S'attaquer à l'un des sujets les plus déroutants de l'audio électronique
Lorsque j'apprenais les bases de l'audio, l'un des concepts les plus difficiles à comprendre était l'impédance de sortie. J'ai compris instinctivement l'impédance d'entrée à partir de l'exemple d'un locuteur. Après tout, un haut-parleur contient une bobine de fil et je savais qu’une bobine de fil résiste au courant électrique. Mais sortie impédance? Pourquoi un amplificateur ou un préampli aurait-il une impédance à sa sortie, me suis-je demandé? Ne voudrait-il pas fournir tous les volts et ampères possibles, quelle que soit sa conduite?
Au cours de mes discussions avec les lecteurs et les passionnés au fil des ans, j’ai réalisé que je n’étais pas le seul à ne pas comprendre l’idée de l’impédance de sortie. J’ai donc pensé que ce serait bien de faire une introduction au sujet. Dans cet article, je vais traiter de trois situations courantes et très différentes: les préamplis, les amplis et les amplis pour casque.
Tout d’abord, rappelons brièvement le concept d’impédance. La résistance est la mesure dans laquelle quelque chose restreint le flux d'électricité en courant continu. L'impédance est fondamentalement la même chose, mais avec AC au lieu de DC. En règle générale, l'impédance d'un composant change en fonction de la fréquence du signal électrique. Par exemple, une petite bobine de fil aura une impédance presque nulle à 1 Hz mais une impédance élevée à 100 kHz. Un condensateur peut avoir une impédance presque infinie à 1 Hz mais presque aucune impédance à 100 kHz.
L’impédance de sortie est la valeur de l’impédance entre les dispositifs de sortie d’un préamplificateur ou d’un amplificateur (généralement des transistors, mais éventuellement un transformateur ou un tube) et les bornes de sortie réelles du composant. Cela inclut l'impédance interne de l'appareil lui-même.
Pourquoi avez-vous besoin d'une impédance de sortie?
Alors, pourquoi un composant aurait-il une impédance de sortie? Pour l’essentiel, il s’agit de le protéger des dommages causés par les courts-circuits.
Tout périphérique de sortie est limité par la quantité de courant électrique qu'il peut gérer. Si la sortie de l’appareil est en court-circuit, il lui est demandé de fournir une grande quantité de courant. Par exemple, un signal de sortie de 2,83 volts produira un courant de 0,35 ampères et 1 watt de puissance dans un haut-parleur typique de 8 ohms. Pas de problème là-bas. Mais si un fil avec une impédance de 0,01 ohm était connecté aux bornes de sortie d’un amplificateur, ce même signal de sortie de 2,83 volts produirait un courant de 282,7 ampères et 800 watts de puissance. C’est bien plus que ce que la plupart des périphériques de sortie peuvent fournir. À moins que l’ampli ne dispose d’un circuit ou d’un dispositif de protection, le périphérique de sortie surchauffera et subira probablement des dommages permanents. Et oui, ça pourrait même prendre feu.
Avec une certaine quantité d'impédance intégrée dans la sortie, le composant dispose évidemment d'une plus grande protection contre les courts-circuits, car l'impédance de sortie est toujours présente dans le circuit. Supposons que vous ayez un ampli casque avec une impédance de sortie de 30 ohms pilotant une paire d'écouteurs de 32 ohms et que vous raccourcissiez le cordon du casque en le coupant accidentellement avec une paire de ciseaux. Vous passez d’une impédance totale du système de 62 ohms à une impédance totale de peut-être 30,01 ohms, ce qui n’est pas si grave. Certainement beaucoup moins extrême que de passer de 8 ohms à 0,01 ohms.
Quelle doit être l’impédance de sortie?
Une règle générale très générale en audio est que vous voulez que l'impédance de sortie soit au moins 10 fois inférieure à l'impédance d'entrée attendue à alimenter. De cette façon, l'impédance de sortie n'a pas d'effet significatif sur les performances du système. Si l'impédance de sortie est bien plus de 10 fois supérieure à l'impédance d'entrée à alimenter, vous pouvez rencontrer quelques problèmes différents.
Quelle que soit l’électronique audio, une impédance de sortie trop élevée peut créer des effets de filtrage qui entraînent des anomalies de réponse en fréquence, ainsi qu’une réduction de la puissance de sortie. Pour en savoir plus sur ces phénomènes, consultez mes premier et deuxième articles sur la manière dont les câbles de haut-parleur peuvent affecter la qualité du son.
Avec les amplificateurs, il y a un problème supplémentaire. Lorsque l’amplificateur déplace le cône du haut-parleur vers l’avant ou vers l’arrière, la suspension du haut-parleur ramène le cône à sa position centrale. Cette action génère une tension qui est ensuite renvoyée vers l'amplificateur. (Ce phénomène est connu sous le nom de «force électromotrice inverse» ou de «force électromotrice inverse».) Si l’impédance de sortie de l’amplificateur est suffisamment faible, elle court-circuitera effectivement cette force électromagnétique et agira comme un frein sur le cône lorsqu’il rebondit. Si l’impédance de sortie de l’amplificateur est trop élevée, il ne pourra pas arrêter le cône et celui-ci continuera à faire des va-et-vient jusqu’à ce que le frottement cesse. Cela crée un effet de sonnerie et fait en sorte que les notes s’attendent après qu’elles étaient censées s’arrêter.
Vous pouvez le voir dans les cotes d'amortissement des amplificateurs. Le facteur d'amortissement est l'impédance d'entrée moyenne attendue (8 ohms) divisée par l'impédance de sortie de l'amplificateur. Plus le nombre est élevé, meilleur est le facteur d'amortissement.
Impédance de sortie de l'amplificateur
Puisque nous parlons d’amplis, commençons par cet exemple, illustré dans le dessin ci-dessus. Les impédances des enceintes sont généralement comprises entre 6 et 10 ohms, mais il est courant que les enceintes tombent à une impédance de 3 ohms à certaines fréquences, voire de 2 ohms dans certains cas extrêmes. Si vous utilisez deux haut-parleurs en parallèle, comme le font souvent les installateurs personnalisés lors de la création de systèmes audio multiroom, l'impédance est divisée par deux, ce qui signifie qu'un haut-parleur plongeant à 2 ohms, par exemple, à 100 Hz baisse à 1 ohm à cette fréquence. couplé avec une autre enceinte du même type.C’est un cas extrême, bien sûr, mais les concepteurs d’amplificateurs doivent prendre en compte de tels cas extrêmes, sinon ils pourraient être confrontés à un grand nombre d’ampères qui doivent être réparés.
Si nous définissons une impédance d'enceinte minimale de 1 ohm, cela signifie que l'amplificateur devrait avoir une impédance de sortie de 0,1 ohm au maximum. De toute évidence, il n’ya pas de place pour ajouter assez de résistance à la sortie de cet ampli pour donner une réelle protection aux périphériques de sortie.
Ainsi, l’amplificateur devra utiliser une sorte de circuit de protection. C’est peut-être quelque chose qui suit la sortie courant de l’ampli et la déconnecte si la consommation actuelle est trop élevée. Ou cela pourrait être aussi simple qu'un fusible ou un disjoncteur sur la ligne d'alimentation en courant alternatif ou sur les rails de l'alimentation. Ceux-ci déconnectent l’alimentation lorsque la consommation actuelle est supérieure à la capacité de l’ampli.
Incidemment, presque tous les amplificateurs de puissance à tubes utilisent des transformateurs de sortie. Etant donné que les transformateurs de sortie ne sont que des bobines de fil enroulées autour d'un cadre métallique, ils ont une impédance propre qui peut parfois aller jusqu'à 0,5 ohm, voire davantage. En fait, pour simuler le son d'un ampli à lampes dans ses amplificateurs Sunfire à transistor (transistor), le célèbre designer Bob Carver a ajouté un commutateur «mode courant» qui place une résistance de 1 ohm en série avec les périphériques de sortie. Bien sûr, cela a violé le rapport minimum de 1 à 10 de l'impédance de sortie sur l'impédance d'entrée attendue dont nous avons discuté ci-dessus, et a donc eu un effet substantiel sur la réponse en fréquence du haut-parleur connecté, mais c'est ce que vous obtenez avec de nombreux amplis à lampes et c'est exactement ce que Carver voulait simuler.
02 sur 03Impédance de sortie du préampli / source
Avec un préampli ou un périphérique source (lecteur CD, décodeur, etc.), comme indiqué dans le dessin ci-dessus, la situation est différente. Dans ce cas, vous ne vous souciez pas de l’alimentation ou du courant. Tout ce dont vous avez besoin pour transmettre le signal audio est la tension. Ainsi, le dispositif en aval - un amplificateur de puissance dans le cas d'un préamplificateur ou un préamplificateur dans le cas d'un dispositif source - peut avoir une impédance d'entrée élevée. Le courant traversant la ligne est presque entièrement bloqué par cette impédance d’entrée élevée, mais la tension passe très bien.
Pour la plupart des amplificateurs de puissance et des préamplis, une impédance d'entrée de 10 à 100 kilohms est courante. Les ingénieurs peuvent aller plus haut, mais ils peuvent avoir plus de bruit de cette façon. Incidemment, les amplificateurs de guitare ont généralement une impédance d'entrée de 250 kilohms à 1 mégohm, car les micros de guitare électrique ont généralement une impédance de sortie comprise entre 3 et 10 kilohms.
Les courts-circuits peuvent être communs aux circuits de niveau ligne, car il est si facile de frotter accidentellement les deux conducteurs nus d’une fiche RCA contre un morceau de métal qui les court-circuite. Ainsi, des impédances de sortie de 100 ohms ou plus sont courantes dans les préamplis et les appareils sources. J'ai vu quelques composants exotiques haut de gamme avec des impédances de sortie de niveau de ligne aussi faibles que 2 ohms, mais ceux-ci auront des transistors de sortie très robustes ou un circuit de protection pour éviter les dommages causés par les courts-circuits. Dans certains cas, ils peuvent avoir un condensateur de couplage à la sortie pour bloquer la tension continue et empêcher l’épuisement des périphériques de sortie.
Les préamplis phono sont un sujet totalement différent. Bien qu'ils aient généralement des impédances de sortie similaires à celles d'un lecteur CD, leurs impédances d'entrée sont très différentes de celles d'un préamplificateur à étage de ligne. C'est trop pour entrer ici. Je vais peut-être creuser ce sujet dans un autre article.
03 sur 03Impédance de sortie d'ampli casque
La popularité croissante des casques a mis sous les feux des projecteurs l'arrangement plutôt étrange et non standard d'impédance système d'amplis casques classiques. Contrairement aux amplis conventionnels, les amplis pour casque ont une grande variété d'impédances de sortie. Les amplificateurs de casque vraiment bon marché, comme ceux intégrés dans la plupart des ordinateurs portables, peuvent avoir une impédance de sortie aussi élevée que 75 voire 100 ohms, même si l'impédance du casque varie généralement entre 16 et 70 ohms.
Il est rare qu’un consommateur déconnecte et reconnecte ses haut-parleurs quand un ampli est en marche, et que les câbles des haut-parleurs soient endommagés pendant qu’un ampli est en marche. Mais avec les écouteurs, ces choses arrivent tout le temps. Les gens connectent ou déconnectent régulièrement les casques lorsqu'un ampli casque est en marche. Les câbles des écouteurs sont souvent endommagés - créant parfois un court-circuit - pendant leur utilisation. Bien sûr, la plupart des amplis de casque sont des appareils bon marché, ce qui peut rendre l’ajout d’un circuit de protection décent trop coûteux. La plupart des fabricants choisissent donc le moyen le plus simple: ils augmentent l'impédance de sortie de l'amplificateur en ajoutant une résistance (ou occasionnellement un condensateur).
Comme vous pouvez le constater dans les mesures de mon casque (allez au deuxième graphique), une impédance de sortie élevée peut avoir un effet considérable sur la réponse en fréquence d'un casque. Je mesure d'abord la réponse en fréquence d'un casque avec un ampli pour casque Musical Fidelity ayant une impédance de sortie de 5 ohms, puis avec une résistance supplémentaire de 70 ohms ajoutée pour créer une impédance de sortie totale de 75 ohms.
L’effet d’une impédance de sortie élevée varie en fonction de l’impédance du casque connecté, et en particulier de la modification de l’impédance du casque à différentes fréquences. Les casques qui ont de fortes fluctuations d'impédance - comme la plupart des modèles intra-auriculaires avec des transducteurs à armature équilibrée - présentent généralement des changements substantiels dans la réponse en fréquence lorsque vous passez d'un ampli à faible impédance de sortie à un amplificateur à haute impédance de sortie. Souvent, un casque doté d'une balance tonale au son naturel lorsqu'il est utilisé avec une source basse impédance aura une balance basse et sourde lorsqu'il est utilisé avec une source haute impédance.
Heureusement, de nombreux amplis casques haut de gamme (en particulier les modèles à semi-conducteurs) et même certaines des puces d'ampli casques intégrées à des appareils tels que les iPhones sont disponibles avec une faible impédance de sortie. Il n’ya généralement aucun moyen de savoir avec certitude si un casque est conçu pour une utilisation avec une impédance de sortie élevée ou faible, mais je préfère conserver une impédance de sortie faible pour les raisons évoquées plus haut dans cet article.
je aurait Préférez ne pas utiliser de casques avec d’importantes variations d’impédance qui entraîneraient des changements de réponse en fréquence lorsqu’ils sont utilisés avec des amplis avec une impédance de sortie élevée (comme celle de l’ordinateur portable sur laquelle je tape ceci). Malheureusement, cependant, je préfère généralement le son d’un casque intra-auriculaire à armature équilibrée à un casque utilisant des pilotes dynamiques. Ainsi, lorsque j’utilise ce casque avec mon ordinateur portable, je connecte généralement un amplificateur externe ou un amplificateur de casque USB / DAC.
Je sais que cette explication est longue, mais l’impédance de sortie est un sujet compliqué. Merci de me suivre, et si vous avez des questions ou si je laisse quelque chose, envoyez-moi un e-mail et laissez-le moi savoir.
