Umgang mit einem der verwirrendsten Themen in der Audioelektronik
Als ich die Grundlagen des Audios lernte, war eines der Konzepte, die für mich am schwersten zu verstehen waren, die Ausgangsimpedanz. Eingangsimpedanz habe ich instinktiv am Beispiel eines Sprechers verstanden. Immerhin enthält ein Lautsprechertreiber eine Drahtspule, und ich wusste, dass eine Drahtspule dem elektrischen Fluss widersteht. Aber Ausgabe Impedanz? Warum sollte ein Verstärker oder Vorverstärker an seinem Ausgang eine Impedanz haben, fragte ich mich. Würde es nicht jeden möglichen Volt und jeden möglichen Amp an alles liefern, was er fährt?
In meinen Chats mit Lesern und Enthusiasten im Laufe der Jahre wurde mir klar, dass ich nicht der einzige war, der nicht die gesamte Idee der Ausgangsimpedanz hatte. Also dachte ich, es wäre schön, eine Einführung in das Thema zu machen. In diesem Artikel gehe ich auf drei allgemeine und sehr unterschiedliche Situationen ein: Vorverstärker, Verstärker und Kopfhörerverstärker.
Lassen Sie uns zunächst kurz das Konzept der Impedanz zusammenfassen. Widerstand ist der Grad, in dem etwas den Strom von Gleichstrom einschränkt. Impedanz ist im Grunde dasselbe, aber mit Wechselstrom anstelle von Gleichstrom. Typischerweise ändert sich die Impedanz einer Komponente, wenn sich die Frequenz des elektrischen Signals ändert. Beispielsweise hat eine kleine Drahtspule bei 1 Hz eine Impedanz von nahezu Null, aber bei 100 kHz eine hohe Impedanz. Ein Kondensator kann bei 1 Hz eine nahezu unendliche Impedanz haben, bei 100 kHz jedoch fast keine Impedanz.
Die Ausgangsimpedanz ist die Impedanz zwischen den Ausgangsgeräten eines Vorverstärkers oder Verstärkers (normalerweise Transistoren, möglicherweise aber eines Transformators oder einer Röhre) und den tatsächlichen Ausgangsanschlüssen der Komponente. Dies beinhaltet die interne Impedanz des Geräts selbst.
Warum benötigen Sie eine Ausgangsimpedanz?
Warum sollte eine Komponente eine Ausgangsimpedanz haben? In den meisten Fällen ist es zum Schutz vor Schäden durch Kurzschlüsse
Jedes Ausgabegerät ist in seiner elektrischen Stromstärke begrenzt. Wenn der Ausgang des Geräts kurzgeschlossen ist, wird er aufgefordert, eine große Menge Strom zu liefern. Beispielsweise erzeugt ein 2,83-Volt-Ausgangssignal einen Strom von 0,35 Ampere und 1 Watt Leistung in einen typischen 8-Ohm-Lautsprecher. Kein Problem da. Wenn jedoch ein Kabel mit 0,01 Ohm Impedanz an die Ausgangsklemmen eines Verstärkers angeschlossen wird, erzeugt das gleiche 2,83-Volt-Ausgangssignal einen Strom von 282,7 Ampere und eine Leistung von 800 Watt. Das ist weit mehr, als die meisten Ausgabegeräte liefern können. Wenn der Verstärker nicht über eine Art Schutzschaltung oder -gerät verfügt, wird das Ausgabegerät überhitzt und erleidet wahrscheinlich dauerhaften Schaden. Und ja, es könnte sogar Feuer fangen.
Mit einer gewissen Impedanz im Ausgang ist die Komponente offensichtlich gegen Kurzschlüsse geschützt, da sich die Ausgangsimpedanz immer in der Schaltung befindet. Angenommen, Sie haben einen Kopfhörerverstärker mit einer Ausgangsimpedanz von 30 Ohm, der einen 32-Ohm-Kopfhörer antreibt, und Sie kürzen das Kopfhörerkabel, indem Sie es versehentlich mit einer Schere abschneiden. Sie gehen von einer Gesamtimpedanz des Systems von 62 Ohm auf eine Gesamtimpedanz von vielleicht 30,01 Ohm, was keine große Sache ist. Sicherlich viel weniger extrem als von 8 Ohm auf 0,01 Ohm.
Wie niedrig sollte die Ausgangsimpedanz sein?
Eine sehr allgemeine Faustregel für Audio ist, dass die Ausgangsimpedanz mindestens zehnmal niedriger sein soll als die erwartete Eingangsimpedanz, die sie einspeisen soll. Auf diese Weise hat die Ausgangsimpedanz keinen wesentlichen Einfluss auf die Leistung des Systems. Wenn die Ausgangsimpedanz viel mehr als das Zehnfache der Eingangsimpedanz ist, die sie einspeisen kann, können verschiedene Probleme auftreten.
Bei jeder Audioelektronik kann eine zu hohe Ausgangsimpedanz Filtereffekte erzeugen, die seltsame Frequenzanomalien verursachen und auch zu einer verringerten Ausgangsleistung führen. Weitere Informationen zu diesen Phänomenen finden Sie in meinem ersten und zweiten Artikel, wie Lautsprecherkabel die Klangqualität beeinflussen können.
Bei Verstärkern gibt es ein zusätzliches Problem. Wenn der Verstärker den Lautsprecherkegel vorwärts oder rückwärts bewegt, springt die Aufhängung des Lautsprechers in die Mittelstellung zurück. Diese Aktion erzeugt eine Spannung, die dann am Verstärker zurückgeworfen wird. (Dieses Phänomen ist als "Gegen-EMF" oder umgekehrte elektromotorische Kraft bekannt.) Wenn die Ausgangsimpedanz des Verstärkers niedrig genug ist, wird dieser EMF effektiv kurzgeschlossen und als Bremse des Kegels wirksam, wenn er zurückspringt. Wenn die Ausgangsimpedanz des Verstärkers zu hoch ist, kann der Konus nicht angehalten werden, und der Konus springt so lange vor und zurück, bis die Reibung aufhört. Dadurch wird ein Klingeleffekt erzeugt und die Notizen bleiben länger stehen, nachdem sie aufhören sollten.
Sie können dies an den Dämpfungsfaktoren der Verstärker erkennen. Der Dämpfungsfaktor ist die erwartete durchschnittliche Eingangsimpedanz (8 Ohm) geteilt durch die Ausgangsimpedanz des Verstärkers. Je höher die Zahl, desto besser ist der Dämpfungsfaktor.
Verstärker-Ausgangsimpedanz
Da es sich um Verstärker handelt, beginnen wir mit diesem Beispiel, das in der obigen Zeichnung dargestellt ist. Die Lautsprecherimpedanzen sind normalerweise mit 6 bis 10 Ohm bewertet, aber bei Lautsprechern sinkt die Impedanz bei bestimmten Frequenzen normalerweise auf 3 Ohm und in einigen extremen Fällen sogar auf 2 Ohm. Wenn Sie zwei Lautsprecher parallel betreiben, wie dies bei benutzerdefinierten Installationsprogrammen häufig der Fall ist, wenn Multiroom-Audiosysteme erstellt werden, bedeutet dies, dass sich die Impedanz um die Hälfte verringert. Dies bedeutet, dass ein Lautsprecher, der beispielsweise bei 100 Hz auf 2 Ohm abfällt, bei dieser Frequenz auf 1 Ohm abfällt mit einem anderen Lautsprecher desselben Typs gekoppelt.Das ist natürlich ein extremer Fall, aber die Entwickler von Verstärkern müssen solche extremen Fälle berücksichtigen, oder sie stehen vor einem großen Haufen von Verstärkern, die zur Reparatur kommen.
Wenn wir eine minimale Lautsprecherimpedanz von 1 Ohm berechnen, sollte der Verstärker eine Ausgangsimpedanz von nicht mehr als 0,1 Ohm haben. Offensichtlich gibt es keinen Raum, um dem Ausgang dieses Verstärkers genügend Widerstand zu bieten, um den Ausgabegeräten wirklichen Schutz zu bieten.
Daher muss der Verstärker eine Art Schutzschaltung verwenden. Dies könnte etwas sein, das den aktuellen Ausgang des Verstärkers verfolgt und den Ausgang abschaltet, wenn der Stromverbrauch zu hoch ist. Oder es kann so einfach wie eine Sicherung oder ein Schutzschalter an der ankommenden Wechselstromleitung oder den Schienen der Stromversorgung sein. Diese trennen die Stromversorgung, wenn der Stromverbrauch größer ist, als der Verstärker verarbeiten kann.
Übrigens verwenden fast alle Röhrenleistungsverstärker Ausgangstransformatoren, und da Ausgangstransformatoren nur Drahtwicklungen sind, die um einen Metallrahmen gewickelt sind, haben sie eine beträchtliche eigene Impedanz, manchmal sogar 0,5 Ohm oder sogar mehr. Um den Klang eines Röhrenverstärkers in seinen Sunfire-Halbleitervorrichtungen (Transistor) zu simulieren, fügte der berühmte Designer Bob Carver einen "Current Mode" -Schalter hinzu, der einen 1-Ohm-Widerstand in Reihe mit den Ausgangsgeräten anbrachte. Natürlich verstieß dies gegen das Mindestverhältnis von 1: 10 zwischen Ausgangsimpedanz und erwarteter Eingangsimpedanz, das wir oben besprochen haben, und hatte daher einen erheblichen Einfluss auf den Frequenzgang des angeschlossenen Lautsprechers. Dies ist jedoch bei vielen Röhrenverstärkern der Fall Es ist genau das, was Carver simulieren wollte.
02 von 03Ausgangsverstärker für Vorverstärker / Quellgerät
Bei einem Vorverstärker oder Quellgerät (CD-Player, Kabelbox usw.), wie in der Zeichnung oben gezeigt, ist dies eine andere Situation. In diesem Fall interessieren Sie sich nicht für Strom oder Strom. Alles, was Sie zur Übertragung des Audiosignals benötigen, ist die Spannung. Somit kann das nachgeschaltete Gerät - ein Leistungsverstärker im Falle eines Vorverstärkers oder ein Vorverstärker - im Fall eines Quellengeräts - eine hohe Eingangsimpedanz haben. Jeder Strom, der durch die Leitung kommt, wird durch diese hohe Eingangsimpedanz fast vollständig blockiert, aber die Spannung kommt gut durch.
Für die meisten Endstufen und Vorverstärker ist eine Eingangsimpedanz von 10 bis 100 Kiloohm üblich. Ingenieure können höher steigen, aber auf diese Weise erhalten sie möglicherweise mehr Lärm. Gitarrenverstärker haben übrigens typischerweise Eingangsimpedanzen von 250 Kiloohm bis 1 Megaohm, da E-Gitarren-Pickups normalerweise Ausgangsimpedanzen im Bereich von 3 bis 10 Kiloohm haben.
Kurzschlüsse können bei Leitungskreisläufen üblich sein, da es so einfach ist, die beiden offenen Leiter eines Cinch-Steckers aus Versehen gegen ein Stück Metall zu reiben, das sie kurzschließt. Daher sind Ausgangsimpedanzen von 100 Ohm oder mehr in Vorverstärkern und Quellengeräten üblich. Ich habe ein paar exotische High-End-Komponenten mit Ausgangsimpedanzen von bis zu 2 Ohm auf Line-Pegel gesehen, die jedoch entweder über sehr robuste Ausgangstransistoren oder eine Schutzschaltung verfügen, um Schäden durch Kurzschlüsse zu vermeiden. In einigen Fällen haben sie möglicherweise einen Koppelkondensator am Ausgang, um die Gleichspannung zu blockieren und ein Durchbrennen der Ausgangsgeräte zu verhindern.
Phono-Vorverstärker sind ein völlig anderes Thema. Sie haben zwar normalerweise Ausgangsimpedanzen, die denen eines CD-Players ähneln, ihre Eingangsimpedanzen unterscheiden sich jedoch stark von denen eines Line-Preamp. Das ist hier zu viel. Vielleicht werde ich in einem anderen Artikel auf dieses Thema eingehen.
03 von 03Kopfhörer Amp Ausgangsimpedanz
Die zunehmende Beliebtheit von Kopfhörern hat die recht seltsame, nicht standardisierte Systemimpedanzanordnung typischer Kopfhörerverstärker in den Fokus gerückt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verstärkern weisen Kopfhörerverstärker eine Vielzahl von Ausgangsimpedanzen auf. Wirklich billige Kopfhörerverstärker wie die meisten Laptop-Computer können eine Ausgangsimpedanz von 75 oder sogar 100 Ohm aufweisen, obwohl die Kopfhörerimpedanz typischerweise zwischen etwa 16 und 70 Ohm liegt.
In seltenen Fällen kann ein Verbraucher die Lautsprecher trennen und wieder anschließen, wenn ein Verstärker läuft, und auch selten, dass die Lautsprecherkabel beschädigt werden, wenn ein Verstärker läuft. Bei Kopfhörern passieren diese Dinge jedoch ständig. Leute schließen oder trennen regelmäßig Kopfhörer, wenn ein Kopfhörerverstärker läuft. Kopfhörerkabel sind oft beschädigt, was manchmal zu einem Kurzschluss führt, während sie verwendet werden. Natürlich sind die meisten Kopfhörerverstärker billige Geräte, die das Anlegen einer anständigen Schutzschaltung zu einem unerschwinglichen Preis machen können. Daher nehmen die meisten Hersteller den einfacheren Weg: Sie erhöhen die Ausgangsimpedanz des Verstärkers, indem sie einen Widerstand (oder gelegentlich einen Kondensator) hinzufügen.
Wie Sie in meinen Kopfhörermessungen sehen können (zur zweiten Grafik gehen), kann eine hohe Ausgangsimpedanz einen großen Einfluss auf den Frequenzgang eines Kopfhörers haben. Ich messe den Frequenzgang eines Kopfhörers zuerst mit einem Musical Fidelity-Kopfhörerverstärker, der eine Ausgangsimpedanz von 5 Ohm hat, dann wieder mit einem zusätzlichen Widerstand von 70 Ohm, um eine Gesamtimpedanz von 75 Ohm zu erzeugen.
Die Auswirkung einer hohen Ausgangsimpedanz variiert mit der Impedanz des angeschlossenen Kopfhörers und insbesondere mit der Änderung der Impedanz des Kopfhörers bei verschiedenen Frequenzen. Kopfhörer mit starken Impedanzschwankungen - wie die meisten In-Ear-Modelle mit symmetrischen Armatur-Treibern - zeigen normalerweise erhebliche Änderungen im Frequenzgang, wenn Sie von einem Verstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz zu einem Verstärker mit hoher Ausgangsimpedanz wechseln. Häufig hat ein Kopfhörer, der bei Verwendung einer Quelle mit niedriger Impedanz eine natürlich klingende Tonbalance aufweist, bei Verwendung einer Quelle mit hoher Impedanz eine tiefe, dumpfe Balance der Bässe.
Glücklicherweise ist eine niedrige Ausgangsimpedanz in vielen High-End-Kopfhörerverstärkern (insbesondere bei Halbleitermodellen) und sogar in einigen der kleinen Kopfhörerverstärker-Chips verfügbar, die in Geräten wie iPhones eingebaut sind. Es gibt normalerweise keine Möglichkeit, sicher zu entscheiden, ob ein Kopfhörer für die Verwendung mit hohen oder niedrigen Ausgangsimpedanzen verwendet wird. Ich ziehe es jedoch aus den oben in diesem Artikel genannten Gründen vor, mit niedriger Ausgangsimpedanz zu arbeiten.
ich würde Verwenden Sie keine Kopfhörer mit großen Impedanzschwankungen, die bei Verwendung von Kopfhörerverstärkern mit hoher Ausgangsimpedanz zu Frequenzänderungen führen würden (wie derjenige in dem Laptop, in den Sie dies eingeben). Leider ziehe ich im Allgemeinen den Klang eines guten In-Ear-Kopfhörers mit ausgeglichener Armatur einem Kopfhörer mit dynamischen Treibern vor. Wenn ich diesen Kopfhörer mit meinem Laptop benutze, schließe ich normalerweise einen externen Verstärker oder einen USB-Kopfhörerverstärker / DAC an.
Ich weiß, dass dies eine langwierige Erklärung war, aber die Ausgangsimpedanz ist ein kompliziertes Thema. Vielen Dank, dass Sie sich mit mir befasst haben, und wenn Sie Fragen haben oder wenn ich etwas ausgelassen habe, senden Sie mir eine E-Mail und lassen Sie es mich wissen.
