Борьба с одним из самых запутанных предметов в аудиоэлектронике
Когда я изучал основы аудио, одной из концепций, которые мне было сложнее понять, было выходное сопротивление. Входное сопротивление я понял инстинктивно, на примере говорящего. В конце концов, драйвер динамика содержит катушку провода, и я знал, что катушка провода сопротивляется электрическому потоку. Но выход полное сопротивление? Интересно, почему усилитель или предусилитель имеют сопротивление на выходе. Разве он не хотел бы доставлять все возможные вольт и усилители во что бы то ни стало?
В моих чатах с читателями и энтузиастами на протяжении многих лет я понял, что я не единственный, кто не понял всю идею выходного импеданса. Поэтому я подумал, что было бы неплохо сделать учебник по этому вопросу. В этой статье я расскажу о трех общих и очень разных ситуациях: предусилителях, усилителях и усилителях для наушников.
Во-первых, давайте кратко опишем концепцию импеданса. Сопротивление - это степень, в которой что-то ограничивает поток электроэнергии постоянного тока. Импеданс - это в основном одно и то же, но с AC вместо DC. Как правило, импеданс компонента изменяется при изменении частоты электрического сигнала. Например, небольшая катушка провода будет иметь почти нулевой импеданс при 1 Гц, но высокий импеданс на частоте 100 кГц. Конденсатор может иметь почти бесконечный импеданс на частоте 1 Гц, но практически без импеданса на частоте 100 кГц.
Выходной импеданс - это величина сопротивления между предусилителем или выходными устройствами усилителя (обычно это транзисторы, но, возможно, трансформатор или трубка) и фактические выходные клеммы компонента. Это включает в себя внутренний импеданс самого устройства.
Почему вам требуется выходное сопротивление?
Итак, почему компонент должен иметь выходной импеданс? По большей части, это защита от повреждения от короткого замыкания.
Любое устройство вывода ограничено в объеме электрического тока, который он может обрабатывать. Если выход устройства закорочен, его просят подавать огромное количество тока. Например, выходной сигнал 2,83 вольт вырабатывает ток 0,35 ампера и 1 Вт мощности в типичный 8-омный динамик. Нет проблем. Но если к выходным клеммам усилителя был подключен провод с сопротивлением 0,01 Ом, то тот же выходной сигнал 2,83 вольт вырабатывает ток 282,7 А и 800 Вт мощности. Это далеко, намного больше, чем могут обеспечить большинство устройств вывода. Если усилитель не имеет какой-либо схемы защиты или устройства, то устройство вывода будет перегреваться и, вероятно, будет иметь постоянный ущерб. И да, это может даже загореться.
При некотором объеме импеданса, встроенного в выход, компонент, очевидно, имеет большую защиту от коротких замыканий, поскольку выходной импеданс всегда находится в цепи. Скажем, у вас есть усилитель для наушников с выходным импедансом 30 Ом, управляющий двумя 32-омными наушниками, и вы коротко замыкаете кабель для наушников, случайно разрезая его ножницами. Вы переходите от полного импеданса системы 62 Ом до полного сопротивления, возможно, 30,01 Ом, что не так уж и важно. Конечно, намного менее экстремальный, чем переход от 8 Ом до 0,01 Ом.
Насколько низкий должен быть выходной импеданс?
Очень общее правило в аудио состоит в том, что вы хотите, чтобы выходной импеданс был как минимум в 10 раз ниже ожидаемого входного импеданса, который он будет подавать. Таким образом, выходной импеданс не оказывает существенного влияния на производительность системы. Если выходное сопротивление намного больше, чем в 10 раз превышает входное сопротивление, которое он будет подавать, вы можете получить несколько различных проблем.
С помощью любой аудиоэлектроники слишком высокий выходной импеданс может создавать эффекты фильтрации, которые вызывают необычные аномалии частотной характеристики, а также приводят к снижению выходной мощности. Для получения дополнительной информации об этих явлениях ознакомьтесь со своими первыми и вторыми статьями о том, как кабели громкоговорителей могут влиять на качество звука.
С усилителями возникает дополнительная проблема. Когда усилитель перемещает конус динамика вперед или назад, подвеска динамика возвращает конус назад в его центральное положение. Это действие генерирует напряжение, которое затем отбрасывается обратно на усилитель. (Это явление известно как «обратная ЭДС» или обратная электродвижущая сила.) Если выходной импеданс усилителя достаточно мал, он эффективно сокращает эту заднюю ЭДС и действует как тормоз на конусе, когда он возвращается назад. Если выходной импеданс усилителя слишком высок, он не сможет остановить конус, и конус будет продолжать скатываться назад и вперед до тех пор, пока не будут остановлены трения. Это создает эффект звонка и делает заметки задерживаться после того, как они должны были остановиться.
Это можно увидеть в оценках коэффициента демпфирования усилителей. Коэффициент демпфирования - это ожидаемый средний входной импеданс (8 Ом), деленный на выходной импеданс усилителя. Чем больше число, тем лучше коэффициент затухания.
Выходной импеданс усилителя
Поскольку мы говорим об усилителях, давайте начнем с этого примера, который показан на рисунке выше. Сопротивление громкоговорителей обычно составляет от 6 до 10 Ом, но для громкоговорящих акустических систем характерно падение до 3 Ом на определенных частотах и даже 2 Ом в некоторых экстремальных случаях. Если вы запускаете два динамика параллельно, как это обычно делают пользовательские установщики при создании многокомнатных аудиосистем, которые уменьшают импеданс пополам, то есть динамик, который опускается до 2 Ом при, скажем, 100 Гц, теперь опускается до 1 Ом на той частоте, когда это в паре с другим динамиком того же типа.Конечно, это крайний случай, но разработчики усилителей должны учитывать такие экстремальные случаи, или они могут столкнуться с большой кучей усилителей, поступающих на ремонт.
Если мы согласны с минимальным сопротивлением динамика 1 Ом, это означает, что усилитель должен иметь выходной импеданс не более 0,1 Ом. Очевидно, что нет места для добавления достаточного сопротивления выходному усилителю, чтобы дать выходным устройствам какую-либо реальную защиту.
Таким образом, усилителю придется использовать какую-то схему защиты. Это может быть то, что отслеживает текущий выход усилителя и отключает выход, если текущий уровень слишком высок. Или это может быть так же просто, как плавкий предохранитель или автоматический выключатель на входящей линии электропитания переменного тока или рельсы источника питания. Они отсоединяют источник питания, когда текущий ток больше, чем усилитель может работать.
Кстати, почти все ламповые усилители мощности используют выходные трансформаторы, а потому, что выходные трансформаторы представляют собой только катушки провода, обернутые вокруг металлического каркаса, они имеют значительный собственный импеданс, иногда до 0,5 ома или даже больше. Фактически, для имитации звука лампового усилителя в его твердотельных (транзисторных) усилителях Sunfire знаменитый дизайнер Боб Карвер добавил переключатель «текущего режима», который последовательно размещал 1-омный резистор последовательно с выходными устройствами. Конечно, это нарушило минимальное отношение выходного импеданса от 1 до 10 к ожидаемому входному импедансу, о котором мы говорили выше, и, таким образом, существенно повлияло на частотную характеристику подключенного динамика, но это то, что вы получаете со многими ламповыми усилителями и это именно то, что Картер хотел имитировать.
02 из 03Импеданс выхода устройства / источника
С предусилителем или исходным устройством (CD-плеер, кабельный ящик и т. Д.), Как показано на рисунке выше, это другая ситуация. В этом случае вас не волнует сила или ток. Все, что вам нужно для передачи аудиосигнала, - это напряжение. Таким образом, нижестоящее устройство - усилитель мощности, в случае предусилителя или предусилителя, в случае источника - может иметь высокий входной импеданс. Любой ток, проходящий через линию, почти полностью блокируется этим высоким входным импедансом, но напряжение проходит очень хорошо.
Для большинства усилителей мощности и предусилителей общий входной импеданс составляет от 10 до 100 кОм. Инженеры могут идти выше, но они могут получить больше шума таким образом. Кстати, гитарные усилители обычно имеют входные импедансы от 250 кГц до 1 МОм, потому что электрические гитарные пикапы обычно имеют выходные импедансы от 3 до 10 кОм.
Короткие замыкания могут быть общими с линейными схемами, потому что так легко случайно протереть два оголенных проводника штекера RCA против куска металла, который их замыкает. Таким образом, выходные импедансы 100 Ом или более распространены в предусилителях и источниках. Я видел несколько экзотических высокопроизводительных компонентов с выходными импедансами линейного уровня до 2 Ом, но у них будут либо очень мощные выходные транзисторы, либо схема защиты, чтобы предотвратить повреждение шорт. В некоторых случаях они могут иметь конденсатор связи на выходе для блокировки напряжения постоянного тока и предотвращения выгорания выходного устройства.
Фоно-предусилители - совсем другой предмет. Хотя они, как правило, имеют выходные импедансы, аналогичные выходным импедансам CD-плеера, их входные импедансы сильно отличаются от входных сигналов линейного предусилителя. Это слишком много, чтобы пойти сюда. Возможно, я расскажу об этом в другой статье.
03 из 03Выходной импеданс для наушников
Всплеск популярности наушников привел к довольно странному, нестандартному расположению импеданса типичных усилителей для наушников в центре внимания. В отличие от обычных усилителей, усилители для наушников имеют широкий диапазон выходных сопротивлений. Действительно дешевые наушники, такие как встроенные в большинство ноутбуков, могут иметь выходной импеданс до 75 или даже 100 Ом, хотя импеданс наушников обычно колеблется от 16 до 70 Ом.
Редко, когда потребитель отключает и снова подключает динамики при работе усилителя, а также редко удается повредить динамики, когда усилитель работает. Но с наушниками все это происходит постоянно. Люди обычно подключают или отключают наушники, когда работает усилитель для наушников. Кабели для наушников часто повреждаются - иногда создавая короткое замыкание - пока они используются. Конечно, большинство усилителей для наушников - дешевые устройства, которые могут сделать добавление достойной схемы защиты дорогостоящей. Таким образом, большинство производителей используют более простой выход: они повышают выходной импеданс усилителя, добавляя резистор (или иногда конденсатор).
Как вы можете видеть в моих измерениях наушников (см. Второй график), высокий выходной импеданс может оказать огромное влияние на частотную характеристику наушников. Я измеряю частотную характеристику наушников сначала с усилителем наушников Musical Fidelity, который имеет выходной импеданс 5 Ом, а затем снова с дополнительным сопротивлением 70 Ом, создающим общий выходной импеданс 75 Ом.
Эффект, связанный с высоким выходным импедансом, зависит от импеданса подключенных наушников и особенно от изменения импеданса наушников на разных частотах. Наушники, которые имеют большие колебания импеданса - как и большинство моделей в ухе с драйверами с сбалансированной арматурой, обычно проявляют существенные изменения в частотном отклике при переключении с усилителя с низким выходным импедансом на один с высоким выходным сопротивлением. Часто наушники с естественным звучанием тонального баланса при использовании с источником с низким импедансом имеют басовый, тупой звуковой баланс при использовании с источником с высоким импедансом.
К счастью, низкий выходной импеданс доступен во многих высококачественных усилителях для наушников (особенно в твердотельных моделях) и даже некоторых небольших чипах для наушников, встроенных в такие устройства, как iPhone. Как правило, нет никакого способа точно знать, что наушники озвучены для использования с высоким или низким выходным импедансом, но я предпочитаю придерживаться низкого выходного сопротивления по причинам, приведенным ранее в этой статье.
я было бы предпочитают не использовать наушники с огромными колебаниями импеданса, которые могут вызвать изменения частотной характеристики при использовании с усилителями для наушников с высоким выходным сопротивлением (например, в ноутбуке, который я набираю). Однако, к сожалению, я предпочитаю звук хороших наушников-вкладышей с симметричной арматурой, которые используют динамические драйверы, поэтому, когда я использую эти наушники с ноутбуком, я обычно подключаю внешний усилитель или усилитель USB-наушников.
Я знаю, что это было длинное объяснение, но выходной импеданс - сложная тема. Спасибо за ношение со мной, и если у вас возникнут какие-либо вопросы или я что-то упустил, отправьте мне электронное письмо и сообщите мне.
