт.

Ако изчислим минимален импеданс на говорителя от 1 ohm, това означава, че усилвателят трябва да има изходен импеданс от не повече от 0,1 ohm. Очевидно няма място за добавяне на достатъчно съпротивление към изхода на този усилвател, за да се даде на изходните устройства реална защита.

По този начин усилвателят ще трябва да използва някакъв защитен кръг. Това може да бъде нещо, което проследява токовия ток на усилвателя и изключва изхода, ако текущото теглене е твърде високо. Или може да бъде толкова просто, колкото предпазител или прекъсвач на входящата променлив ток или релсите на електрозахранването. Те изключват захранването, когато тегленето на тока е повече, отколкото усилвателят може да се справи.

Между другото, почти всички усилватели на мощността на тръбите използват изходни трансформатори и тъй като изходните трансформатори са само рулони от тел, обвити около метална рамка, те имат свой собствен импеданс, понякога до 0,5 ома или дори повече. Всъщност, за да симулира звука на усилвател на тръби в усилвателите си в твърдо състояние (транзистор) Sunfire, известният дизайнер Боб Карвър добави превключвател "current mode", който постави 1-ом резистор последователно в изходните устройства. Разбира се, това наруши минималното съотношение 1 към 10 на изходния импеданс към очаквания входен импеданс, което обсъдихме по-горе, и по този начин имаше значителен ефект върху честотната характеристика на свързания високоговорител, но това е, което получавате с много усилватели и точно това, което Карвър искаше да симулира.

02 от 03

Предварително усилвател / източник на изходния импеданс на устройството

Брент Бътъруърт

С предусилвател или източник (CD плейър, кабелна кутия и т.н.), както е показано на чертежа по-горе, това е различна ситуация. В този случай не ви е грижа за силата или тока. Всичко, от което се нуждаете, за да предадете аудио сигнала, е напрежението. По този начин устройството надолу по веригата - усилвател на мощността, в случай на предусилвател или предусилвател, в случая на изходно устройство - може да има висок импеданс на входа. Всеки ток, преминаващ през линията, е почти напълно блокиран от този висок импеданс на входа, но напрежението преминава през добре.

За повечето усилватели на мощност и предусилватели е въведен импеданс от 10 до 100 килограма. Инженерите могат да отидат по-нагоре, но те могат да получат повече шум по този начин. Между другото, усилвателите на китара обикновено имат импеданси от 250 килограма до 1 мегахм, тъй като електрическите китарни пикапи обикновено имат импеданс на изхода от 3 до 10 килограма.

Късите вериги могат да се срещат често с веригите на линийното ниво, тъй като е толкова лесно да се изтъркат два голи проводника на RCA щепсел срещу парче метал, който ги къса. По този начин, изходни импеданси от 100 ома или повече са често срещани в предусилвателите и изходните устройства. Виждал съм няколко екзотични компонента от висок клас с нискочестотни импеданси на нивото на нивото до 2 ома, но те ще имат много тежки транзистори с изходна мощност или защитна схема за предотвратяване на повреда от шорти. В някои случаи те могат да имат свързващ кондензатор на изхода, за да блокират DC напрежението и да предотвратят изгарянето на изходното устройство.

Фондовите предусилватели са съвсем различни. Макар че те обикновено имат импеданси на изхода, подобни на тези на CD плейър, техните входни импеданси са много различни от тези на предавател на линейно ниво. Това е твърде много, за да вляза тук. Може би ще се впусна в тази тема в друга статия.

03 от 03

Изходно съпротивление на усилвателя на слушалките

Брент Бътъруърт

Увеличаването на популярността на слушалките донесе в светлината на прожекторите доста странен, нестандартен режим на импеданс на системите на типичните усилватели за слушалки. За разлика от конвенционалните усилватели, усилвателите за слушалки се предлагат в голямо разнообразие от импеданси на изхода. Наистина евтините усилватели за слушалки, като тези, вградени в повечето лаптоп компютри, могат да имат изходен импеданс до 75 или дори 100 ома, въпреки че импедансът на слушалките обикновено варира от около 16 до 70 ома.

Рядко е потребителят да изключи и да свърже отново високоговорителите при работа на усилвател, а също и рядко да се повреждат кабелите на високоговорителите при работа на усилвател. Но със слушалки тези неща се случват през цялото време. Хората рутинно свързват или изключват слушалките, когато работи усилвател за слушалки. Слушалките кабели често са повредени - понякога създават късо съединение - докато са в употреба. Разбира се, повечето усилватели за слушалки са евтини устройства, които могат да направят добавяне на прилична защитна схема с висока цена. Така че повечето производители вземат по-лесния начин: Те повишават изходния импеданс на усилвателя чрез добавяне на резистор (или понякога кондензатор).

Както можете да видите в измерванията на слушалките ми (надолу до втората графика), високият импеданс на изхода може да има огромен ефект върху честотната характеристика на слушалките. Аз измервам честотата на реакция на слушалките първо с Musical Fidelity усилвател за слушалки, който има 5-ohm изходен импеданс, а след това отново с допълнителни 70 ома на съпротивление добавя, за да се създаде общ изход импеданс от 75 ома.

Ефектът, че високият импеданс на изхода ще варира в зависимост от импеданса на свързаните слушалки и особено при промяна на импеданса на слушалките при различни честоти. Слушалките, които имат големи люлеещи импеданси - както повечето модели в ушите с драйвери с балансирана арматура - обикновено проявяват значителни промени в честотната характеристика, когато преминете от усилвател с нисък импеданс на изхода към един с висок импеданс на изхода. Често слушалките, които имат естествено звучещ тонален баланс, когато се използват с източник с нисък импеданс, ще имат басов, тъп баланс, когато се използват с източник с висок импеданс.

За щастие, нисък импеданс на изхода е наличен в много високоговорители за слушалки от висок клас (особено модели с твърдо състояние) и дори някои от малките чипове за слушалки, вградени в устройства като iPhone. Обикновено няма начин да знаете със сигурност дали слушалките се излъчват за използване с високи или ниски импеданси на изхода, но предпочитам да се придържам към ниско ниво на импеданс поради причините, посочени по-горе в тази статия.

Бих предпочел да не използвам слушалки с огромни импеданс люлки, които биха предизвикали промени в честотната характеристика, когато се използват със слушалки усилватели, които имат висок импеданс на изхода (като този в лаптопа, който пиша това). За съжаление, обаче, обикновено предпочитам звука на добре балансирана арматура за слушалки в ухото, който използва динамични драйвери, така че когато използвам тези слушалки с моя лаптоп, обикновено свързвам външен усилвател или USB усилвател за слушалки / КПР.

Знам, че това е дългогодишен обяснение, но импеданс продукция е сложна тема. Благодарим Ви, че се отнесехте към мен и ако имате някакви въпроси или ако оставих нещо, изпратете ми имейл и ме уведомите.