Affrontare uno degli argomenti più confusi in Elettronica Audio
Quando stavo imparando le basi dell'audio, uno dei concetti che per me era più difficile da capire era l'impedenza di uscita. Impedenza d'ingresso che ho capito istintivamente, dall'esempio di un altoparlante. Dopo tutto, un driver dell'altoparlante contiene una bobina di filo, e sapevo che una bobina di filo resisteva al flusso elettrico. Ma produzione impedenza? Perché un amplificatore o preamplificatore ha impedenza alla sua uscita, mi chiedevo? Non vorrebbe consegnare tutti i volt e gli amplificatori possibili a qualunque cosa stia guidando?
Nelle mie chiacchierate con i lettori e gli appassionati nel corso degli anni, ho capito che non ero l'unico a non avere l'idea dell'impedenza di uscita. Quindi ho pensato che sarebbe stato bello fare un primer sull'argomento. In questo articolo, mi occuperò di tre situazioni comuni e molto diverse: preamplificatori, amplificatori e amplificatori per cuffie.
Innanzitutto, riassumiamo brevemente il concetto di impedenza. La resistenza è il grado in cui qualcosa limita il flusso di elettricità DC. L'impedenza è fondamentalmente la stessa cosa, ma con AC al posto di DC. Tipicamente, l'impedenza di un componente cambierà al variare della frequenza del segnale elettrico. Ad esempio, una piccola bobina di filo avrà un'impedenza quasi nulla a 1 Hz ma un'impedenza elevata a 100 kHz. Un condensatore può avere un'impedenza quasi infinita a 1 Hz ma quasi nessuna impedenza a 100 kHz.
L'impedenza di uscita è la quantità di impedenza tra un preamplificatore o dispositivi di uscita dell'amplificatore (solitamente transistor, ma probabilmente un trasformatore o un tubo) e i terminali di uscita effettivi del componente. Ciò include l'impedenza interna del dispositivo stesso.
Perché hai bisogno di impedenza di uscita?
Quindi, perché un componente ha un'impedenza di uscita? Per la maggior parte, è per proteggerlo contro i danni da corto circuito.
Qualsiasi dispositivo di uscita è limitato dalla quantità di corrente elettrica che può gestire. Se l'uscita del dispositivo è in cortocircuito, viene chiesto di fornire una quantità enorme di corrente. Ad esempio, un segnale di uscita di 2,83 volt produrrà una corrente di 0,35 amp e 1 watt di potenza in un tipico altoparlante da 8 ohm. Nessun problema lì. Ma se un filo con impedenza di 0,01 ohm fosse collegato attraverso i terminali di uscita di un amplificatore, quello stesso segnale di uscita a 2,83 volt produrrà una corrente di 282,7 A e 800 watt di potenza. Questo è molto, molto più di quanto la maggior parte dei dispositivi di output possa fornire. A meno che l'amplificatore non abbia una sorta di circuito di protezione o dispositivo, il dispositivo di uscita si surriscalda e probabilmente subirà danni permanenti. E sì, potrebbe persino prendere fuoco.
Con una certa quantità di impedenza incorporata nell'uscita, il componente ha ovviamente una maggiore protezione contro i cortocircuiti, perché l'impedenza di uscita è sempre nel circuito. Supponiamo che tu abbia un amplificatore per cuffie con un'impedenza di uscita di 30 ohm, che guidi un paio di cuffie da 32-ohm, e che tu corto il cavo delle cuffie accidentalmente tagliandolo con un paio di forbici. Si passa da un'impedenza totale di sistema di 62 ohm fino a un'impedenza totale di circa 30,01 ohm, il che non è un grosso problema. Certamente molto meno estremo di andare da 8 ohm fino a 0,01 ohm.
Quanto dovrebbe essere bassa l'impedenza di uscita?
Una regola empirica molto generale nell'audio è che si desidera che l'impedenza di uscita sia almeno 10 volte inferiore all'impedenza di ingresso prevista che alimenterà. In questo modo, l'impedenza di uscita non ha un effetto significativo sulle prestazioni del sistema. Se l'impedenza di uscita è molto più di 10 volte l'impedenza di ingresso che alimenterà, è possibile ottenere alcuni problemi diversi.
Con qualsiasi elettronica audio, un'impedenza di uscita troppo elevata può creare effetti di filtraggio che causano strane anomalie di risposta in frequenza e anche una riduzione della potenza. Per ulteriori informazioni su questi fenomeni, consulta il mio primo e il secondo articolo su come i cavi dei diffusori possono influire sulla qualità del suono.
Con gli amplificatori, c'è un ulteriore problema. Quando l'amplificatore muove il cono dell'altoparlante in avanti o indietro, la sospensione dell'altoparlante riporta il cono in posizione centrale. Questa azione genera tensione che viene poi rigettata all'amplificatore. (Questo fenomeno è noto come "back EMF" o forza elettromotrice inversa.) Se l'impedenza di uscita dell'amplificatore è sufficientemente bassa, sarà effettivamente a corto di quella posteriore EMF e agirà da freno sul cono che si solleva indietro. Se l'impedenza di uscita dell'amplificatore è troppo alta, non sarà in grado di arrestare il cono e il cono continuerà a saltare avanti e indietro finché non si arresta l'attrito. Questo crea un effetto di squillo e fa indugiare le note dopo che avrebbero dovuto fermarsi.
Potete vedere questo nei rating dei fattori di smorzamento degli amplificatori. Il fattore di smorzamento è l'impedenza di ingresso media prevista (8 ohm) divisa per l'impedenza di uscita dell'amplificatore. Più alto è il numero, migliore è il fattore di smorzamento.
Impedenza di uscita dell'amplificatore
Dato che stiamo parlando di amplificatori, iniziamo con quell'esempio, che è mostrato nel disegno sopra. Le impedenze degli altoparlanti sono generalmente classificate tra 6 e 10 ohm, ma è normale che gli altoparlanti passino a 3 ohm di impedenza a determinate frequenze e persino a 2 ohm in alcuni casi estremi. Se si eseguono due altoparlanti in parallelo, come spesso fanno gli installatori personalizzati durante la creazione di sistemi audio multiroom, questo riduce l'impedenza a metà, cioè un diffusore che scende a 2 ohm a, ad esempio, 100 Hz ora scende a 1 ohm a quella frequenza quando è abbinato a un altro altoparlante dello stesso tipo.Questo è un caso estremo, ovviamente, ma i progettisti di amplificatori devono rendere conto di questi casi estremi o potrebbero trovarsi di fronte a una grande pila di amplificatori in arrivo per riparazioni.
Se calcoliamo un'impedenza minima degli altoparlanti di 1 ohm, ciò significa che l'amplificatore dovrebbe avere un'impedenza di uscita non superiore a 0,1 ohm. Ovviamente, non c'è spazio per aggiungere resistenza sufficiente all'output di questo amplificatore per fornire ai dispositivi di output una protezione reale.
Pertanto, l'amplificatore dovrà impiegare una sorta di circuito di protezione. Potrebbe essere qualcosa che tiene traccia dell'uscita corrente dell'amplificatore e disconnette l'uscita se l'assorbimento di corrente è troppo alto. Oppure potrebbe essere semplice come un fusibile o un interruttore automatico sulla linea di alimentazione CA in ingresso o sui binari dell'alimentatore. Questi disconnettono l'alimentazione quando l'assorbimento di corrente è maggiore di quello che l'amplificatore può gestire.
Incidentalmente, quasi tutti gli amplificatori a valvole utilizzano trasformatori di uscita, e poiché i trasformatori di uscita sono solo bobine avvolte attorno a un telaio metallico, hanno un'impedenza sostanziale, a volte persino di 0,5 ohm o anche più. Infatti, per simulare il suono di un amplificatore a valvole nei suoi amplificatori a stato solido (transistor) Sunfire, il famoso designer Bob Carver ha aggiunto un interruttore "current mode" che colloca una resistenza da 1 ohm in serie con i dispositivi di uscita. Ovviamente, questo ha violato il rapporto minimo da 1 a 10 dell'impedenza di uscita rispetto all'impedenza di ingresso prevista di cui abbiamo discusso sopra, e quindi ha avuto un effetto sostanziale sulla risposta in frequenza dell'altoparlante collegato, ma questo è quello che si ottiene con molti amplificatori valvolari e è esattamente ciò che Carver voleva simulare.
02 del 03Impedenza di uscita del preamplificatore / dispositivo sorgente
Con un preamplificatore o dispositivo sorgente (lettore CD, decoder via cavo ecc.), Come mostrato nel disegno sopra, è una situazione diversa. In questo caso, non ti interessa potere o corrente. Tutto ciò che serve per trasmettere il segnale audio è la tensione. Pertanto, il dispositivo a valle - un amplificatore di potenza, nel caso di un preamplificatore, o un preamplificatore, nel caso di un dispositivo sorgente - può avere un'impedenza di ingresso elevata. Qualsiasi corrente che arriva attraverso la linea è quasi completamente bloccata da quell'alta impedenza di ingresso, ma la tensione passa attraverso la giusta.
Per la maggior parte degli amplificatori di potenza e dei preamplificatori, è comune un'impedenza di ingresso compresa tra 10 e 100 kilohms. Gli ingegneri possono andare più in alto, ma possono ottenere più rumore in questo modo. Per inciso, gli amplificatori per chitarra hanno in genere impedenze di ingresso di 250 kilohm a 1 megaohm, poiché i pickup per chitarra elettrica hanno solitamente impedenze di uscita che vanno da 3 a 10 kilohm.
I cortocircuiti possono essere comuni con i circuiti a livello di linea, perché è così facile sfregare accidentalmente i due conduttori nudi di una spina RCA contro un pezzo di metallo che li mette in corto. Pertanto, le impedenze di uscita di 100 ohm o più sono comuni nei preamplificatori e nei dispositivi sorgente. Ho visto alcuni componenti esotici di fascia alta con impedenze di uscita a livello di linea a partire da 2 ohm, ma questi avranno transistor di uscita molto gravosi o un circuito di protezione per evitare danni da cortocircuiti. In alcuni casi, potrebbero avere un condensatore di accoppiamento sull'uscita per bloccare la tensione CC e prevenire il burnout del dispositivo di uscita.
I preamplificatori Phono sono interamente diversi. Mentre hanno tipicamente impedenze di uscita simili a quelle di un lettore CD, le loro impedenze di ingresso sono molto diverse da quelle di un preamplificatore di linea. È troppo per entrare qui. Forse scaverò in quell'argomento in un altro articolo.
03 del 03Impedenza di uscita dell'amplificatore per cuffie
L'impennata della popolarità delle cuffie ha portato alla ribalta il piuttosto strano, non standard, sistema di impedenza del sistema tipico degli amplificatori per cuffie. A differenza degli amplificatori convenzionali, gli amplificatori per cuffie sono disponibili in un'ampia gamma di impedenze di uscita. Gli amplificatori per cuffie veramente economici, come quelli integrati nella maggior parte dei computer portatili, possono avere un'impedenza di uscita di 75 o anche di 100 ohm, anche se l'impedenza delle cuffie varia tipicamente da circa 16 a 70 ohm.
È raro che un utente scolleghi e riconnetti i diffusori quando un amplificatore è in funzione, e anche raro che i cavi dei diffusori vengano danneggiati quando un amplificatore è in funzione. Ma con le cuffie, queste cose accadono continuamente. Le persone collegano o scollegano regolarmente le cuffie quando è in funzione un amplificatore per cuffie. I cavi delle cuffie sono spesso danneggiati - a volte creando un cortocircuito - mentre sono in uso. Naturalmente, la maggior parte degli amplificatori per cuffie sono dispositivi economici, che possono rendere l'aggiunta di un circuito di protezione decente costo-proibitivo. Così la maggior parte dei produttori prende la via più semplice: aumentano l'impedenza di uscita dell'amplificatore aggiungendo un resistore (o occasionalmente un condensatore).
Come si può vedere nelle misurazioni della cuffia (scendere al secondo grafico), l'alta impedenza di uscita può avere un enorme effetto sulla risposta in frequenza di una cuffia. Misuro la risposta in frequenza di una cuffia prima con un amplificatore per cuffie Musical Fidelity con un'impedenza di uscita di 5 ohm, quindi di nuovo con una resistenza extra di 70 ohm aggiunta per creare un'impedenza di uscita totale di 75 ohm.
L'effetto che un'impedenza di uscita elevata avrà varia con l'impedenza della cuffia connessa, e specialmente con il cambiamento dell'impedenza della cuffia a frequenze diverse. Le cuffie con grandi oscillazioni di impedenza - come la maggior parte dei modelli in-ear con i driver con armatura bilanciata - di solito mostrano cambiamenti sostanziali nella risposta in frequenza quando si passa da un amplificatore con bassa impedenza di uscita a uno con un'impedenza di uscita elevata. Spesso, una cuffia che abbia un bilanciamento tonale dal suono naturale se usata con una sorgente a bassa impedenza avrà un bilanciamento basso e sordo quando usato con una sorgente ad alta impedenza.
Fortunatamente, l'impedenza di uscita bassa è disponibile in molti amplificatori per cuffie high-end (specialmente nei modelli a stato solido) e persino in alcuni dei piccoli chip di amplificazione per cuffie incorporati in dispositivi come gli iPhone. Di solito non c'è modo di sapere con certezza se una cuffia è doppiato per l'uso con impedenze di uscita alte o basse, ma preferisco attenermi a un'impedenza di uscita bassa per i motivi citati in precedenza in questo articolo.
io voluto preferisco non usare le cuffie con enormi oscillazioni di impedenza che causerebbero cambiamenti di risposta in frequenza se usate con amplificatori per cuffie che hanno un'impedenza di uscita elevata (come quella del portatile su cui sto digitando). Sfortunatamente, in genere preferisco il suono di una buona cuffia in-ear con armatura bilanciata a quella che utilizza driver dinamici, quindi quando uso queste cuffie con il mio portatile, di solito collego un amplificatore esterno o un amplificatore per cuffie USB / DAC.
So che questa è stata una spiegazione prolissa, ma l'impedenza di uscita è un argomento complicato. Grazie per aver portato con me, e se hai qualche domanda o se ho lasciato qualcosa, mandami una e-mail e fammi sapere.
