Abordando uno de los temas más confusos en la electrónica de audio
Cuando estaba aprendiendo lo básico del audio, uno de los conceptos que más me costó entender fue la impedancia de salida. Impedancia de entrada Entendí instintivamente, a partir del ejemplo de un altavoz. Después de todo, un controlador de altavoz contiene una bobina de cable, y sabía que una bobina de cable resiste el flujo eléctrico. Pero salida ¿impedancia? ¿Por qué un amplificador o preamplificador tendría impedancia en su salida, me pregunté? ¿No querría entregar todos los voltios y amperios posibles a lo que sea que esté conduciendo?
En mis conversaciones con lectores y entusiastas a lo largo de los años, me he dado cuenta de que no era la única que no tenía la idea completa de la impedancia de salida. Así que pensé que sería bueno hacer una cartilla sobre el tema. En este artículo, abordaré tres situaciones comunes y muy diferentes: preamplificadores, amplificadores y amplificadores de auriculares.
Primero, recapitulemos brevemente el concepto de impedancia. La resistencia es el grado en que algo restringe el flujo de electricidad de CC. La impedancia es básicamente lo mismo, pero con CA en lugar de CC. Normalmente, la impedancia de un componente cambiará a medida que cambie la frecuencia de la señal eléctrica. Por ejemplo, una pequeña bobina de cable tendrá una impedancia casi nula a 1 Hz, pero una impedancia alta a 100 kHz. Un capacitor puede tener una impedancia casi infinita a 1 Hz, pero casi ninguna impedancia a 100 kHz.
La impedancia de salida es la cantidad de impedancia entre los dispositivos de salida de un preamplificador o amplificador (generalmente transistores, pero posiblemente un transformador o tubo) y los terminales de salida reales del componente. Esto incluye la impedancia interna del propio dispositivo.
¿Por qué necesita impedancia de salida?
Entonces, ¿por qué un componente tendría una impedancia de salida? En su mayor parte, es para protegerlo contra daños causados por cortocircuitos.
Cualquier dispositivo de salida está limitado en la cantidad de corriente eléctrica que puede manejar. Si la salida del dispositivo está en cortocircuito, se le pide que envíe una gran cantidad de corriente. Por ejemplo, una señal de salida de 2,83 voltios producirá una corriente de 0,35 amperios y 1 vatio de potencia en un altavoz típico de 8 ohmios. No hay problema allí. Pero si se conectara un cable con una impedancia de 0.01 ohmios a través de los terminales de salida de un amplificador, esa misma señal de salida de 2.83 voltios producirá una corriente de 282.7 amperios y 800 vatios de potencia. Eso es mucho, mucho más de lo que la mayoría de los dispositivos de salida pueden ofrecer. A menos que el amplificador tenga algún tipo de circuito o dispositivo de protección, entonces el dispositivo de salida se sobrecalentará y probablemente sufrirá daños permanentes. Y sí, incluso podría incendiarse.
Con cierta cantidad de impedancia incorporada en la salida, el componente obviamente tiene una mayor protección contra cortocircuitos, porque la impedancia de salida siempre está en el circuito. Supongamos que tiene un amplificador de auriculares con una impedancia de salida de 30 ohmios, un par de auriculares de 32 ohmios y cortocircuita el cable de los auriculares cortándolo accidentalmente con unas tijeras. Se pasa de una impedancia total del sistema de 62 ohmios a una impedancia total de aproximadamente 30.01 ohmios, lo cual no es tan importante. Ciertamente, mucho menos extremo que ir de 8 ohms a 0.01 ohms.
¿Qué tan bajo debe ser la impedancia de salida?
Una regla general muy general en el audio es que desea que la impedancia de salida sea al menos 10 veces más baja que la impedancia de entrada esperada que alimentará. De esta manera, la impedancia de salida no tiene un efecto significativo en el rendimiento del sistema. Si la impedancia de salida es mucho más que 10 veces la impedancia de entrada que alimentará, puede obtener algunos problemas diferentes.
Con cualquier electrónica de audio, una impedancia de salida demasiado alta puede crear efectos de filtrado que causan anomalías de respuesta de frecuencia extrañas y también dar como resultado una salida de potencia reducida. Para obtener más información sobre estos fenómenos, consulte mis artículos primero y segundo sobre cómo los cables de los altavoces pueden afectar la calidad del sonido.
Con los amplificadores, hay un problema adicional. Cuando el amplificador mueve el cono del altavoz hacia adelante o hacia atrás, la suspensión del altavoz devuelve el cono a su posición central. Esta acción genera un voltaje que luego se devuelve al amplificador. (Este fenómeno se conoce como "retroceso EMF" o fuerza electromotriz inversa). Si la impedancia de salida del amplificador es lo suficientemente baja, efectivamente reducirá ese retroceso EMF y actuará como un freno en el cono cuando este retroceda. Si la impedancia de salida del amplificador es demasiado alta, no podrá detener el cono, y el cono continuará saltando hacia adelante y hacia atrás hasta que se detenga la fricción. Esto crea un efecto de timbre y hace que las notas permanezcan después de que se supone que deben detenerse.
Puedes ver esto en las clasificaciones del factor de amortiguamiento de los amplificadores. El factor de amortiguación es la impedancia de entrada promedio esperada (8 ohmios) dividida por la impedancia de salida del amplificador. Cuanto mayor sea el número, mejor será el factor de amortiguación.
Impedancia de salida del amplificador
Ya que estamos hablando de amplificadores, comencemos con ese ejemplo, que se muestra en el dibujo de arriba. Las impedancias de los altavoces suelen tener una capacidad de 6 a 10 ohmios, pero es común que los altavoces caigan a una impedancia de 3 ohmios en ciertas frecuencias, e incluso de 2 ohmios en algunos casos extremos. Si ejecuta dos altavoces en paralelo, como suelen hacer los instaladores personalizados al crear sistemas de audio multiroom, eso reduce la impedancia a la mitad, lo que significa que un altavoz que baja a 2 ohmios a, por ejemplo, 100 Hz ahora baja a 1 ohmio a esa frecuencia cuando es emparejado con otro altavoz del mismo tipo.Ese es un caso extremo, por supuesto, pero los diseñadores de amplificadores tienen que dar cuenta de estos casos extremos o podrían estar enfrentando una gran cantidad de amplificadores que vienen a reparar.
Si calculamos una impedancia de altavoz mínima de 1 ohm, eso significa que el amplificador debe tener una impedancia de salida de no más de 0.1 ohm. Obviamente, no hay espacio para agregar suficiente resistencia a la salida de este amplificador para dar a los dispositivos de salida una protección real.
Por lo tanto, el amplificador tendrá que emplear algún tipo de circuito de protección. Eso podría ser algo que rastree la salida actual del amplificador y desconecte la salida si el consumo de corriente es demasiado alto. O podría ser tan simple como un fusible o disyuntor en la línea de alimentación de CA entrante o en los rieles de la fuente de alimentación. Estos desconectan la fuente de alimentación cuando el consumo de corriente es más de lo que el amplificador puede manejar.
Incidentalmente, casi todos los amplificadores de potencia de tubo usan transformadores de salida, y como los transformadores de salida son solo bobinas de alambre enrolladas alrededor de un marco metálico, tienen una impedancia sustancial propia, a veces de hasta 0,5 ohmios o incluso más. De hecho, para simular el sonido de un amplificador de válvulas en sus amplificadores de estado sólido (transistor) Sunfire, el famoso diseñador Bob Carver agregó un interruptor de "modo actual" que colocó una resistencia de 1 ohmio en serie con los dispositivos de salida. Por supuesto, esto violó la relación mínima de 1 a 10 de impedancia de salida a la impedancia de entrada esperada que discutimos anteriormente, y por lo tanto tuvo un efecto sustancial en la respuesta de frecuencia del altavoz conectado, pero eso es lo que obtienes con muchos amplificadores de tubo Es exactamente lo que Carver quería simular.
02 de 03Preamplificador / impedancia de salida del dispositivo fuente
Con un preamplificador o dispositivo fuente (reproductor de CD, decodificador de cable, etc.), como se muestra en el dibujo de arriba, es una situación diferente. En este caso, no te importa el poder o la corriente. Todo lo que necesitas para transmitir la señal de audio es el voltaje. Por lo tanto, el dispositivo de flujo descendente (un amplificador de potencia, en el caso de un preamplificador, o un preamplificador, en el caso de un dispositivo fuente) puede tener una alta impedancia de entrada. Cualquier corriente que ingrese a través de la línea está casi totalmente bloqueada por esa alta impedancia de entrada, pero el voltaje pasa muy bien.
Para la mayoría de los amplificadores de potencia y preamplificadores, es común una impedancia de entrada de 10 a 100 kilohms. Los ingenieros pueden ir más alto, pero pueden obtener más ruido de esa manera. Por cierto, los amplificadores de guitarra suelen tener impedancias de entrada de 250 kilohms a 1 megohm, ya que las pastillas de guitarra eléctrica suelen tener impedancias de salida de 3 a 10 kilohms.
Los cortocircuitos pueden ser comunes con los circuitos de nivel de línea, porque es muy fácil frotar accidentalmente los dos conductores desnudos de un enchufe RCA contra una pieza de metal que los corta. Por lo tanto, las impedancias de salida de 100 ohmios o más son comunes en preamplificadores y dispositivos fuente. He visto algunos componentes exóticos de alta gama con impedancias de salida de nivel de línea tan bajas como 2 ohmios, pero estos tendrán transistores de salida muy resistentes o un circuito de protección para evitar daños por cortocircuitos. En algunos casos, pueden tener un condensador de acoplamiento en la salida para bloquear el voltaje de CC y evitar el desgaste del dispositivo de salida.
Los preamplificadores de phono son un tema completamente diferente. Mientras que normalmente tienen impedancias de salida similares a las de un reproductor de CD, sus impedancias de entrada son muy diferentes de las de un preamplificador de etapa de línea. Eso es demasiado para entrar aquí. Tal vez voy a profundizar en ese tema en otro artículo.
03 de 03Impedancia de salida de amplificador de auriculares
El aumento en la popularidad de los audífonos ha hecho que la configuración de impedancia del sistema, bastante extraña y no estándar, de los típicos amplificadores de audífonos, sea el centro de atención. A diferencia de los amplificadores convencionales, los amplificadores de auriculares vienen en una amplia variedad de impedancias de salida. Los amplificadores de auriculares realmente económicos, como los incorporados en la mayoría de las computadoras portátiles, pueden tener una impedancia de salida de hasta 75 o incluso 100 ohmios, aunque la impedancia de los auriculares generalmente varía entre 16 y 70 ohmios.
Es raro que un consumidor desconecte y vuelva a conectar los altavoces cuando se está ejecutando un amplificador, y también es raro que se dañen los cables de los altavoces cuando se está ejecutando un amplificador. Pero con los auriculares, estas cosas pasan todo el tiempo. Las personas normalmente conectan o desconectan los auriculares cuando se ejecuta un amplificador de auriculares. Los cables de los auriculares a menudo están dañados, a veces creando un cortocircuito, mientras están en uso. Por supuesto, la mayoría de los amplificadores de auriculares son dispositivos baratos, lo que puede hacer que agregar un circuito de protección decente tenga un costo prohibitivo. Así que la mayoría de los fabricantes toman la salida más fácil: aumentan la impedancia de salida del amplificador agregando una resistencia (u ocasionalmente un condensador).
Como puede ver en las mediciones de mis auriculares (vaya al segundo gráfico), la alta impedancia de salida puede tener un gran efecto en la respuesta de frecuencia de un auricular. Primero mido la respuesta de frecuencia de un auricular con un amplificador de auriculares de fidelidad musical que tiene una impedancia de salida de 5 ohmios, y luego nuevamente con una resistencia adicional de 70 ohmios para crear una impedancia de salida total de 75 ohmios.
El efecto que tendrá una alta impedancia de salida varía con la impedancia de los auriculares conectados, y especialmente con el cambio en la impedancia de los auriculares a diferentes frecuencias. Los auriculares que tienen grandes oscilaciones de impedancia, como hacen la mayoría de los modelos de audífonos con armadura balanceada, generalmente mostrarán cambios sustanciales en la respuesta de frecuencia cuando se cambia de un amplificador con una impedancia de salida baja a uno con una impedancia de salida alta. A menudo, un auricular que tiene un balance tonal de sonido natural cuando se usa con una fuente de baja impedancia tendrá un balance de bajo y apagado cuando se usa con una fuente de alta impedancia.
Afortunadamente, la baja impedancia de salida está disponible en muchos amplificadores de auriculares de alta gama (especialmente en modelos de estado sólido), e incluso en algunos de los pequeños chips de amplificadores de auriculares incorporados en dispositivos como los iPhones. Por lo general, no hay forma de saber con certeza si los auriculares están expresados para su uso con impedancias de salida altas o bajas, pero prefiero mantener una impedancia de salida baja por las razones citadas anteriormente en este artículo.
yo haría Prefiero no usar auriculares con grandes oscilaciones de impedancia que podrían causar cambios en la respuesta de frecuencia cuando se usan con amplificadores para auriculares que tienen una impedancia de salida alta (como la de la computadora portátil en la que estoy escribiendo esto). Sin embargo, desafortunadamente, generalmente prefiero el sonido de un buen auricular interno de armadura equilibrada a uno que usa controladores dinámicos, por lo que cuando uso estos auriculares con mi computadora portátil, generalmente conecto un amplificador externo o un amplificador de auriculares USB / DAC.
Sé que esta ha sido una explicación larga, pero la impedancia de salida es un tema complicado. Gracias por acompañarme, y si tiene alguna pregunta o si omito algo, envíeme un correo electrónico y hágamelo saber.
