Czym jest impedancja?
Impedancja to termin określający opór stawiany przez komponenty obwodu elektronicznego przeciwko przepływowi prądu przemiennego (AC).
Impedancja jest powiązana z rezystancją dla prądu stałego (DC) w większości komponentów obwodu, ale obejmuje "dodatkową rezystancję" z pojemnościowych i indukcyjnych elementów obwodu, które zmieniają się wraz z częstotliwością.
W przypadku obwodów prądu stałego zależność między napięciem (U - woltami [V]), natężeniem prądu (I - amperami, [A]) i rezystancją, zwaną zamiennie oporem elektrycznym (R - omami, [Ω]) jest opisana przez prawo Ohma:
$$U = I \cdot R$$
Jest to podstawa podstaw, trzon elektrotechniki. Bez przyswojenia sobie tego prawa dalsza lektura tego wpisu jest bezcelowa.
Tu mała dygresja, o ile prawo jest nazywane od nazwiska Georga Ohma, należy pamiętać że zgodnie z układem SI jednostka oporu została spolszczona i nazywamy ją omem. https://pl.wikipedia.org/wiki/Jednostka_pochodna_uk%C5%82adu_SI
W przypadku zastosowania do obwodów prądu przemiennego, prawo Ohma jest modyfikowane w celu uwzględnienia impedancji w następujący sposób:
$$U = I \cdot Z$$
Tutaj impedancja jest również mierzona w omach ale używa symbolu Z.
Typowy układ wejścia – wyjścia będzie miał następujący schemat:
A w nim będą występowała następująca zależność napięcia na wejściu:
$$U_i=U_o \frac{Z_i}{Z_i+Z_o}$$
Natomiast moc wyjściowa, i jest to moc strat wytracana w postaci ciepła w źródle dźwięku.
$$P=\left(\frac{U_i}{Z_i}\right)^{2}\cdot Z_o$$
Teraz dla zobrazowania zależności załóżmy że impedancja źródła dźwięku, czyli np. Wzmacniacza wynosi Zo=10Ω a napięcie maksymalne będzie wynosić 10V. Dla takich parametrów wykres zależności wygląda następująco:
Na powyższym wykresie można zauważyć, że moc przekazywana do urządzenia jest maksymalna, gdy impedancja wejściowa jest równa impedancji źródła (10 Ω) - jest to powód, dla którego dopasowanie impedancji jest ważne, ponieważ pozwala na maksymalny transfer mocy.
Rozwój nowoczesnych wzmacniaczy z układami scalonymi znacznie zmniejszył jednak potrzebę optymalizacji transferu mocy w systemach audio i już nie jest priorytetem. Priorytetem jest raczej maksymalny transfer sygnału, tj. maksymalny transfer napięcia źródłowego.
Na powyższym wykresie widzimy, że transfer mocy jest maksymalny, gdy impedancje są dopasowane (równe) między źródłem a urządzeniami wejściowymi. Można również zauważyć, że napięcie wejściowe wzrasta wraz ze wzrostem impedancji wejściowej w stosunku do impedancji źródła - jest to powód, dla którego często można znaleźć wysokie impedancje wejściowe w sprzęcie audio, aby umożliwić wysoki stopień transferu napięcia (sygnału) z urządzeń źródłowych.
Takie podejście polegające na stosowaniu wysokiej impedancji wejściowej w stosunku do impedancji źródła jest czasami nazywane mostkowaniem impedancji.
Technologia i zastosowania nowoczesnego sprzętu audio bardzo różnią się od początków branży telefonicznej. Na przykład technologia cyfrowa jest szeroko stosowana, a kwestie transferu energii nie pojawiają się w nowoczesnych środowiskach produkcji (lub odsłuchu) audio.
Istnieją jednak przypadki, w których dopasowanie impedancji nadal odgrywa rolę w aplikacjach audio, ponieważ oprócz samego transferu energii występują inne zjawiska mogące spowodować degradację dźwięku.
Dla wygody, w dalszej części tekstu będę używał symbolu R zamiast Z, jest to też powszechny zabieg.
Dopasowanie impedancji wzmacniacza i głośników
Jak wspomniałem, dopasowanie impedancji jest mniej ważne w przypadku korzystania z nowoczesnych wzmacniaczy z układami scalonymi. Wzmacniacze te wykorzystują tranzystory, które wykorzystują maksymalny transfer napięcia bardziej efektywnie niż maksymalny transfer mocy.
Patrząc na współczesne wzmacniacze mocy mają one bardzo niską impedancję wewnętrzną, i producenci często już nie podają tego parametru, jako parametr pomijalny. Przykładowo wzmacniacze Powersoft serii T posiadają impedancję wyjścia rzędu 26mΩ. Należy pamiętać o zależności którą wykazałem we wzorach wyżej, że czym niższa impedancja wyjścia, tym niższe straty, i jest to jeden z parametrów mówiących o sprawności wzmacniacza.
Przy podłączaniu głośnika do wzmacniacza dobór jego impedancji wskazuje jaką moc możemy z wzmacniacza odebrać. Dla uproszczenia możemy założyć że maksymalne napięcie jakie może wygenerować wzmacniacz jest stałe i jest zależne bezpośrednio od napięcia zasilania. Dla tego ilość mocy jaką możemy odebrać z wzmacniacza zależy zgodnie ze wzorem
$$P=\frac{U^2}{R}$$
proporcjonalnie od tego napięcia i odwrotnie proporcjonalnie do rezystancji podłączonego głośnika.
O ile w wzmacniaczach tranzystorowych zwiększenie rezystancji głośnika powoduje zmniejszenie oddawanej na nim mocy, i nie niesie za sobą zagrożeń, to podłączenie głośnika o zbyt niskiej impedancji zgodnie z prawem Ohma spowoduje wzrost przepływającego prądu który może być destrukcyjny dla wzmacniacza i głośnika.
Starsze wzmacniacze, tj. wzmacniacze lampowe, nadal polegają na dopasowaniu impedancji w celu optymalizacji transferu mocy do systemów głośnikowych. Ze względu na swój charakter brzmieniowy są nadal chętnie stosowane na scenie wśród gitarzystów, oraz w zaciszach domowych systemów Hi-Fi.
W głośnikowych wzmacniaczach lampowych praktycznie zawsze stosuje się transformatory wyjściowe, które dopasowują impedancję wzmacniacza do impedancji kolumn. Te impedancje są dużo wyższe, rzędu kilku omów, i tutaj dopasowanie impedancji jest kluczowe.
Załóżmy że mamy wzmacniacz lampowy o mocy 25W przy obciążeniu 4Ω i impedancji wyjścia również 4Ω.
Możemy obliczyć że napięcie na głośniku wynosi
$$U=\sqrt{P\cdot R}=10 \text{V}$$
Ale napięcie wzmacniacza do wygenerowania tej energii jest wyższe i wynosi zgodnie ze wzorem
$$U_o=\frac{U_i}{\frac{R_i}{R_i+R_o}}=20 \text{V}$$
Teraz, jeżeli podepniemy niedopasowany głośnik o impedancji 16Ω, to napięcie odłożone na głośniku wynosi Ui=4V, a moc to zaledwie 1W!
Fakt że wzmacniacze lampowe posiadają transformatory wyjściowe powoduje że nie mogą one pracować całkowicie bez obciążenia, czyli z impedancją dążącą do ∞ (a realnie mierzoną w MΩ). Namagnesowany przez uzwojenie pierwotne rdzeń transformatora będzie próbował ją oddać, co bez obciążenia spowoduje wygenerowanie transjentu o wysokim napięciu (nawet powyżej 3000V). Tak wysokie napięcie może spowodować wystąpienie łuku elektrycznego w transformatorze terminalach lamp lub okablowania, co spowoduje jego trwałe uszkodzenie.
Parowanie impedancji słuchawek z urządzeniami źródłowymi
Słuchawki mają bardzo różne poziomy impedancji, zazwyczaj od 8Ω do 600Ω.
Podczas korzystania ze słuchawek z podłączonymi urządzeniami źródłowymi, np. laptopami, smartfonami, wzmacniaczami lub interfejsami audio, lepiej jest dopasować - lub sparować - impedancję słuchawek z urządzeniem źródłowym w jak największym stopniu.
Wynika to z wpływu impedancji na jakość dźwięku w słuchawkach. Po sparowaniu słuchawek z urządzeniem źródłowym uzyskasz lepszy dźwięk - dobrą głośność, solidne basy, lepszą przejrzystość i większą klarowność.
Słuchawki można sparować z urządzeniami źródłowymi poprzez:
- Używanie słuchawek o niższej impedancji z niskim napięciem i źródłami zasilania, takimi jak smartfony i laptopy
- Używanie słuchawek o wyższej impedancji ze źródłami o wysokim napięciu i mocy, takimi jak wzmacniacze i interfejsy audio zasilane z sieci.
Podczas korzystania ze słuchawek liczy się zarówno transfer sygnału, jak i mocy. Parowanie słuchawek i impedancji źródła zapewnia, że:
- Urządzenie źródłowe ma wystarczającą moc do napędzenia słuchawek - na przykład smartfon może po prostu nie mieć wystarczającej mocy do napędzenia słuchawek o wysokiej impedancji (tj. usłyszysz bardzo niską głośność i nieodpowiednią jakość dźwięku), a np. mikser może nie mieć wystarczająco mocy żeby wysterować słuchawki o niskiej impedancji, co będzie powodować zniekształcenia dźwięku i możliwość uszkodzenia wyjścia.
- Duża (lub maksymalna) część mocy jest przekazywana do słuchawek, aby zapewnić najlepszą jakość dźwięku.
Dopasowanie impedancji jest zatem istotne w przypadku parowania słuchawek z urządzeniami źródłowymi.
Dopasowanie mikrofonów do urządzeń wejściowych
Dopasowanie impedancji mikrofonów do urządzeń wejściowych (np. przedwzmacniaczy znajdujących się w interfejsach audio) nie jest już problemem w nowoczesnych systemach. Niemniej jednak nadal stosuje się "umiarkowany stopień" dopasowania impedancji.
Zgodnie z "praktyczną zasadą", impedancja wejściowa powinna być co najmniej dziesięciokrotnie większa od impedancji źródła. Pomaga to zmaksymalizować transfer napięcia.
Typowa impedancja mikrofonu (źródła) wynosi 150-600Ω, a typowa impedancja wejścia przedwzmacniacza mikrofonowego to 1,2-15kΩ.
Np Shure SM58 – 300Ω, Sencheisser E835 – 350Ω, AKG C1000 - 200Ω
Wejścia mikrofonowe są traktowane w ten sposób, aby zrównoważyć transfer napięcia (sygnału) z transferem mocy - oba są uważane za ważne w przypadku mikrofonów. Dlatego też pewien stopień dopasowania impedancji jest nadal priorytetem dla nowoczesnych połączeń mikrofonowych.
W bardziej rozbudowanych przedwzmacniaczach mikrofonowych stosuje się regulowaną impedancję wejściową, co umożliwia indywidualne dopasowanie, lub nawet celowe niedopasowanie jeżeli brzmienie będzie pasować do konceptu artystycznego.
Dopasowanie Gitar do urządzeń wejściowych
Impedancja wyjściowa typowego pasywnego przetwornika gitarowego jest średnia do wysokiej (tj. około 5kΩ - 20kΩ).
Chociaż przetworniki gitarowe mają stosunkowo wysoką impedancję (wyjściową), często łączą się z urządzeniami o bardzo wysokiej impedancji (wejściowej), takimi jak wzmacniacze lub wejścia hi-z na interfejsach audio - mają one impedancję około 1 MΩ (tj. 1000 kΩ) lub wyższą.
Przy wysokiej impedancji źródła dźwięku trzeba wziąć pod uwagę inne zjawiska wpływające na dźwięk. Jako kiedyś młody muzyk chciałem mieć swobodę poruszania się z gitarą po scenie, czyli trzeba było kupić długi kabel. Ale ma to ogromny wpływ na brzmienie gitary.
Trzeba pamiętać że kabel, no najlepiej dobrze ekranowany żeby nie było zakłóceń, ma swoją pojemność elektryczną. Zazwyczaj to 70pF/m, ale są producenci oferujący różne pojemności do kreowania brzmienia (np. Vandamme seria silver). Taki „kondensator” w postaci kabla w połączeniu z wysoką impedancją źródła dźwięku (rezystancją i impedancją cewki przetwornika) tworzy filtr górno zaporowy. Czym dłuższy kabel i większa impedancja gitary tym mniej wysokiego pasma w brzmieniu.
W gitarach aktywnych, mimo własnego zasilania baterią impedancję wyjścia zostawia się na wysokim poziomie w celu zachowania kompatybilności z powszechnymi urządzeniami i akcesoriami gitarowymi, ale eliminacja wpływu cewki przetwornika zmniejsza efekt oddziaływania kabla na brzmienie.
Dopasowanie urządzeń liniowych
We współczesnych systemach dźwiękowych przy przesyle sygnału liniowego nie jest priorytetem przesył mocy (czyli impedancja 1:1) a przesył napięcia, gdzie staramy się zachować proporcje wyjścia do wejścia 1:10.
Branża zwłaszcza pro audio na tyle się ustandaryzowała że praktycznie nie zawracamy uwagi na ten aspekt, i faktycznie przy podłączaniu pojedynczych urządzeń nie ma potrzeby zaglądania w specyfikacje.
Typowe impedancje wyjściowe urządzeń to zazwyczaj 120-150Ω, a impedancja wejść to 10kΩ, i proporcje te są zachowane.
Natomiast trzeba zwrócić uwagę na dopasowanie przy połączeniu wielu odbiorników do jednego źródła dźwięku. Takie pytanie kilka razy przewijało się przez forum elektrody: Ile wzmacniaczy mogę podłączyć do miksera?
Cóż pozostaje policzyć. Połączenie równoległe charakteryzuje się ze względu na odwrotności dość skomplikowanym wzorem, ale da się go łatwo policzyć na prostym kalkulatorze z pamięcią, a jak kalkulator ma funkcję 1/x to już bajka.
$$R=\frac{1}{\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}+\ldots+\frac{1}{R_n}}$$
Dla przykładu teraz łączymy trzy wzmacniacze o impedancji wejściowej 10kΩ do miksera o impedancji wyjściowej 150Ω.
$$R=\frac{1}{\frac{1}{10000}+\frac{1}{10000}+\frac{1}{10000}}=\frac{1}{\frac{3}{10000}}\approx 3333Ω$$
Czyli zależność 1:10 zostaje zachowana. Ale już widać że jeżeli dołożymy kolejne 3 wzmacniacze (czyli razem 6) to impedancja spadnie o połowę do ok 1,6kΩ, i można to uznać za graniczną liczbę możliwych do podłączenia wzmacniaczy.
Z tego też powodu kolumny które często łączy się równolegle, jak systemy Line Array posiadają zwiększoną impedancję wejścia, do okolic 100kΩ, co pozwala na swobodne połączenie kilkunastu-dziesięciu kolumn. 20 takich kolumn daje impedancję 4166Ω.
Należy pamiętać że impedancje w połączeniu z pojemnością kabla tworzą filtr górnozaporowy, które w niekorzystnych warunkach może zdegradować brzmienie góry pasma. Realną długość kabli XLR bez degradacji sygnału określa się na okolicę 120m (teoretyczną na 300m).
Taką ciekawostką branżową jest system przesyłania dźwięku promowany przez firmę KV2 Audio, gdzie urządzenia nadawcze posiadają impedancję wyjściową 50Ω zasilane wzmacniaczem mogącym oddać prąd 450mA, przy napięciu do 14V. Nazywają to Line Driver. Przykładowym urządzeniem jest LD4. Natomiast po stronie odbiornika (wzmacniacza) wejście również powinno mieć impedancję również 50Ω. Należy pamiętać że w takim wypadku po stronie wzmacniacza na wejściu niezbędny jest rezystor balastowy 50Ω/1W, w co producent wyposaża swoje produkty. W takim wypadku można prowadzić linie o długości do 500m bez zauważalnego spadku jakości.
Impedancja to termin określający opór stawiany przez komponenty obwodu elektronicznego przeciwko przepływowi prądu przemiennego (AC).
Impedancja jest powiązana z rezystancją dla prądu stałego (DC) w większości komponentów obwodu, ale obejmuje "dodatkową rezystancję" z pojemnościowych i indukcyjnych elementów obwodu, które zmieniają się wraz z częstotliwością.
W przypadku obwodów prądu stałego zależność między napięciem (U - woltami [V]), natężeniem prądu (I - amperami, [A]) i rezystancją, zwaną zamiennie oporem elektrycznym (R - omami, [Ω]) jest opisana przez prawo Ohma:
$$U = I \cdot R$$
Jest to podstawa podstaw, trzon elektrotechniki. Bez przyswojenia sobie tego prawa dalsza lektura tego wpisu jest bezcelowa.
Tu mała dygresja, o ile prawo jest nazywane od nazwiska Georga Ohma, należy pamiętać że zgodnie z układem SI jednostka oporu została spolszczona i nazywamy ją omem. https://pl.wikipedia.org/wiki/Jednostka_pochodna_uk%C5%82adu_SI
W przypadku zastosowania do obwodów prądu przemiennego, prawo Ohma jest modyfikowane w celu uwzględnienia impedancji w następujący sposób:
$$U = I \cdot Z$$
Tutaj impedancja jest również mierzona w omach ale używa symbolu Z.
Typowy układ wejścia – wyjścia będzie miał następujący schemat:
A w nim będą występowała następująca zależność napięcia na wejściu:
$$U_i=U_o \frac{Z_i}{Z_i+Z_o}$$
Natomiast moc wyjściowa, i jest to moc strat wytracana w postaci ciepła w źródle dźwięku.
$$P=\left(\frac{U_i}{Z_i}\right)^{2}\cdot Z_o$$
Teraz dla zobrazowania zależności załóżmy że impedancja źródła dźwięku, czyli np. Wzmacniacza wynosi Zo=10Ω a napięcie maksymalne będzie wynosić 10V. Dla takich parametrów wykres zależności wygląda następująco:
Na powyższym wykresie można zauważyć, że moc przekazywana do urządzenia jest maksymalna, gdy impedancja wejściowa jest równa impedancji źródła (10 Ω) - jest to powód, dla którego dopasowanie impedancji jest ważne, ponieważ pozwala na maksymalny transfer mocy.
Rozwój nowoczesnych wzmacniaczy z układami scalonymi znacznie zmniejszył jednak potrzebę optymalizacji transferu mocy w systemach audio i już nie jest priorytetem. Priorytetem jest raczej maksymalny transfer sygnału, tj. maksymalny transfer napięcia źródłowego.
Na powyższym wykresie widzimy, że transfer mocy jest maksymalny, gdy impedancje są dopasowane (równe) między źródłem a urządzeniami wejściowymi. Można również zauważyć, że napięcie wejściowe wzrasta wraz ze wzrostem impedancji wejściowej w stosunku do impedancji źródła - jest to powód, dla którego często można znaleźć wysokie impedancje wejściowe w sprzęcie audio, aby umożliwić wysoki stopień transferu napięcia (sygnału) z urządzeń źródłowych.
Takie podejście polegające na stosowaniu wysokiej impedancji wejściowej w stosunku do impedancji źródła jest czasami nazywane mostkowaniem impedancji.
Technologia i zastosowania nowoczesnego sprzętu audio bardzo różnią się od początków branży telefonicznej. Na przykład technologia cyfrowa jest szeroko stosowana, a kwestie transferu energii nie pojawiają się w nowoczesnych środowiskach produkcji (lub odsłuchu) audio.
Istnieją jednak przypadki, w których dopasowanie impedancji nadal odgrywa rolę w aplikacjach audio, ponieważ oprócz samego transferu energii występują inne zjawiska mogące spowodować degradację dźwięku.
Dla wygody, w dalszej części tekstu będę używał symbolu R zamiast Z, jest to też powszechny zabieg.
Dopasowanie impedancji wzmacniacza i głośników
Jak wspomniałem, dopasowanie impedancji jest mniej ważne w przypadku korzystania z nowoczesnych wzmacniaczy z układami scalonymi. Wzmacniacze te wykorzystują tranzystory, które wykorzystują maksymalny transfer napięcia bardziej efektywnie niż maksymalny transfer mocy.
Patrząc na współczesne wzmacniacze mocy mają one bardzo niską impedancję wewnętrzną, i producenci często już nie podają tego parametru, jako parametr pomijalny. Przykładowo wzmacniacze Powersoft serii T posiadają impedancję wyjścia rzędu 26mΩ. Należy pamiętać o zależności którą wykazałem we wzorach wyżej, że czym niższa impedancja wyjścia, tym niższe straty, i jest to jeden z parametrów mówiących o sprawności wzmacniacza.
Przy podłączaniu głośnika do wzmacniacza dobór jego impedancji wskazuje jaką moc możemy z wzmacniacza odebrać. Dla uproszczenia możemy założyć że maksymalne napięcie jakie może wygenerować wzmacniacz jest stałe i jest zależne bezpośrednio od napięcia zasilania. Dla tego ilość mocy jaką możemy odebrać z wzmacniacza zależy zgodnie ze wzorem
$$P=\frac{U^2}{R}$$
proporcjonalnie od tego napięcia i odwrotnie proporcjonalnie do rezystancji podłączonego głośnika.
O ile w wzmacniaczach tranzystorowych zwiększenie rezystancji głośnika powoduje zmniejszenie oddawanej na nim mocy, i nie niesie za sobą zagrożeń, to podłączenie głośnika o zbyt niskiej impedancji zgodnie z prawem Ohma spowoduje wzrost przepływającego prądu który może być destrukcyjny dla wzmacniacza i głośnika.
Starsze wzmacniacze, tj. wzmacniacze lampowe, nadal polegają na dopasowaniu impedancji w celu optymalizacji transferu mocy do systemów głośnikowych. Ze względu na swój charakter brzmieniowy są nadal chętnie stosowane na scenie wśród gitarzystów, oraz w zaciszach domowych systemów Hi-Fi.
W głośnikowych wzmacniaczach lampowych praktycznie zawsze stosuje się transformatory wyjściowe, które dopasowują impedancję wzmacniacza do impedancji kolumn. Te impedancje są dużo wyższe, rzędu kilku omów, i tutaj dopasowanie impedancji jest kluczowe.
Załóżmy że mamy wzmacniacz lampowy o mocy 25W przy obciążeniu 4Ω i impedancji wyjścia również 4Ω.
Możemy obliczyć że napięcie na głośniku wynosi
$$U=\sqrt{P\cdot R}=10 \text{V}$$
Ale napięcie wzmacniacza do wygenerowania tej energii jest wyższe i wynosi zgodnie ze wzorem
$$U_o=\frac{U_i}{\frac{R_i}{R_i+R_o}}=20 \text{V}$$
Teraz, jeżeli podepniemy niedopasowany głośnik o impedancji 16Ω, to napięcie odłożone na głośniku wynosi Ui=4V, a moc to zaledwie 1W!
Fakt że wzmacniacze lampowe posiadają transformatory wyjściowe powoduje że nie mogą one pracować całkowicie bez obciążenia, czyli z impedancją dążącą do ∞ (a realnie mierzoną w MΩ). Namagnesowany przez uzwojenie pierwotne rdzeń transformatora będzie próbował ją oddać, co bez obciążenia spowoduje wygenerowanie transjentu o wysokim napięciu (nawet powyżej 3000V). Tak wysokie napięcie może spowodować wystąpienie łuku elektrycznego w transformatorze terminalach lamp lub okablowania, co spowoduje jego trwałe uszkodzenie.
Parowanie impedancji słuchawek z urządzeniami źródłowymi
Słuchawki mają bardzo różne poziomy impedancji, zazwyczaj od 8Ω do 600Ω.
Podczas korzystania ze słuchawek z podłączonymi urządzeniami źródłowymi, np. laptopami, smartfonami, wzmacniaczami lub interfejsami audio, lepiej jest dopasować - lub sparować - impedancję słuchawek z urządzeniem źródłowym w jak największym stopniu.
Wynika to z wpływu impedancji na jakość dźwięku w słuchawkach. Po sparowaniu słuchawek z urządzeniem źródłowym uzyskasz lepszy dźwięk - dobrą głośność, solidne basy, lepszą przejrzystość i większą klarowność.
Słuchawki można sparować z urządzeniami źródłowymi poprzez:
- Używanie słuchawek o niższej impedancji z niskim napięciem i źródłami zasilania, takimi jak smartfony i laptopy
- Używanie słuchawek o wyższej impedancji ze źródłami o wysokim napięciu i mocy, takimi jak wzmacniacze i interfejsy audio zasilane z sieci.
Podczas korzystania ze słuchawek liczy się zarówno transfer sygnału, jak i mocy. Parowanie słuchawek i impedancji źródła zapewnia, że:
- Urządzenie źródłowe ma wystarczającą moc do napędzenia słuchawek - na przykład smartfon może po prostu nie mieć wystarczającej mocy do napędzenia słuchawek o wysokiej impedancji (tj. usłyszysz bardzo niską głośność i nieodpowiednią jakość dźwięku), a np. mikser może nie mieć wystarczająco mocy żeby wysterować słuchawki o niskiej impedancji, co będzie powodować zniekształcenia dźwięku i możliwość uszkodzenia wyjścia.
- Duża (lub maksymalna) część mocy jest przekazywana do słuchawek, aby zapewnić najlepszą jakość dźwięku.
Dopasowanie impedancji jest zatem istotne w przypadku parowania słuchawek z urządzeniami źródłowymi.
Dopasowanie mikrofonów do urządzeń wejściowych
Dopasowanie impedancji mikrofonów do urządzeń wejściowych (np. przedwzmacniaczy znajdujących się w interfejsach audio) nie jest już problemem w nowoczesnych systemach. Niemniej jednak nadal stosuje się "umiarkowany stopień" dopasowania impedancji.
Zgodnie z "praktyczną zasadą", impedancja wejściowa powinna być co najmniej dziesięciokrotnie większa od impedancji źródła. Pomaga to zmaksymalizować transfer napięcia.
Typowa impedancja mikrofonu (źródła) wynosi 150-600Ω, a typowa impedancja wejścia przedwzmacniacza mikrofonowego to 1,2-15kΩ.
Np Shure SM58 – 300Ω, Sencheisser E835 – 350Ω, AKG C1000 - 200Ω
Wejścia mikrofonowe są traktowane w ten sposób, aby zrównoważyć transfer napięcia (sygnału) z transferem mocy - oba są uważane za ważne w przypadku mikrofonów. Dlatego też pewien stopień dopasowania impedancji jest nadal priorytetem dla nowoczesnych połączeń mikrofonowych.
W bardziej rozbudowanych przedwzmacniaczach mikrofonowych stosuje się regulowaną impedancję wejściową, co umożliwia indywidualne dopasowanie, lub nawet celowe niedopasowanie jeżeli brzmienie będzie pasować do konceptu artystycznego.
Dopasowanie Gitar do urządzeń wejściowych
Impedancja wyjściowa typowego pasywnego przetwornika gitarowego jest średnia do wysokiej (tj. około 5kΩ - 20kΩ).
Chociaż przetworniki gitarowe mają stosunkowo wysoką impedancję (wyjściową), często łączą się z urządzeniami o bardzo wysokiej impedancji (wejściowej), takimi jak wzmacniacze lub wejścia hi-z na interfejsach audio - mają one impedancję około 1 MΩ (tj. 1000 kΩ) lub wyższą.
Przy wysokiej impedancji źródła dźwięku trzeba wziąć pod uwagę inne zjawiska wpływające na dźwięk. Jako kiedyś młody muzyk chciałem mieć swobodę poruszania się z gitarą po scenie, czyli trzeba było kupić długi kabel. Ale ma to ogromny wpływ na brzmienie gitary.
Trzeba pamiętać że kabel, no najlepiej dobrze ekranowany żeby nie było zakłóceń, ma swoją pojemność elektryczną. Zazwyczaj to 70pF/m, ale są producenci oferujący różne pojemności do kreowania brzmienia (np. Vandamme seria silver). Taki „kondensator” w postaci kabla w połączeniu z wysoką impedancją źródła dźwięku (rezystancją i impedancją cewki przetwornika) tworzy filtr górno zaporowy. Czym dłuższy kabel i większa impedancja gitary tym mniej wysokiego pasma w brzmieniu.
W gitarach aktywnych, mimo własnego zasilania baterią impedancję wyjścia zostawia się na wysokim poziomie w celu zachowania kompatybilności z powszechnymi urządzeniami i akcesoriami gitarowymi, ale eliminacja wpływu cewki przetwornika zmniejsza efekt oddziaływania kabla na brzmienie.
Dopasowanie urządzeń liniowych
We współczesnych systemach dźwiękowych przy przesyle sygnału liniowego nie jest priorytetem przesył mocy (czyli impedancja 1:1) a przesył napięcia, gdzie staramy się zachować proporcje wyjścia do wejścia 1:10.
Branża zwłaszcza pro audio na tyle się ustandaryzowała że praktycznie nie zawracamy uwagi na ten aspekt, i faktycznie przy podłączaniu pojedynczych urządzeń nie ma potrzeby zaglądania w specyfikacje.
Typowe impedancje wyjściowe urządzeń to zazwyczaj 120-150Ω, a impedancja wejść to 10kΩ, i proporcje te są zachowane.
Natomiast trzeba zwrócić uwagę na dopasowanie przy połączeniu wielu odbiorników do jednego źródła dźwięku. Takie pytanie kilka razy przewijało się przez forum elektrody: Ile wzmacniaczy mogę podłączyć do miksera?
Cóż pozostaje policzyć. Połączenie równoległe charakteryzuje się ze względu na odwrotności dość skomplikowanym wzorem, ale da się go łatwo policzyć na prostym kalkulatorze z pamięcią, a jak kalkulator ma funkcję 1/x to już bajka.
$$R=\frac{1}{\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}+\ldots+\frac{1}{R_n}}$$
Dla przykładu teraz łączymy trzy wzmacniacze o impedancji wejściowej 10kΩ do miksera o impedancji wyjściowej 150Ω.
$$R=\frac{1}{\frac{1}{10000}+\frac{1}{10000}+\frac{1}{10000}}=\frac{1}{\frac{3}{10000}}\approx 3333Ω$$
Czyli zależność 1:10 zostaje zachowana. Ale już widać że jeżeli dołożymy kolejne 3 wzmacniacze (czyli razem 6) to impedancja spadnie o połowę do ok 1,6kΩ, i można to uznać za graniczną liczbę możliwych do podłączenia wzmacniaczy.
Z tego też powodu kolumny które często łączy się równolegle, jak systemy Line Array posiadają zwiększoną impedancję wejścia, do okolic 100kΩ, co pozwala na swobodne połączenie kilkunastu-dziesięciu kolumn. 20 takich kolumn daje impedancję 4166Ω.
Należy pamiętać że impedancje w połączeniu z pojemnością kabla tworzą filtr górnozaporowy, które w niekorzystnych warunkach może zdegradować brzmienie góry pasma. Realną długość kabli XLR bez degradacji sygnału określa się na okolicę 120m (teoretyczną na 300m).
Taką ciekawostką branżową jest system przesyłania dźwięku promowany przez firmę KV2 Audio, gdzie urządzenia nadawcze posiadają impedancję wyjściową 50Ω zasilane wzmacniaczem mogącym oddać prąd 450mA, przy napięciu do 14V. Nazywają to Line Driver. Przykładowym urządzeniem jest LD4. Natomiast po stronie odbiornika (wzmacniacza) wejście również powinno mieć impedancję również 50Ω. Należy pamiętać że w takim wypadku po stronie wzmacniacza na wejściu niezbędny jest rezystor balastowy 50Ω/1W, w co producent wyposaża swoje produkty. W takim wypadku można prowadzić linie o długości do 500m bez zauważalnego spadku jakości.
Fajne? Ranking DIY
