¿Qué tan importante es la correspondencia de impedancia en aplicaciones de audio?


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¿Cuánto importan las señales reflejadas en las aplicaciones de audio (por ejemplo, entre un amplificador y un altavoz, o un preamplificador y un amplificador)? Principalmente con respecto a la fidelidad y no a la transferencia de poder.

¿Cuáles son las diferentes opciones de igualar la impedancia y sus ventajas y desventajas? ¿Puede estar en el terminal de salida, terminal de entrada o modificando el cable?


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Las respuestas dependen de si eres un ingeniero eléctrico o de audiophoole. Si es esto último, podemos murmurar sobre cables libres de oxígeno, condensadores de gran potencia y muchas otras tonterías costosas que debes seguir mientras agitas un pez muerto sobre tu amplificador durante la luna llena.
Olin Lathrop

Respuestas:


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La adaptación de impedancia no se utiliza en la electrónica de audio moderna.

  • Una salida de micrófono puede ser de alrededor de 600 Ω, mientras que las entradas de preamplificador de micrófono son de 1 kΩ o más.
  • Una salida de línea será algo así como 100 Ω, mientras que una entrada de línea es más como 10 kΩ.
  • Un amplificador de altavoz será inferior a 0,5 Ω, mientras que los altavoces se parecerán más a 4 Ω.
  • Una salida de guitarra puede ser de 100 kΩ, mientras que la entrada de un amplificador de guitarra es de al menos 1 MΩ.

En todos estos casos, la impedancia de carga es significativamente mayor que la fuente; No están igualados. Esta configuración maximiza la fidelidad .

La coincidencia de impedancia se usó en los sistemas telefónicos a partir de los cuales evolucionaron los sistemas de audio, y se usó (¿a veces?) En amplificadores de tubo de vacío, pero incluso entonces, es una compensación entre la potencia máxima y la fidelidad máxima .

Los efectos de la línea de transmisión no se aplican. Con una longitud de onda de al menos 10 km (para 20 kHz), creo que el mayor efecto que verías en la reflexión es un filtrado de peine (caída de HF) con líneas de unos pocos kilómetros de largo. Pero eso es totalmente poco realista.

Bill Whitlock :

Los cables de audio NO son líneas de transmisión. La exageración del marketing para cables exóticos a menudo invoca la teoría clásica de la línea de transmisión e implica que la respuesta en nanosegundos es de alguna manera importante. La física real nos recuerda que los cables de audio no comienzan a exhibir efectos de línea de transmisión en el sentido de ingeniería hasta que alcanzan aproximadamente 4,000 pies de longitud física.

El teorema de potencia máxima no se aplica, ya que:

Rane Corporation :

La coincidencia de impedancia salió con tubos de vacío, Edsels y peinados de colmena. Las etapas modernas de transistores y amplificadores operacionales no requieren una adaptación de impedancia. Si se hace, la adaptación de impedancia degrada el rendimiento de audio .


Para saber por qué la compatibilidad de impedancia no es necesaria (y, de hecho, perjudicial) en aplicaciones de audio profesional, vea William B. Snow, "Impedance - Matched or Optimum" [¡ escrito en 1957! ], Sound Refforcement: An Anthology , editado por David L. Klepper (Audio Engineering Society, NY, 1978, pp. G-9 - G-13), y RaneNote Unity Gain and Impedance Matching: Strange Bedfellows .

Hermanos Shure :

Para circuitos de audio, ¿es importante hacer coincidir la impedancia?

Ya no. A principios del siglo XX, era importante igualar la impedancia. Bell Laboratories descubrió que para lograr la máxima transferencia de energía en los circuitos telefónicos de larga distancia, las impedancias de los diferentes dispositivos deben coincidir. La adaptación de impedancia redujo la cantidad de amplificadores de tubo de vacío necesarios, que eran caros, voluminosos y producían calor.

En 1948, los Laboratorios Bell inventaron el transistor, un amplificador económico, pequeño y eficiente. El transistor utiliza la transferencia de voltaje máximo de manera más eficiente que la transferencia de potencia máxima. Para la transferencia de voltaje máximo, el dispositivo de destino (llamado "carga") debe tener una impedancia de al menos diez veces la del dispositivo emisor (llamado "fuente"). Esto se conoce como PUENTE. El puente es la configuración de circuito más común al conectar dispositivos de audio. Con los circuitos de audio modernos, las impedancias coincidentes en realidad pueden degradar el rendimiento del audio.

Es un error común. HyperPhysics solía mostrar una salida de amplificador de 8 ohmios , pero desde entonces han mejorado la página . Electronics Design mostró una salida de amplificador de 8 ohmios durante mucho tiempo , pero finalmente lo arreglaron después de un montón de quejas en la sección de comentarios:

Por lo tanto, a menos que sea la compañía telefónica con cables de una milla de largo, las impedancias de fuente y carga no necesitan ser igualadas ... a 600 ohmios o cualquier otra impedancia. --- Bill Whitlock, presidente e ingeniero jefe de Jensen Transformers, Inc. y AES Life Fellow.


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Te estás perdiendo parte del panorama general. La coincidencia de impedancia se realizó en los viejos tiempos porque las cargas y los conductores eran reactivos. En el ejemplo del audio, era común que los transformadores estuvieran en la ruta de la señal, y si no igualaba la impedancia, simplemente no funcionaría. Puede salirse con la suya con la impedancia actual porque la mayoría de los equipos electrónicos modernos tienen entradas y salidas resistivas , no reactivas. Pero para los equipos donde los componentes reactivos están en la ruta de la señal, la coincidencia de impedancia sigue siendo una consideración importante.
Robert Harvey

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@endolith: cualquier cosa con un transformador en ambos lados requiere un ajuste de impedancia. Por supuesto, los equipos electrónicos más modernos tienen entradas y salidas resistivas, por lo que el objetivo se convierte en altas impedancias en las entradas y bajas impedancias en las salidas. Sin embargo, eso no siempre produce condiciones ideales; Si está construyendo una entrada de micrófono para una mesa de mezclas, no desea una impedancia de entrada de 10 megaohmios, porque una entrada tan sensible captará todo tipo de ruido. En cambio, quieres algo más en la línea de 10K ohmios.
Robert Harvey

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@endolith: Me sorprende que no haya visto la impedancia de salida de los amplificadores de válvulas como un factor en el "sonido del tubo", ni he visto ninguna discusión sobre el diseño de amplificadores con una impedancia de salida "efectiva" más alta para imitar el sonido del tubo amperios Uno no tendría que usar resistores de pérdida de potencia para ajustar la impedancia de salida; Creo que la retroalimentación de detección actual podría hacer un trabajo bastante bueno.
supercat

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¿
Algo

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@Kaz: Sí, pero un violín es un instrumento, no una caja de altavoces. El objetivo del diseño del instrumento es producir un sonido agradable de la nada. El objetivo del diseño de la caja del altavoz es reproducir el sonido agradable que se grabó originalmente, sin ninguna alteración. (A menos que esté diseñando amplificadores de guitarra. Esos son más como instrumentos.)
endolito

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La coincidencia de impedancia no es realmente una preocupación para las frecuencias de audio y, en sus ejemplos, no es realmente preferida. Sin embargo, debe prestar atención a sus impedancias de entrada y salida.

Generalmente la coincidencia de impedancia por 2 razones:

  1. Minimice las reflexiones: las reflexiones se convierten en un problema cuando la longitud de la línea de transmisión se pone en el mismo orden que la longitud de onda de la señal. Hay varias reglas generales aquí. Algunos dicen preocuparse cuando la longitud del cable es 1/4 de la longitud de onda, algunos dicen 1/6, 1/10, etc. Depende de la señal y la reactancia de la línea de transmisión. En este caso, realmente no importa porque la longitud de onda eléctrica de una señal de 20 kHz es de ~ 49,000 pies. En otras palabras, las reflexiones no son un problema para la aplicación por la que pregunta.

  2. Transferencia de potencia máxima: hacer coincidir la impedancia de salida de un controlador con la impedancia de entrada de una carga permite la transferencia de potencia máxima. Al principio, esto suena importante para conducir un altavoz, pero hay consideraciones más importantes (ver más abajo).

Ejemplo de amplificador:

Con un diseño de amplificador moderno (etapa de potencia activa, sin transformador de salida), su objetivo real es el factor de amortiguación más alto posible, entre otras cosas. Cuando conduce un altavoz, el altavoz en sí mismo genera corriente a medida que se conduce, esto debería tener sentido teniendo en cuenta que está manejando un dispositivo para mover una bobina dentro de un campo magnético. En el caso ideal, esto no importaría ya que el cono / bobina reaccionaría instantáneamente a la señal entrante. En realidad, hay retraso y sobreimpulso del cono debido a la naturaleza mecánica del hablante. Como resultado, el altavoz produce corrientes que se envían de vuelta al amplificador.

Para poner esto en términos más simples y más aplicables. Un alto factor de amortiguación permite que el amplificador tenga un mejor control sobre el cono del altavoz. Esto es especialmente importante cerca del punto de resonancia del hablante. El factor de amortiguación es (resistencia del altavoz) / (resistencia de salida del amplificador) y alguna corrección para la resistencia del cable. Entonces, en este caso, su objetivo es la menor resistencia de salida posible en el amplificador.

Nivel de línea entre dispositivos (preamplificador):

Nuevamente, la coincidencia de impedancia no es el objetivo. Generalmente desea la impedancia de salida más baja y la impedancia de entrada más alta posible. Esto minimiza el consumo de corriente y, como resultado, la caída de voltaje. Esta es la configuración de distorsión más baja y permite la máxima transferencia de voltaje.


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"Hacer coincidir la impedancia de salida de un controlador con la impedancia de entrada de una carga permite una transferencia de potencia máxima". No exactamente. Hacer coincidir la carga con una impedancia de fuente fija maximiza la transferencia de potencia, pero si tiene control sobre la impedancia de salida, desea que sea lo más pequeña posible para aumentar la potencia en la carga.
endolito el

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No estoy de acuerdo, el valor de que la impedancia de salida sea menor no aumenta la transferencia de potencia a menos que pueda reducir la resistencia de carga para que coincida, solo significaría que necesitaría una resistencia de fuente agregada a la mezcla para que coincida con la resistencia de carga. Asumiendo que la carga es principalmente resistiva. Maximizar el voltaje en la carga y maximizar la potencia son dos cosas diferentes.
Mark

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Según esa lógica, simplemente harías todo 0 ohmios y obtendrías una potencia infinita. :) El teorema de potencia máxima solo se aplica cuando la impedancia de la fuente es fija. En esa condición, hace que la carga sea igual a la fuente para aprovecharla al máximo. en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_theorem Pero si tiene una carga fija (altavoz) y puede cambiar la impedancia de salida de la fuente, debe hacerlo lo más pequeño posible. Una fuente de 0 ohmios impulsa todo el suministro a una carga de 4 ohmios, mientras que una fuente de 4 ohmios en una carga de 4 ohmios desperdiciaría la mitad de la energía disponible.
endolito

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Una cosa que me he preguntado es cómo la impedancia de salida de los altavoces varía con la frecuencia, y cómo la respuesta de impedancia versus frecuencia sigue con la respuesta de salida de sonido versus frecuencia (a voltaje uniforme), y si un amplificador podría hacer uso de tales variaciones al tratar de producir una respuesta de frecuencia plana para un altavoz en una habitación. ¿Alguna idea de si eso ha sido investigado?
supercat

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@supercat Bueno, la impedancia al nivel SPL es una función complicada y definitivamente se ve afectada por la carcasa del altavoz, las características mecánicas del controlador y sus parámetros ts, entre otras cosas. Un altavoz promedio de '8ohm' tendrá oscilaciones de impedancia de ~ 3ohm a 50 + ohmios, pero puede lograr una respuesta de frecuencia muy cercana a la plana. En general, no adaptaría un altavoz para que se ajuste a un entorno acústico, ya que todas las habitaciones son diferentes (especialmente a bajas frecuencias). La corrección de la sala se realiza con EQ. Google Audyssey para el sistema de corrección automática de sala más popular.
Mark

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El artículo seminal sobre los cables de los altavoces fue escrito por Bob Pease de National Semiconductors en 1990, titulado "¿Qué es todo esto?" . Lea y disfrute, ¡luego continúe con su vida mientras ignora con seguridad a los vendedores de aceite de serpiente!


No veo nada en ese artículo sobre la coincidencia de impedancia
endolito

El artículo hace referencia a la última parte de la pregunta "... o modificando el cable". También aborda los efectos de los conectores, las reflexiones de los puntos de desajuste de impedancia, etc.
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