Håndtering af et af de mest forvirrende emner i lydelektronik
Da jeg lærte det grundlæggende i lyd, var en af de begreber, der var sværest for mig at forstå, outputimpedans. Inputimpedans forstod jeg instinktivt, fra et tales eksempel. En højttalerdriver indeholder jo en trådspole, og jeg vidste, at en spole tråd modstår elektrisk strømning. Men produktion impedans? Hvorfor ville en forstærker eller forforstærker have impedans ved dens output, undrede jeg mig? Ville det ikke ønske at levere alle mulige volt og amp til hvad det kører?
I mine snak med læsere og entusiaster gennem årene har jeg indset, at jeg ikke var den eneste, der ikke fik hele ideen om outputimpedans. Så jeg troede, det ville være rart at lave en primer om emnet. I denne artikel behandler jeg tre almindelige og meget forskellige situationer: forkaster, forstærkere og forstærkere til hovedtelefoner.
Lad os først kort omtale impedansbegrebet. Modstand er den grad, som noget begrænser strømmen af DC-elektricitet. Impedans er stort set det samme, men med AC i stedet for DC. Typisk vil impedansen af en komponent ændre sig, da frekvensen af det elektriske signal ændres. For eksempel vil en lille trådspole have næsten nullimpedans ved 1 Hz, men højimpedans ved 100 kHz. En kondensator kan have næsten uendelig impedans ved 1 Hz, men næsten ingen impedans ved 100 kHz.
Outputimpedans er mængden af impedans mellem en forstærker eller forstærkerens udgangsenheder (normalt transistorer, men muligvis en transformer eller et rør) og de faktiske udgangsterminaler af komponenten. Dette indbefatter selve indretningens interne impedans.
Hvorfor har du brug for outputimpedans?
Så hvorfor ville en komponent have en outputimpedans? For det meste er det at beskytte det mod skader fra kortslutninger.
Enhver udgangsenhed er begrænset i mængden af elektrisk strøm, som den kan klare. Hvis udgangen af enheden er kortsluttet, bliver den bedt om at levere en stor mængde strøm. For eksempel producerer et 2,83 volt udgangssignal en strøm på 0,35 ampere og 1 watt strøm til en typisk 8 ohm højttaler. Intet problem der. Men hvis en ledning med 0,01 ohm impedans var forbundet over en forstærkerens udgangsterminaler, vil det samme 2,83 volt udgangssignal producere en strøm på 282,7 ampere og 800 watt strøm. Det er langt langt mere end de fleste udgangsenheder kan levere. Medmindre forstærkeren har en slags beskyttelseskreds eller enhed, vil udgangsenheden overophedes og vil sandsynligvis lide permanent skade. Og ja, det kunne endda tage i brand.
Med en vis grad af impedans indbygget i udgangen, har komponenten tydeligvis større beskyttelse mod kortslutninger, fordi udgangsimpedansen altid er i kredsløbet. Sig, du har en hovedtelefonforstærker med en udgangsimpedans på 30 ohm, kører et par 32 ohm hovedtelefoner, og du kortsluttes hovedtelefonledningen ved et uheld at klippe det med et par saks. Du går fra en total systemimpedans på 62 ohm ned til en total impedans på måske 30,01 ohm, hvilket ikke er så meget. Bestemt meget mindre ekstreme end at gå fra 8 ohm ned til 0,01 ohm.
Hvor lav skal outputimpedans være?
En meget generel tommelfingerregel i lyd er, at du vil have, at outputimpedansen skal være mindst 10 gange lavere end den forventede inputimpedans, som den vil fodre. På denne måde har outputimpedansen ingen væsentlig indflydelse på systemets ydeevne. Hvis outputimpedansen er meget mere end 10 gange den indgangsimpedans, den vil fodre, kan du få et par forskellige problemer.
Med en hvilken som helst lydelektronik kan en for høj outputimpedans skabe filtreringseffekter, der forårsager underlige frekvensresponsanomalier og medfører også reduceret effekt. For mere om disse fænomener, se min første og anden artikel om, hvordan højttalerkabler kan påvirke lydkvaliteten.
Med forstærkere er der et ekstra problem. Når forstærkeren flytter højttalerkeglen fremad eller bagud, springer højttalerens ophæng keglen tilbage til sin midterposition. Denne handling genererer spænding, som derefter smides tilbage ved forstærkeren. (Dette fænomen er kendt som "tilbage EMF" eller omvendt elektromotorisk kraft.) Hvis forstærkerens udgangsimpedans er lav nok, vil den effektivt reducere den tilbage EMF og fungere som en bremse på keglen, når den springer tilbage. Hvis forstærkerens udgangsimpedans er for høj, vil den ikke være i stand til at stoppe keglen, og keglen vil fortsætte springer frem og tilbage, indtil friktionsstop er. Dette skaber en ringeffekt, og gør noter længe efter at de skulle stoppe.
Du kan se dette i forstærkers dæmpningsfaktor ratings. Dæmpningsfaktor er den forventede gennemsnitlige indgangsimpedans (8 ohm) divideret med forstærkerens impedans. Jo højere tallet jo bedre dæmpningsfaktoren.
Forstærkerens udgangsimpedans
Da vi taler om forstærkere, lad os starte med det eksempel, som er vist på tegningen ovenfor. Højttalerimpedanser klassificeres typisk 6 til 10 ohm, men det er almindeligt for højttalere at falde til 3 ohm impedans ved bestemte frekvenser, og endda 2 ohm i nogle ekstreme tilfælde. Hvis du kører to højttalere parallelt, som brugerdefinerede installatører ofte gør, når du opretter multiroom-lydsystemer, skærer impedansen halvt, hvilket betyder en højttaler, der dips til 2 ohm ved at sige, at 100 Hz nu falder til 1 ohm ved den frekvens, når det er parret med en anden højttaler af samme type.Det er selvfølgelig et ekstremt tilfælde, men forstærker designere skal tage højde for sådanne ekstreme tilfælde, eller de kan stå over for en stor bunke ampere, der kommer ind til reparation.
Hvis vi regner med en højttalerimpedans på 1 ohm, betyder det, at forstærkeren skal have en outputimpedans på ikke mere end 0,1 ohm. Det er klart, at der ikke er plads til at tilføje tilstrækkelig modstand mod denne forstærkeres output for at give udgangsenhederne nogen reel beskyttelse.
Således skal forstærkeren anvende en slags beskyttelseskredsløb. Det kan være noget, der sporer forstærkerens aktuelle udgang og afbryder output, hvis den aktuelle træk er for høj. Eller det kan være så simpelt som en sikring eller afbryder på den indgående vekselstrøm eller skinnerne i strømforsyningen. Disse afbryder strømforsyningen, når den aktuelle træk er mere end forstærkeren kan håndtere.
For det meste bruger næsten alle effektforstærkere output-transformere, og fordi udgangstransformatorer kun er ledninger af tråd indpakket omkring en metalramme, har de en stor impedans af deres egen, nogle gange så meget som 0,5 ohm eller mere. Faktisk for at simulere lyden af en rørforstærker i sine Sunfire solid state (transistor) forstærkere tilføjede den berømte designer Bob Carver en "Current Mode" -kontakt, der placerede en 1 ohm modstand i serie med udgangsenhederne. Selvfølgelig krænkede dette minimumsforholdet mellem 1 og 10 for outputimpedans til den forventede inputimpedans, som vi diskuterede ovenfor, og dermed havde en betydelig indvirkning på frekvensresponsen af den tilsluttede højttaler, men det er hvad du får med mange rørforstærkere og Det er præcis, hvad Carver ønskede at simulere.
02 af 03Preamp / Source Device Output Impedance
Med en forkabel eller kildeenhed (cd-afspiller, kabelboks osv.), Som vist på tegningen ovenfor, er det en anden situation. I dette tilfælde er du ligeglad med strøm eller strøm. Alt hvad du behøver for at overføre lydsignalet er spændingen. Således kan nedstrømsindretningen - en effektforstærker, i tilfælde af en foramp, eller en foramp, i tilfælde af en kildeenhed - have en høj indgangsimpedans. Enhver strøm, der kommer igennem linjen, er næsten fuldstændig blokeret af den høje indgangsimpedans, men spændingen kommer igennem helt fint.
For de fleste strømforstærkere og forforstærkere er en indgangsimpedans på 10 til 100 kilohms almindelig. Ingeniører kan gå højere, men de kan få mere støj på den måde. I øvrigt har guitarforstærkerne typisk inputimpedanser på 250 kilohms til 1 megohm, fordi elektriske guitar pickups normalt har outputimpedanser fra 3 til 10 kilohms.
Kortslutning kan være almindelig med kredsløb i kredsløb, fordi det er så let at gnide de to nøgne ledere af et RCA stik mod et metalstykke, der kortslutter dem. Således er outputimpedanser på 100 ohm eller mere almindelige i forstærkere og kildeenheder. Jeg har set et par eksotiske high-end komponenter med line-niveau output impedanser så lave som 2 ohm, men disse vil have enten meget kraftige output transistorer eller et beskyttelseskredsløb for at forhindre skade fra shorts. I nogle tilfælde kan de have en koblingskondensator ved udgangen for at blokere jævnspænding og forhindre udstødning af udgange.
Phono forkampe er helt anderledes. Mens de typisk har outputimpedanser, der ligner dem på en cd-afspiller, er deres inputimpedanser meget forskellige fra dem i en line-stage-foramp. Det er for meget at gå ind her. Måske går jeg ind i emnet i en anden artikel.
03 af 03Hovedtelefonforstærkerimpedans
Den øgede popularitet i hovedtelefoner har medført den temmelig underlige, ikke-standardiserede systemimpedansordning af typiske hovedtelefonforstærker til spotlighten. I modsætning til konventionelle forstærkere kommer hovedtelefonforstærkere i en lang række udgangsimpedanser. Virkelig billige hovedtelefonforstærker, som dem, der er indbygget i de fleste bærbare computere, kan have en outputimpedans så høj som 75 eller endog 100 ohm, selvom hovedtelefonimpedansen typisk ligger fra 16 til 70 ohm.
Det er sjældent for en forbruger at afbryde forbindelsen og tilslutte højttalerne igen, når en forstærker kører, og det er også sjældent, at højttalerkablerne bliver beskadiget, når en forstærker kører. Men med hovedtelefoner sker disse ting hele tiden. Folk kobler rutinemæssigt til eller frakobler hovedtelefoner, når en hovedtelefonforstærker kører. Hovedtelefonkabler er ofte beskadiget - nogle gange skaber en kortslutning - mens de er i brug. Selvfølgelig er de fleste hovedtelefonforstærkere billige enheder, som kan gøre det umuligt at tilføje et anstændigt beskyttelseskredsløb. Så de fleste producenter tager den lettere vej ud: De øger forstærkers outputimpedans ved at tilføje en modstand (eller lejlighedsvis en kondensator).
Som du kan se i mine hovedtelefonmålinger (gå ned til anden graf), kan høj outputimpedans få en enorm effekt på frekvensresponsen af en hovedtelefon. Jeg måler frekvensresponsen af en hovedtelefon med en Musical Fidelity-hovedtelefonforstærker, der har en impedans på 5 ohm, så igen med en ekstra 70 ohm modstand tilsat for at skabe en total outputimpedans på 75 ohm.
Den effekt, at en høj outputimpedans vil have, varierer med impedansen af den tilsluttede hovedtelefon, og især med forandringen i hovedtelefonens impedans ved forskellige frekvenser. Hovedtelefoner, der har store impedansgynger - som de fleste i-øret modeller med balancerede armaturdrivere gør - vil normalt udvise væsentlige ændringer i frekvensrespons, når du skifter fra en forstærker med lav outputimpedans til en med høj outputimpedans. Ofte har en hovedtelefon, der har en naturlig lydende tonebalance, når den bruges med en lavimpedans kilde, en bassy, kedelig lydbalance, når den bruges med en højimpedanskilde.
Heldigvis er lav output impedans tilgængelig i mange high-end hovedtelefoner ampere (især solid state modeller), og endda nogle af de små hovedtelefoner amp chips indbygget i enheder som iPhones. Der er normalt ingen måde at vide, om en hovedtelefon er udtalt til brug med høje eller lave output impedanser, men jeg foretrækker at holde fast med lav output impedans af de grunde, der er nævnt tidligere i denne artikel.
jeg ville foretrækker ikke at bruge hovedtelefoner med store impedanssvingninger, der ville forårsage frekvensresponsændringer, når de bruges med hovedtelefonforstærkere, der har høj udgangssimpedans (som den i den bærbare computer, jeg skriver dette på). Desværre foretrækker jeg generelt lyden af en god afbalanceret armatur i øret hovedtelefon til en, der bruger dynamiske drivere, så når jeg bruger disse hovedtelefoner med min bærbare computer, forbinder jeg normalt en ekstern forstærker eller USB-hovedtelefon amp / DAC.
Jeg ved, at dette har været en langvarig forklaring, men outputimpedans er et kompliceret emne. Tak for at have med mig, og hvis du har spørgsmål eller hvis jeg har givet noget ud, send mig en e-mail og lad mig vide.
