Aanpak van een van de meest verwarrende onderwerpen in audio-elektronica
Toen ik de basisprincipes van audio aan het leren was, was de outputimpedantie een van de concepten die ik het moeilijkst kon bevatten. Input impedantie I begreep instinctief, van het voorbeeld van een luidspreker. Immers, een luidsprekerdriver bevat een spoel van draad en ik wist dat een draadspiraal bestand is tegen elektrische stroom. Maar uitgang impedantie? Waarom zou een versterker of voorversterker aan zijn uitgang een impedantie hebben, vroeg ik me af? Zou het niet alle volt en amp willen leveren voor wat het ook maar aandrijft?
In mijn gesprekken met lezers en enthousiastelingen door de jaren heen, ben ik gaan beseffen dat ik niet de enige was die niet het hele idee van outputimpedantie kreeg. Dus ik dacht dat het leuk zou zijn om een inleiding over het onderwerp te maken. In dit artikel behandel ik drie veel voorkomende en heel verschillende situaties: voorversterkers, versterkers en hoofdtelefoonversterkers.
Laten we eerst het begrip impedantie kort herhalen. Weerstand is de mate waarin iets de stroom DC-elektriciteit beperkt. Impedantie is in principe hetzelfde, maar met AC in plaats van DC. Typisch zal de impedantie van een component veranderen als de frequentie van het elektrische signaal verandert. Een kleine draadspiraal heeft bijvoorbeeld bijna nul impedantie bij 1 Hz, maar een hoge impedantie bij 100 kHz. Een condensator kan een bijna oneindige impedantie hebben bij 1 Hz, maar bijna geen impedantie bij 100 kHz.
Uitgangsimpedantie is de hoeveelheid impedantie tussen de uitvoerapparaten van een voorversterker of versterker (gewoonlijk transistoren, maar mogelijk een transformator of buis) en de werkelijke uitgangsklemmen van het onderdeel. Dit omvat de interne impedantie van het apparaat zelf.
Waarom heeft u outputimpedantie nodig?
Dus waarom zou een component een uitgangsimpedantie hebben? Voor het grootste deel is het om het te beschermen tegen schade door kortsluiting.
Elk uitvoerapparaat is beperkt in de hoeveelheid elektrische stroom die het kan verwerken. Als de uitvoer van het apparaat kortgesloten is, wordt er gevraagd om een enorme hoeveelheid stroom te leveren. Een uitgangssignaal van 2,83 volt produceert bijvoorbeeld een stroom van 0,35 ampère en 1 watt vermogen in een typische luidspreker van 8 ohm. Geen probleem daar. Maar als een draad met een impedantie van 0,01 ohm via de uitgangsaansluitingen van een versterker werd aangesloten, produceert datzelfde 2,83 volt uitgangssignaal een stroom van 282,7 ampère en 800 watt aan vermogen. Dat is veel, veel meer dan de meeste uitvoerapparaten kunnen leveren. Tenzij de versterker een soort beveiligingscircuit of -apparaat heeft, raakt het uitvoerapparaat oververhit en zal het waarschijnlijk permanente schade oplopen. En ja, het kan zelfs vlam vatten.
Met een bepaalde hoeveelheid impedantie ingebouwd in de uitgang, heeft de component duidelijk een grotere bescherming tegen kortsluitingen, omdat de uitgangsimpedantie altijd in het circuit is. Stel dat je een koptelefoonversterker hebt met een uitgangsimpedantie van 30 ohm, een 32-ohm-koptelefoon aanvoert en je het koptelefoonsnoer kortmaakt door het per ongeluk met een schaar te knippen. Je gaat van een totale systeemimpedantie van 62 ohm naar een totale impedantie van misschien 30,01 ohm, wat niet zo'n grote deal is. Zeker een stuk minder extreem dan van 8 ohm naar 0,01 ohm.
Hoe laag moet de outputimpedantie zijn?
Een zeer algemene vuistregel bij audio is dat u wilt dat de uitvoerimpedantie ten minste 10 keer lager is dan de verwachte ingangsimpedantie die deze zal voeden. Op deze manier heeft de uitgangsimpedantie geen significant effect op de prestaties van het systeem. Als de uitgangsimpedantie veel groter is dan 10 keer de ingangsimpedantie die deze zal voeden, kunt u een aantal verschillende problemen krijgen.
Bij elke audio-elektronica kan een te hoge uitgangsimpedantie filtereffecten creëren die vreemde frequentieresponsafwijkingen veroorzaken en ook resulteren in een verminderde vermogensoutput. Kijk voor meer informatie over deze verschijnselen in mijn eerste en tweede artikel over hoe luidsprekerkabels de geluidskwaliteit kunnen beïnvloeden.
Met versterkers is er een extra probleem. Wanneer de versterker de luidsprekerconus naar voren of naar achteren beweegt, brengt de ophanging van de luidspreker de conus terug naar de middenpositie. Deze actie genereert een spanning die vervolgens naar de versterker wordt teruggegooid. (Dit fenomeen staat bekend als "back EMF" of omgekeerde elektromotorische kracht.) Als de uitgangsimpedantie van de versterker laag genoeg is, zal deze effectief die EMF aan de achterkant wegsnijden en fungeren als een rem op de conus als deze terugspringt. Als de uitgangsimpedantie van de versterker te hoog is, kan deze de conus niet stoppen en blijft de conus heen en weer springen totdat de frictie stopt. Dit creëert een belgeluid en zorgt ervoor dat noten blijven hangen nadat ze zouden moeten stoppen.
Dit is te zien aan de dempingsfactor van versterkers. Dempingsfactor is de verwachte gemiddelde ingangsimpedantie (8 ohm) gedeeld door de uitgangsimpedantie van de versterker. Hoe hoger het getal, hoe beter de dempingsfactor.
Versterker uitgangsimpedantie
Omdat we het hebben over versterkers, laten we beginnen met dat voorbeeld, dat wordt weergegeven in de bovenstaande tekening. Luidsprekerimpedanties hebben doorgaans een nominale waarde van 6 tot 10 ohm, maar het is gebruikelijk dat luidsprekers op bepaalde frequenties dalen tot 3 ohm-impedantie en in sommige extreme gevallen zelfs 2 ohm. Als je twee luidsprekers parallel gebruikt, zoals aangepaste installatieprogramma's vaak doen bij het maken van multiroom-audiosystemen, wordt de impedantie gehalveerd, wat betekent dat een luidspreker die daalt naar 2 ohm bij, zeg, 100 Hz daalt tot 1 ohm op die frequentie wanneer het gepaard met een andere luidspreker van hetzelfde type.Dat is natuurlijk een extreem geval, maar versterkerontwerpers moeten zich rekenschap geven van dergelijke extreme gevallen of ze kunnen worden geconfronteerd met een grote stapel versterkers die binnenkomen voor reparatie.
Als we een minimale luidsprekerimpedantie van 1 ohm vinden, betekent dit dat de versterker een uitgangsimpedantie van niet meer dan 0,1 ohm moet hebben. Het is duidelijk dat er geen ruimte is om voldoende weerstand aan de output van deze versterker toe te voegen om de uitvoerapparaten enige echte bescherming te geven.
Dus, de versterker zal een soort van beveiligingscircuit moeten gebruiken. Dat zou iets kunnen zijn dat de stroomuitgang van de versterker volgt en de uitgang verbreekt als de huidige draw te hoog is. Of het kan zo simpel zijn als een zekering of stroomonderbreker op de inkomende AC-voedingslijn of de rails van de voeding. Deze ontkoppelen de stroomtoevoer wanneer de stroomafname groter is dan de versterker aankan.
Overigens gebruiken bijna alle buisvermogensversterkers uitgangstransformatoren en omdat uitgangstransformatoren slechts draadspoelen zijn gewikkeld rond een metalen frame, hebben ze een aanzienlijke eigen impedantie, soms wel 0,5 ohm of zelfs meer. Om het geluid van een buizenversterker in zijn Sunfire solid-state (transistor) versterkers te simuleren, voegde de beroemde ontwerper Bob Carver een schakelaar voor de "huidige modus" toe die een 1-ohm-weerstand in serie met de uitvoerapparaten plaatste. Dit is uiteraard in strijd met de minimale uitgangsimpedantie van 1 tot 10 tot de verwachte ingangsimpedantie die we hierboven hebben besproken, en had dus een aanzienlijk effect op de frequentierespons van de aangesloten luidspreker, maar dat is wat je krijgt met veel buizenversterkers en het is precies wat Carver wilde simuleren.
02 van 03Voorversterker / bronapparaat Uitgangsimpedantie
Met een voorversterker of bronapparaat (CD-speler, kabelbox, enz.), Zoals weergegeven in de bovenstaande tekening, is dit een andere situatie. In dit geval geeft u niets om stroom of stroom. Het enige dat u nodig hebt om het audiosignaal over te brengen, is de spanning. Dus, de stroomafwaartse inrichting - een vermogensversterker, in het geval van een voorversterker, of een voorversterker, in het geval van een bronapparaat, kan een hoge ingangsimpedantie hebben. Elke stroom die door de lijn komt, wordt bijna volledig geblokkeerd door die hoge ingangsimpedantie, maar de spanning komt goed door.
Voor de meeste eindversterkers en voorversterkers is een ingangsimpedantie van 10 tot 100 kilohm gebruikelijk. Ingenieurs kunnen hoger gaan, maar op die manier kunnen ze meer lawaai maken. Overigens hebben gitaarversterkers meestal ingangsimpedanties van 250 kilohms tot 1 megohm, omdat elektrische gitaar-pickups meestal een uitgangsimpedantie van 3 tot 10 kilohm hebben.
Kortsluitingen kunnen voorkomen bij lijnniveaucircuits, omdat het zo gemakkelijk is om per ongeluk de twee naakte geleiders van een RCA-stekker tegen een stuk metaal te wrijven dat ze kortsluit. Aldus zijn uitgangsimpedanties van 100 ohm of meer gebruikelijk in voorversterkers en broninrichtingen. Ik heb een paar exotische, high-end componenten gezien met lijnniveau-uitgangsimpedanties van slechts 2 ohm, maar deze hebben ofwel zeer zware output-transistoren of een beschermingscircuit om schade door shorts te voorkomen. In sommige gevallen kunnen ze een koppelcondensator aan de uitgang hebben om DC-spanning te blokkeren en de burn-out van het uitvoerapparaat te voorkomen.
Phono-voorversterkers zijn volledig een ander onderwerp. Terwijl ze meestal een uitgangsimpedantie hebben die vergelijkbaar is met die van een CD-speler, verschillen hun ingangsimpedanties sterk van die van een line-stage voorversterker. Dat is teveel om hier in te gaan. Misschien zal ik in een ander artikel verder op dat onderwerp ingaan.
03 of 03Hoofdtelefoonversterker uitgangsimpedantie
De sterke toename van de populariteit van hoofdtelefoons heeft de nogal rare, niet-standaard systeemimpedantie van typische hoofdtelefoonversterkers naar de schijnwerpers gebracht. In tegenstelling tot conventionele versterkers, komen koptelefoonversterkers in een breed scala aan uitgangsimpedanties. Echt goedkope hoofdtelefoonversterkers, zoals die op de meeste laptops zijn ingebouwd, hebben mogelijk een uitgangsimpedantie van wel 75 of zelfs 100 ohm, hoewel de impedantie van de hoofdtelefoon doorgaans varieert van ongeveer 16 tot 70 ohm.
Het komt zelden voor dat een consument de luidsprekers loskoppelt en opnieuw verbindt wanneer een versterker in gebruik is, en ook zelden dat luidsprekerkabels worden beschadigd wanneer een versterker wordt gebruikt. Maar met een koptelefoon, deze dingen gebeuren de hele tijd. Mensen maken routinematig verbinding of ontkoppelen de koptelefoon wanneer een koptelefoonversterker wordt gebruikt. Koptelefoonkabels zijn vaak beschadigd - soms kortsluiting veroorzaken - terwijl ze in gebruik zijn. Natuurlijk zijn de meeste hoofdtelefoonversterkers goedkope apparaten, wat het toevoegen van een behoorlijk beschermingscircuit kostbaar kan maken. Dus de meeste fabrikanten nemen de gemakkelijkere oplossing: ze verhogen de uitgangsimpedantie van de versterker door een weerstand (of af en toe een condensator) toe te voegen.
Zoals je kunt zien in de metingen van mijn hoofdtelefoon (ga naar de tweede grafiek), kan een hoge uitgangsimpedantie een enorm effect hebben op de frequentierespons van een hoofdtelefoon. Ik meet de frequentierespons van een hoofdtelefoon eerst met een Musical Fidelity-hoofdtelefoonversterker met een 5 ohm outputimpedantie, en vervolgens met een extra 70 Ohm weerstand toegevoegd om een totale outputimpedantie van 75 Ohm te creëren.
Het effect dat een hoge uitgangsimpedantie zal hebben, varieert met de impedantie van de aangesloten hoofdtelefoon, en vooral met de verandering in de impedantie van de hoofdtelefoon op verschillende frequenties. Hoofdtelefoons met grote impedantieschommelingen, zoals de meeste in-ear-modellen met gebalanceerde armatuuraandrijvingen, zullen meestal aanzienlijke veranderingen in frequentierespons vertonen wanneer u van een versterker met lage uitgangsimpedantie overschakelt naar een versterker met een hoge uitgangsimpedantie. Vaak heeft een koptelefoon met een natuurlijk klinkende toonbalans bij gebruik met een lage impedantiebron een basachtige, saai klinkende balans bij gebruik met een bron met hoge impedantie.
Gelukkig is een lage uitgangsimpedantie beschikbaar in veel high-end hoofdtelefoonversterkers (vooral solid-state modellen), en zelfs enkele van de kleine hoofdtelefoonversterkerchips die zijn ingebouwd in apparaten zoals iPhones. Er is meestal geen manier om zeker te weten of een hoofdtelefoon wordt uitgesproken voor gebruik met hoge of lage uitgangsimpedanties, maar ik houd het liever met een lage uitgangsimpedantie om de redenen die eerder in dit artikel zijn genoemd.
ik zou gebruik liever geen hoofdtelefoon met enorme impedantie-schommelingen die wijzigingen in de frequentierespons zouden veroorzaken bij gebruik met koptelefoonversterkers met een hoge uitgangsimpedantie (zoals die op de laptop waarop ik dit typ). Helaas geef ik in het algemeen de voorkeur aan het geluid van een goed gebalanceerde armatuur in-ear hoofdtelefoon voor een hoofdtelefoon die dynamische stuurprogramma's gebruikt, dus als ik deze hoofdtelefoon gebruik met mijn laptop, sluit ik meestal een externe versterker of USB-hoofdtelefoonversterker / DAC aan.
Ik weet dat dit een langdradige verklaring is geweest, maar uitgangsimpedantie is een ingewikkeld onderwerp. Bedankt voor het geduld en als je vragen hebt of iets hebt weggelaten, stuur me dan een e-mail en laat het me weten.
