Enfrentando um dos assuntos mais confusos na Audio Electronics
Quando eu estava aprendendo os fundamentos do áudio, um dos conceitos mais difíceis de entender foi a impedância de saída. Impedância de entrada eu entendi instintivamente, a partir do exemplo de um alto-falante. Afinal, um driver de alto-falante contém uma bobina de fio, e eu sabia que uma bobina de fio resiste ao fluxo elétrico. Mas saída impedância? Por que um amplificador ou pré-amplificador teria impedância em sua saída? Não quer entregar todos os volts e amp possíveis para o que estiver dirigindo?
Nos meus bate-papos com leitores e entusiastas ao longo dos anos, percebi que não era a única pessoa que não entendia a ideia da impedância de saída. Então achei que seria bom fazer uma cartilha sobre o assunto. Neste artigo, lidarei com três situações comuns e muito diferentes: pré-amplificadores, amplificadores e amplificadores de fone de ouvido.
Primeiro, vamos recapitular brevemente o conceito de impedância. Resistência é o grau em que algo restringe o fluxo de eletricidade DC. Impedância é basicamente a mesma coisa, mas com AC em vez de DC. Normalmente, a impedância de um componente muda conforme a frequência do sinal elétrico muda. Por exemplo, uma pequena bobina de fio terá quase zero de impedância a 1 Hz, mas alta impedância a 100 kHz. Um capacitor pode ter impedância quase infinita a 1 Hz, mas quase nenhuma impedância a 100 kHz.
Impedância de saída é a quantidade de impedância entre um pré-amplificador ou dispositivos de saída do amplificador (geralmente transistores, mas possivelmente um transformador ou tubo) e os terminais de saída reais do componente. Isso inclui a impedância interna do próprio dispositivo.
Por que você precisa de impedância de saída?
Então, por que um componente teria uma impedância de saída? Na maioria das vezes, é para protegê-lo contra danos causados por curto-circuitos.
Qualquer dispositivo de saída é limitado na quantidade de corrente elétrica que ele pode manipular. Se a saída do dispositivo estiver em curto, será solicitado que ele forneça uma quantidade enorme de corrente. Por exemplo, um sinal de saída de 2,83 volts produzirá uma corrente de 0,35 ampères e 1 watt de potência em um alto-falante típico de 8 ohms. Não há problema aí. Mas se um fio com impedância de 0,01 ohms for conectado através dos terminais de saída de um amplificador, esse mesmo sinal de saída de 2,83 volts produzirá uma corrente de 282,7 ampères e 800 watts de potência. Isso é muito mais do que a maioria dos dispositivos de saída pode oferecer. A menos que o amplificador possua algum tipo de circuito ou dispositivo de proteção, o dispositivo de saída sofrerá superaquecimento e provavelmente sofrerá danos permanentes. E sim, pode até pegar fogo.
Com alguma quantidade de impedância embutida na saída, o componente obviamente tem maior proteção contra curto-circuitos, porque a impedância de saída está sempre no circuito. Digamos que você tenha um amplificador de fone de ouvido com uma impedância de saída de 30 ohms, acionando um par de fones de ouvido de 32 ohm e você curto o fio do fone de ouvido cortando-o acidentalmente com uma tesoura. Você vai de uma impedância total do sistema de 62 ohms até uma impedância total de talvez 30,01 ohms, o que não é grande coisa. Certamente muito menos extremo do que passar de 8 ohms para 0.01 ohms.
Quão baixa deve ser a impedância de saída?
Uma regra muito geral no áudio é que você deseja que a impedância de saída seja pelo menos 10 vezes menor do que a impedância de entrada esperada que será alimentada. Desta forma, a impedância de saída não tem um efeito significativo no desempenho do sistema. Se a impedância de saída é muito mais do que 10 vezes a impedância de entrada que irá alimentar, você pode obter alguns problemas diferentes.
Com qualquer sistema eletrônico de áudio, uma impedância de saída muito alta pode criar efeitos de filtragem que causam anomalias de resposta de freqüência estranhas e também resultam em saída de energia reduzida. Para mais informações sobre esses fenômenos, confira meus primeiros e segundos artigos sobre como os cabos das caixas acústicas podem afetar a qualidade do som.
Com amplificadores, há um problema adicional. Quando o amplificador movimenta o cone do alto-falante para frente ou para trás, a suspensão do alto-falante coloca o cone de volta na posição central. Esta ação gera tensão que é então lançada de volta no amplificador. (Esse fenômeno é conhecido como "back EMF" ou força eletromotriz reversa.) Se a impedância de saída do amplificador for baixa o suficiente, ele efetivamente encurtará o EMF traseiro e atuará como um freio no cone quando ele retornar. Se a impedância de saída do amplificador for muito alta, ele não conseguirá parar o cone, e o cone continuará a se mover para frente e para trás até que o atrito pare. Isso cria um efeito de toque e faz com que as anotações permaneçam depois que elas deveriam parar.
Você pode ver isso nas classificações do fator de amortecimento dos amplificadores. O fator de amortecimento é a impedância de entrada média esperada (8 ohms) dividida pela impedância de saída do amplificador. Quanto maior o número, melhor o fator de amortecimento.
Impedância de Saída do Amplificador
Já que estamos falando de amplificadores, vamos começar com esse exemplo, que é mostrado no desenho acima. As impedâncias dos alto-falantes são normalmente classificadas de 6 a 10 ohms, mas é comum que os alto-falantes caiam para 3 ohms de impedância em certas freqüências e até 2 ohms em alguns casos extremos. Se você executar dois alto-falantes em paralelo, como os instaladores personalizados costumam fazer ao criar sistemas de áudio multiroom, isso corta a impedância pela metade, significando um alto-falante que baixa para 2 ohms a, digamos, 100 Hz agora afunda para 1 ohm nessa freqüência quando emparelhado com outro alto-falante do mesmo tipo.Esse é um caso extremo, é claro, mas os projetistas de amplificadores precisam levar em conta casos tão extremos ou eles podem estar enfrentando uma grande pilha de amplificadores que estão sendo consertados.
Se calcularmos uma impedância de alto-falante mínima de 1 ohm, isso significa que o amplificador deve ter uma impedância de saída de no máximo 0,1 ohm. Obviamente, não há espaço para adicionar resistência suficiente à saída deste amplificador para fornecer aos dispositivos de saída qualquer proteção real.
Assim, o amplificador terá que empregar algum tipo de circuito de proteção. Isso pode ser algo que rastreie a saída atual do amplificador e desconecte a saída se o consumo atual for muito alto. Ou pode ser tão simples quanto um fusível ou disjuntor na linha de alimentação CA ou nos trilhos da fonte de alimentação. Estes desconectam a fonte de alimentação quando o consumo de corrente é maior do que o amplificador pode suportar.
A propósito, quase todos os amplificadores de potência de tubo usam transformadores de saída e, como os transformadores de saída são apenas bobinas de arame enrolados em uma estrutura de metal, eles têm uma impedância substancial, às vezes até 0,5 ohm ou até mais. Na verdade, para simular o som de um amplificador valvulado em seus amplificadores Sunfire de estado sólido (transistor), o famoso designer Bob Carver adicionou um interruptor de “modo de corrente” que colocou um resistor de 1 ohm em série com os dispositivos de saída. Claro, isso violou a proporção mínima de 1 a 10 da impedância de saída para a impedância de entrada esperada que discutimos acima e, portanto, teve um efeito substancial na resposta de freqüência do alto-falante conectado, mas é isso que você obtém com muitos amplificadores de tubo e é exatamente o que Carver queria simular.
02 de 03Impedância de Saída do Dispositivo Preamp / Fonte
Com um pré-amplificador ou dispositivo de origem (CD player, caixa de cabo, etc.), conforme mostrado no desenho acima, é uma situação diferente. Nesse caso, você não se importa com energia ou corrente. Tudo o que você precisa para transmitir o sinal de áudio é a tensão. Assim, o dispositivo a jusante - um amplificador de potência, no caso de um pré-amplificador, ou um pré-amplificador, no caso de um dispositivo de origem - pode ter uma alta impedância de entrada. Qualquer corrente que passar pela linha é quase totalmente bloqueada por essa alta impedância de entrada, mas a voltagem passa bem.
Para a maioria dos amplificadores de potência e pré-amplificadores, uma impedância de entrada de 10 a 100 kilohms é comum. Os engenheiros podem ir mais alto, mas podem ter mais barulho assim. A propósito, os amplificadores de guitarra normalmente têm impedâncias de entrada de 250 kilohms a 1 megohm, porque os captadores de guitarra elétrica geralmente têm impedâncias de saída variando de 3 a 10 kilohms.
Curto-circuitos podem ser comuns em circuitos de nível de linha, porque é muito fácil esfregar acidentalmente os dois condutores nus de um plugue RCA contra um pedaço de metal que os danifica. Assim, impedâncias de saída de 100 ohms ou mais são comuns em pré-amplificadores e dispositivos de fonte. Vi alguns componentes exóticos e de alta qualidade com impedâncias de saída de nível de linha tão baixas quanto 2 ohms, mas elas terão transistores de saída muito resistentes ou um circuito de proteção para evitar danos causados por curtos. Em alguns casos, eles podem ter um capacitor de acoplamento na saída para bloquear a tensão CC e evitar a queima do dispositivo de saída.
Os pré-amplificadores Phono são um assunto completamente diferente. Embora eles tenham tipicamente impedâncias de saída semelhantes às de um CD player, suas impedâncias de entrada são muito diferentes das de um pré-amplificador de estágio de linha. Isso é demais para entrar aqui. Talvez eu investigue esse assunto em outro artigo.
03 de 03Impedância de Saída de Amp de Headphone
O aumento da popularidade dos fones de ouvido trouxe o arranjo de impedância do sistema bastante estranho, não padronizado, dos amplificadores de headphone típicos para o centro das atenções. Ao contrário dos amplificadores convencionais, os amplificadores de fones de ouvido vêm em uma ampla variedade de impedâncias de saída. Amplificadores de fone de ouvido realmente baratos, como os que são usados na maioria dos laptops, podem ter uma impedância de saída de até 75 ou até 100 ohms, embora a impedância de fones de ouvido normalmente varie de 16 a 70 ohms.
É raro um consumidor desconectar e reconectar os alto-falantes quando um amplificador estiver em funcionamento e também é raro que cabos de alto-falante sejam danificados quando um amplificador estiver em execução. Mas com fones de ouvido, essas coisas acontecem o tempo todo. As pessoas rotineiramente conectam ou desconectam fones de ouvido quando um amplificador de fone de ouvido está funcionando. Os cabos dos auscultadores estão frequentemente danificados - por vezes criando um curto-circuito - enquanto estão em uso. Naturalmente, a maioria dos amplificadores para fones de ouvido são dispositivos baratos, o que pode tornar a adição de um circuito decente de proteção proibitivo em termos de custo. Assim, a maioria dos fabricantes tira o caminho mais fácil: eles aumentam a impedância de saída do amplificador adicionando um resistor (ou ocasionalmente um capacitor).
Como você pode ver nas minhas medições de fone de ouvido (vá para o segundo gráfico), a impedância de saída alta pode ter um efeito enorme na resposta de freqüência de um fone de ouvido. Eu medir a resposta de freqüência de um fone de ouvido primeiro com um amplificador de fone de ouvido Musical Fidelity que tem uma impedância de saída de 5 ohm, em seguida, novamente com um extra de 70 ohms de resistência adicionada para criar uma impedância de saída total de 75 ohms.
O efeito que uma impedância de saída alta terá varia com a impedância dos fones de ouvido conectados e, especialmente, com a mudança na impedância dos fones de ouvido em freqüências diferentes. Fones de ouvido que têm grandes oscilações de impedância - como a maioria dos modelos in-ear com drivers de armadura balanceada fazem - geralmente apresentam alterações substanciais na resposta de freqüência quando você muda de um amplificador com baixa impedância de saída para um com alta impedância de saída. Freqüentemente, um fone de ouvido que tenha um balanço tonal de sonoridade natural quando usado com uma fonte de baixa impedância terá uma balanceada e sonora balança quando usado com uma fonte de alta impedância.
Felizmente, a baixa impedância de saída está disponível em muitos amplificadores de headphone high-end (especialmente modelos de estado sólido), e até mesmo alguns dos pequenos chips de amplificador de headphone embutidos em dispositivos como os iPhones. Geralmente, não há como saber com certeza se um fone de ouvido é ouvido para uso com impedâncias de saída altas ou baixas, mas prefiro manter baixa impedância de saída pelas razões citadas anteriormente neste artigo.
Eu seria prefira não usar fones de ouvido com grandes oscilações de impedância que causem alterações de resposta de frequência quando usados com amplificadores de fone de ouvido com alta impedância de saída (como a do laptop em que estou digitando). Infelizmente, no entanto, eu geralmente prefiro o som de um fone de ouvido intra-auricular de equilíbrio balanceado para um que use drivers dinâmicos, então quando uso esses fones de ouvido com meu laptop, geralmente conecto um amplificador externo ou um amplificador de fone de ouvido USB / DAC.
Eu sei que esta tem sido uma explicação prolixa, mas a impedância de saída é um assunto complicado. Obrigado por carregar comigo, e se você tiver alguma dúvida ou se eu deixar alguma coisa fora, me envie um e-mail e me avise.
