Влияние ОС на входное и выходное сопротивления усилителя

Содержание

• 1 Введение
• 2 Эквивалентная схема активного двухполюсника
• 3 Сопротивление и внутреннее сопротивление
• 4 Родственные термины
• 5 Физические принципы
• 6 Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника
• 7 Нахождение внутреннего сопротивления 7.1 Расчёт
• 7.2 Измерение
• 7.3 Реактивное внутреннее сопротивление
• 7.4 Измерение сопротивления петли фаза-нуль

8 Применение

8.1 Упрощение эквивалентных схем

8.2 Согласование источника и нагрузки

8.3 Понижение высоких напряжений

8.4 Минимизация шума

9 Ограничения

10 Примеры

10.1 Малое внутреннее сопротивление

10.2 Большое внутреннее сопротивление

10.3 Отрицательное внутреннее сопротивление

11 См. также

12 Ссылки

13 Литература

14 Примечания

Введение[ | ]

Необходимость введения термина можно проиллюстрировать следующим примером. Сравним два химических источника постоянного тока с одинаковым напряжением:

• Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор с напряжением 12 вольт и ёмкостью 55 А·ч.
• Батарея из 8 гальванических элементов, например, типоразмера АА, соединенных последовательно. Суммарное напряжение такой батареи также 12 вольт, ёмкость значительно меньше — примерно 1 А·ч.

Несмотря на одинаковое напряжение, эти источники значительно отличаются при работе на одинаковую нагрузку. Так, автомобильный аккумулятор способен отдать в нагрузку большой ток (от аккумулятора заводится двигатель автомобиля, при этом стартер потребляет ток порядка 250 ), а от батареи элементов стартер вообще не станет вращаться, так как напряжение батареи при подключении к зажимам стартера упадёт до долей вольта. Дело не в относительно небольшой электрической ёмкости батареек: запасённой в ней энергии и заряде в один ампер-час хватило бы для того, чтобы вращать стартер в течение 14 секунд (при токе 250 А).

В соответствии с законом Ома в источниках с одинаковым напряжением ток в одинаковой нагрузке также должен быть одинаковым. В приведённом примере это не выполняется потому, что утверждение верно только для идеальных источников ЭДС

; реальные же источники в той или иной степени отличаются от идеальных. Для описания степени отличия реальных источников от идеальных применяется понятие
внутреннее сопротивление
.

Громкость наушников и расход энергии источника

Поскольку от сопротивления зависит громкость, на расход энергии батареи носителя это значение тоже влияет: если слушать музыку на максимуме, то высокоомные и низкоомные модели по-разному потратят энергию аккумулятора или смартфона.

Чем выше сопротивление — тем дольше будет «жить» аккумулятор девайса на одном заряде, будь-то смартфон, плеер или другой гаджет. Все потому, что высокоомные наушники тратят меньше тока, и от итоговой фактической громкости это не зависит.

У пользователей «тихих» смартфонов выбор наушников крайне ограничен, так как здесь есть только один вариант — это низкоомные «уши». Пользователи с гаджетами, которые оснащены достаточно мощным выходом (хотя бы 3 В), имеют возможность экспериментировать.

Здесь есть два оптимальных варианта:

• низкоомный, но с высоким SPL;
• менее чувствительный, но с импедансом побольше.

Так, если пользователь поменяет 16-омные наушники на 32-омные (к примеру, на спортивные ) батарея его гаджета продержится дольше.

Модели наушников могут звучать хорошо независимо от количества Ом. Но многое зависит от носителя. Для смартфона лучше подобрать низкоомный вариант. Чтобы батарея продержалась дольше, подойдет модель от 32 Ом. Для сведения аудиозаписей, а также мастеринга звуковых дорожек и прочей студийной работы стоит присмотреться к полноразмерным вариантам с большим импедансом. Если подключить низкоомную модель к студийной аппаратуре, громкость, конечно, усилится, а вот частотный баланс может нарушиться.

Импеданс наушников описывает сопротивление наушников в зависимости от частоты. В отличие от резистора, наушники могут иметь разный вид кривой импеданса.

Эквивалентная схема активного двухполюсника[ | ]

Реальные активные двухполюсники хорошо описываются математически, если их рассматривать как эквивалентную схему, состоящую из (см. рисунок) последовательно включённых генератора напряжения и сопротивления (в общем случае — импеданса). Генератор напряжения представляет собственно источник энергии, находящийся в этом двухполюснике. Идеальный генератор мог бы отдать в нагрузку сколь угодно большие мощность и ток. Однако сопротивление, включённое последовательно с генератором, ограничивает мощность, которую данный двухполюсник может отдать в нагрузку. Это эквивалентное сопротивление и называется внутренним сопротивлением

. Оно является лишь параметром абстрактной модели двухполюсника, то есть физического «резистора» как электронного компонента внутри двухполюсников обычно нет.

Формально, в реальных гальванических элементах это внутреннее сопротивление можно идентифицировать физически. Это суммарное сопротивление плюсового стержня (углерода, стали), самого корпуса (цинка и никеля), а также самого электролита (соли) и поглотителя водорода (в солевых элементах). Все эти материалы, как и поверхности раздела между ними, имеют конечное сопротивление, отличное от нуля.

В иных источниках это омическое сопротивление обусловлено сопротивлением обмоток и контактов, которое включено последовательно с собственно внутренним сопротивлением источника и снижают характеристики источников напряжения.

Контактные разности потенциалов имеют иную природу возникновения напряжения и являются неомическими, то есть здесь затраты энергии идут на работу выхода носителей заряда.

Характеристики наушников

Основными техническими характеристиками являются: частотный диапазон, чувствительность, сопротивление, максимальная мощность и уровень искажений в процентном соотношении.

Частотная характеристика. Эта характеристика влияет на качество звука наушников. Наушники с большим диаметром мембраны имеют повышенное качество звучания. Среднее значение частотной характеристики 18 Гц — 20 000 Гц. Некоторые профессиональные наушники имеют частотный интервал от 5 Гц до 60000 Гц. Наиболее широкий заявленный частотный диапазон у некоторых моделей достигает 5 Гц — 125 кГц.

Чувствительность. Чувствительность влияет на громкость звука в наушниках. Обычно наушники обеспечивают чувствительность не менее 100 дБ, при меньшей чувствительности звук может быть слишком тихим (особенно при использовании наушников с плеером или подобными устройствами). Наушники — «вкладыши» с малым диаметром мембраны обладают маломощным магнитом.

Сопротивление (импеданс). Здесь важно соответствие значения модуля полного электрического сопротивления наушников и выходного сопротивления источника звука. Большинство наушников рассчитано на сопротивление в 32 Ома. Наушники с сопротивлением в 16 Ом имеют повышенную излучаемую акустическую мощность. Для уменьшения акустической мощности(что увеличивает безопасность работы в наушниках) профессионалы используют наушники с максимальным значением сопротивления.

Максимальная мощность. Максимальная (паспортная) входная мощность обуславливает громкость звучания. Уровень искажений. Уровень искажений в наушниках измеряется в процентах. Чем меньше этот процент, тем лучше качество звучания. Приносимые наушниками искажения менее 1 % в полосе частот от 100 Гц до 2 кГц являются приемлемыми, тогда как для полосы ниже 100 Гц допустимо 10 %.

Сопротивление и внутреннее сопротивление[ | ]

Основной характеристикой абстрактного двухполюсника является его внутреннее сопротивление (или, иначе, импеданс[1]). Однако, описать двухполюсник одним только сопротивлением не всегда возможно. Дело в том, что термин сопротивление

примени́м только для чисто пассивных элементов, то есть, не содержащих в себе источников энергии. Если двухполюсник содержит источник энергии, то понятие «сопротивление» к нему просто не применимо, поскольку закон Ома в формулировке
U=I·r
не выполняется[2].

Таким образом, для двухполюсников, содержащих источники (то есть генераторы напряжения и генераторы тока) необходимо говорить именно о внутреннем

сопротивлении (или импедансе). Если же двухполюсник не содержит источников[3], то «
внутреннее
сопротивление» для такого двухполюсника означает то же самое, что и
просто
«сопротивление».

Зачем нужны разные показатели сопротивления у разных моделей?

Наушники разных типов отличаются по качеству звукоизвлечения: высокоомные звучат чуть лучше. Но дело тут не в сопротивлении как таковом, а в том, что усилитель посылает меньше тока, поэтому меньше искажает частотный сигнал.

Для портативных устройств —, мп-3 плееров и планшетов — лучше подбирать наушники, которые принадлежат к типу низкоомных. Если же наушники будут использоваться дома, например, подключаться к ПК или звуковой карте, подойдут высокоомные модели.

Дело в том, что у девайсов портативного типа на выходе ограничен уровень напряжения, а вот на ток ограничений нет. Из-за этого «раскачать» гаджет, чтобы выжать из него максимум мощности, можно только с низкоомными наушниками.

Напряжение устройств, которые принадлежат к типу стационарных, не так ограничено, поэтому можно получить отличную мощность, пользуясь высокоомными моделями. Усилителю такой вариант даст более благоприятную нагрузку. С импедансом наушников высокого уровня искажений в этом случае будет меньше.

Примечание:
для смартфона или лучше подобрать вариант до 50 Ом. Модель с показателем побольше подойдет, если у нее хороший запас чувствительности.
Само по себе сопротивление не влияет на звук (его громкость и качество), но отвечает за эти параметры в связке с SPL. От этого показателя зависит, насколько громко смогут звучать наушники. А вот сколько усилитель сможет выдать мощности — это прерогатива импеданса.

Если взять две пары наушников, у которых одинаковые показатели SPL, допустим 110 децибел на мегаватт, но одну модель — 16-омную, а другую — 150-омную, и подключить их к одновольтному плееру, то в каждом из двух случаев плеер зазвучит по-разному:

1. с низкоомной моделью — на 62 мВт;
2. с высокоомной — на 7 мВт.

Проще говоря, его усилитель не сможет выжать максимум из высокоомной модели.

Девайсы из разряда высокоомных используют с и Hi-End. Их подключают к усилителям или 24-битным студийным звуковым карточкам. Это дает более качественный и сбалансированный аудиосигнал. По этой причине модели с высоким импедансом используют звукорежиссеры кино и ТВ, диджеи. Они также применяются при мастеринге и сведении звукозаписи на проджект-студиях.

Совет:
хороший студийный вариант —. Кроме приличного импеданса, они порадуют отличной чувствительностью и широким диапазоном частот. Они звучат сбалансировано и детализированно.

Родственные термины[ | ]

Если в какой-либо системе можно выделить вход и/или выход (пара электрических контактов), то часто употребляют следующие термины:

• Входное сопротивление
  , часто
  входной импеданс
  , — внутреннее сопротивление, проявляемое этой парой контактов как двухполюсника, которым является
  вход
  системы [4]
• Выходное сопротивление
  , часто
  выходной импеданс
  , — внутреннее сопротивление, проявляемое этой парой контактов как двухполюсника, которым является
  выход
  системы.

Как измеряется импеданс

Для измерения импеданса сигнал подается цепочку из одного канала наушников и дополнительный резистор, где уровень сигнала оценивается в двух точках схемы. По разнице амплитуд сигнала при известном сопротивлении резистора определяется сопротивление наушников на заданной частоте.

Нашли опечатку в тексте?

Выделите и нажмите
Ctrl+Enter
. Это не требует регистрации. Спасибо.

Если вы хоть раз смотрели на коробку от наушников, то наверняка встречали такие термины, как диапазон воспроизводимых частот, чувствительность, мощность, импеданс. Значение первых трех известно практически каждому меломану, а вот, что такое импеданс знают далеко не все. Именно об этом понятии и пойдет речь.

С точки зрения научной терминологии, импеданс — это полное сопротивление наушников, то есть совокупность его активной и реактивной составляющих. Величина конечного сопротивления зависит от того, на какой частоте оно было измерено. Довольно часто на коробках с наушниками приводится значение только активного сопротивления, изредка полного, и то только на частоте 1 кГц. К сожалению, большинство производителей не указывают сопроводительные параметры измерений, и можно только догадываться, какой на самом деле импеданс в ваших наушниках.

К примеру, у вас есть динамические наушники. Указанные значения 16, 24, 32, 64 и т.д. Ом отображают лишь сопротивление катушки индуктивности динамика, а сопротивления самого провода, пайки штекера и контактов — не учитываются. В реальности полное сопротивление наушников на 1-3 Ома выше, причем между левым и правым каналом оно немного различается. Добросовестные производители обычно указывают, что заданный и реальный импеданс отличаются на 20-30%, и это вполне нормально. Хотя, с другой стороны, это сбивает с толку некоторых покупателей, которые расценивают погрешность как недостаток.

Физические принципы[ | ]

Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причём активное сопротивление, то есть резистор в нём присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не обязательно сосредоточено в каком-либо одном элементе. Двухполюсник лишь внешне ведёт себя

так, словно в нём имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности же, внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

• Если в двухполюснике имеется только источник энергии
  без какой-либо электрической схемы (например, гальванический элемент), то внутреннее сопротивление носит чисто активный характер (в низкочастотных цепях), и оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности, отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определённый предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты
  неэлектрической
  природы. Так, например, в химическом источнике мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.
• В случае двухполюсника, содержащего внутри электрическую схему
  , внутреннее сопротивление «рассредоточено» в элементах схемы (в дополнение к перечисленным выше механизмам в источнике).

Отсюда также следуют некоторые особенности внутреннего сопротивления:

• Внутреннее сопротивление невозможно убрать из двухполюсника[5]
• Внутреннее сопротивление не является стабильной величиной: оно может изменяться при изменении каких-либо внешних (нагрузка, ток) и внутренних (нагрев, истощение реагентов) условий.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Напряжение и ток

Чтобы понять, что такое импеданс важно иметь хотя бы общее представление о напряжении и токе. Вольтаж аналогичен давлению воды, в то время как ток является аналогом потока воды (например, галлонов/минуту). Если вы пустите воду из вашего садового шланга без насадки, вы получите большой поток воды и сможете быстро наполнить ею ведро, но давление у края шланга при этом будет практически равно нулю. Если же вы воспользуетесь небольшой насадкой, давление (напряжение) будет значительно большим, но поток воды уменьшится (потребуется больше времени, чтобы наполнить то же ведро). Эти две величины связаны обратной зависимостью. Высокое давление обычно соответствует малому потоку, и наоборот. То же самое справедливо и для напряжения/тока.

Насадки для шланга

Грубо говоря, импеданс аналогичен размеру насадки для шланга. Высокоомные наушники подобны узкой насадке. Чтобы получить больше воды, необходимо более высокое давление (напряжение). Низкоомные же наушники скорее соответствуют случаю наполнения ведра без насадки, требуя больший поток и не слишком высокое давление. Большая часть выходов под наушники хорошо годится либо

для первого,
либо
для второго случая, но не для обоих. Потому важно знать, с чем вы имеете дело, и соответствующим образом подбирать наушники.

Импеданс нагрузки (наушников)

Импеданс наушников — почему он важен, от чего зависит и на что влияет. Как выбрать наушники с оптимальным значением импеданса.
После интервью наибольшее количество вопросов было связано характеристикой сопротивления наушников. Рассмотрим, на что влияет характеристика и с чем ее едят. Для лучшего усвоения материала мы будем последовательно выпускать материалы, собирать вопросы и комментарии и двигаться дальше.

Прежде чем разобрать, на что и как влияет сопротивление наушников, разберемся, что это за заморская птица такая. И готовимся к тому, что здесь будут аж две формулы из стандартного школьного курса физики. Т.е. материал сложный и тяжелый.

Сопротивление

наушников часто называют как
импеданс
или
полным сопротивлением наушников
.

С точки зрения терминов, где под сопротивлением подразумевается только активная (резистивная) часть, под импедансом (полным сопротивлением) подразумевается совокупность активного и реактивного сопротивления. Вспоминая школьный курс физики, мы знаем, что к реактивному сопротивлению относится емкость и индуктивность.

Конечное сопротивление наушников зависит от того, на какой частоте измерено сопротивление. На коробках часто приводят только активное сопротивление или изредка значение, полученное на частоте 1 кГц. К сожалению, редко указывают сопроводительные параметры и можно только гадать, какое значение импеданса у наушников на самом деле.

Если речь идет о динамических наушниках, то значения в виде 16, 24, 32 Ом и т.п. означают сопротивление лишь катушки индуктивности динамика и не учитывают сопротивление провода, пайки контактов и штекера. В реальности сопротивление наушников обычно на 1-3 Ом выше и немного различается между правым и левым каналом. Наиболее добросовестные производители честно указывают, что точность указанного сопротивления составляет 20 или 30% и это нормально (бурно возражает на это только маркетолог, никакие погрешности на коробке приводить нельзя – «правда» убивает продажи).

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника[ | ]

Эффект внутреннего сопротивления является неотъемлемым свойством любого активного двухполюсника. Основной результат наличия внутреннего сопротивления — это ограничение электрической мощности, которую можно получить в нагрузке, питаемой от этого двухполюсника.

Если к источнику с ЭДС[6] генератора напряжения E

и активным внутренним сопротивлением
r
подключена нагрузка с сопротивлением
R
, то ток, напряжение и мощность в нагрузке выражаются следующим образом:

I = E r + R, U R = E r + R R, P R = E 2 ( r + R ) 2 R. {displaystyle I={frac {E}{r+R}},quad U_{R}={frac {E}{r+R}}{R},quad P_{R}={frac {E^{2}}{(r+R)^{2}}}{R}.}

Нахождение внутреннего сопротивления[ | ]

Расчёт[ | ]

Понятие расчёт

применимо к схеме (но не к реальному устройству). Расчёт приведён для случая чисто активного внутреннего сопротивления (отличия реактивного сопротивления будут рассмотрены далее).

Примечание

: Строго говоря, любой
реальный
импеданс (в том числе и внутреннее сопротивление) обладает некоторой реактивной составляющей, поскольку любой проводник имеет паразитную индуктивность и ёмкость. Когда мы говорим о чисто активном сопротивлении, то имеем в виду не реальную систему, а её
эквивалентную схему
, содержащую
только резисторы
: реактивность была отброшена как несущественная при переходе от реального устройства к его эквивалентной схеме. Если же реактивность существенна при рассмотрении реального устройства (например, при рассмотрении системы на высоких частотах), то эквивалентная схема составляется с учётом этой реактивности. Более подробно смотри в статье «Эквивалентная схема».

Пусть, имеется двухполюсник, который может быть описан приведённой выше эквивалентной схемой. Двухполюсник обладает двумя неизвестными параметрами, которые необходимо найти:

• ЭДС генератора напряжения U
• Внутреннее сопротивление r

В общем случае, для определения двух неизвестных необходимо сделать два измерения: измерить напряжение на выходе двухполюсника (то есть разность потенциалов Uout = φ2 − φ1

) при двух различных токах нагрузки. Тогда неизвестные параметры можно найти из системы уравнений:

U o u t 1 = U − r I 1 U o u t 2 = U − r I 2 {displaystyle {egin{matrix}U_{out1}=U-rI_{1}\U_{out2}=U-rI_{2}end{matrix}}}

(Напряжения)

где Uout1

— выходное напряжение при токе
I1
,
Uout2
— выходное напряжение при токе
I2
. Решая систему уравнений, находим искомые неизвестные:

r = U o u t 1 − U o u t 2 I 2 − I 1, U = U o u t 1 + I 1 U o u t 1 − U o u t 2 I 2 − I 1 = U o u t 1 + I 1 r {displaystyle r={frac {U_{out1}-U_{out2}}{I_{2}-I_{1}}},quad U=U_{out1}+I_{1}{frac {U_{out1}-U_{out2}}{I_{2}-I_{1}}}=U_{out1}+I_{1}r}

(ОбщийСлучай)

Обычно для вычисления внутреннего сопротивления используется более простая методика: находится напряжение в режиме холостого хода и ток в режиме короткого замыкания двухполюсника. В этом случае система (Напряжения) записывается следующим образом:

U o c = U − 0 0 = U − r I s c {displaystyle {egin{matrix}U_{oc}=U-0\0=U-rI_{sc}end{matrix}}}

где Uoc

— выходное напряжение в режиме холостого хода (англ. open circuit), то есть при нулевом токе нагрузки;
Isc
— ток нагрузки в режиме короткого замыкания (англ. short circuit), то есть при нагрузке с нулевым сопротивлением. Здесь учтено, что выходной ток в режиме холостого хода и выходное напряжение в режиме короткого замыкания равны нулю. Из последних уравнений сразу же получаем:

r = U o c I s c, U = U o c {displaystyle r={frac {U_{oc}}{I_{sc}}},quad U=U_{oc}}

(ВнутрСопр)

Таким образом, чтобы рассчитать внутреннее сопротивление и ЭДС эквивалентного генератора для двухполюсника, электрическая схема которого известна, необходимо:

• Рассчитать выходное напряжение двухполюсника в режиме холостого хода
• Рассчитать выходной ток двухполюсника в режиме короткого замыкания
• На основании полученных значений найти r
  и
  U
  по формуле (ВнутрСопр).

Измерение[ | ]

Понятие измерение

применимо к реальному устройству (но не к схеме). Непосредственное измерение омметром невозможно, поскольку нельзя подключить щупы прибора к выводам внутреннего сопротивления. Поэтому необходимо косвенное измерение, которое принципиально не отличается от расчёта — также необходимы напряжения на нагрузке при двух различных значениях тока. Однако воспользоваться упрощённой формулой (2) не всегда возможно, поскольку не каждый реальный двухполюсник допускает работу в режиме короткого замыкания.

Иногда применяется следующий простой способ измерения, не требующий вычислений:

• Измеряется напряжение холостого хода
• В качестве нагрузки подключается переменный резистор и его сопротивление подбирается таким образом, чтобы напряжение на нём составило половину от напряжения холостого хода.

После описанных процедур сопротивление резистора нагрузки необходимо измерить омметром — оно будет равно внутреннему сопротивлению двухполюсника.

Какой бы способ измерения ни использовался, следует опасаться перегрузки двухполюсника чрезмерным током, то есть ток не должен превышать максимально допустимого значениях для данного двухполюсника.

Реактивное внутреннее сопротивление[ | ]

Если эквивалентная схема двухполюсника содержит реактивные элементы — конденсаторы и/или катушки индуктивности, то расчет

реактивного внутреннего сопротивления выполняется также, как и активного, но вместо сопротивлений резисторов берутся комплексные импедансы элементов, входящих в схему, а вместо напряжений и токов — их комплексные амплитуды, то есть расчет производится методом комплексных амплитуд.

Измерение

реактивного внутреннего сопротивления имеет некоторые особенности, поскольку оно является комплекснозначной функцией, а не скалярным значением:

• Можно искать различные параметры комплексного значения: модуль, аргумент, только вещественную или мнимую часть, а также комплексное число полностью. Соответственно, методика измерений будет зависеть от того, что хотим получить.
• Любой из перечисленных параметров зависит от частоты. Теоретически, чтобы получить путём измерения полную информацию о реактивном внутреннем сопротивлении, необходимо снять зависимость
  от частоты, то есть провести измерения на
  всех
  частотах, которые может генерировать источник данного двухполюсника.

Измерение сопротивления петли фаза-нуль[ | ]

Результат измерения сопротивления петли фаза-нуль в розетке бытовой электросети
Частным случаем измерения внутреннего сопротивления является измерение сопротивления петли фаза-нуль

в электроустановках. Двухполюсником в этом случае является пара проводников электроустановки: фазный и рабочий нулевой проводники или два фазных проводника. На фотографии показан результат такого измерения в розетке бытовой электросети напряжением 220 вольт:

• активная составляющая: 0,49
• реактивная составляющая: 0,09
• модуль полного сопротивления: 0,5
• ожидаемый ток короткого замыкания: 440

Прибор находит внутреннее сопротивление путём косвенного измерения методом падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот метод рекомендуется к использованию в приложении D ГОСТ Р 50571.16-99. Метод описывается приведённой выше формулой (ОбщийСлучай) при I1=0

.

Результат измерения считается удовлетворительным, если ожидаемый ток короткого замыкания достаточно велик для надежного срабатывания аппарата, защищающего эту цепь от сверхтока.

Сопротивление — чем это может быть полезно?

1) Сопротивление катушки постоянному току обозначается буквой R.

Re — фактическое сопротивление катушки постоянному току. Именно это сопротивление увидит усилитель в двух случаях: когда катушка вне магнитного поля, когда катушка в состоянии покоя(не подведен ток, заклинила и т.п.). То есть, знать Re нужно только для этих вот случаев.

Измерить можно обычным мультиметром, но хороших их мало, а значит измерение в большинстве случаев будет совсем не точным. Правильно взять батарейку, на короткое время подключить к ней катушку и измерить силу тока+напряжение, а затем рассчитать Re как U/I.

Rnom — номинальное сопротивление катушки постоянному току.

Когда в любой заявке, будь то сопротивление, или мощность, или давление, или что-угодно еще, вы видите слово «номинальное» — знайте, это НЕ измеренный параметр, а приведенный, назначенный. Так, Rnom — часто это банально округленный в бОльшую сторону Re. То есть, заявка Rnom 2+2Ом на деле может означать и 1.1+1.1, и 1.9+1.9, и 1.1+1.9 Ом.

В хороших случаях, не лишенных смысла, и редких, Rnom = Zmin. Как вы понимаете, в остальных случаях знание Re или Rnom для не профессионала, в общем-то, бесполезно. Заявляя Rnom, подавляющее большинство производителей, с одной стороны, бережет вас от поломок, а с другой — вынуждает приобретать более дорогие усилители.

2) Индуктивное сопротивление обозначается буквой Z. В народе такое сопротивление называют «импеданс» («импеданс» в переводе с англ и значит «сопротивление»).

Во всех прочих случаях, кроме описанных выше, усилитель видит Z, а не R. Z — гораздо более сложный, комплексный параметр, который изменяется в зависимости от многих факторов. Однако, Z не бывает ниже Re, а выше — бывает почти всегда.

Zmin и Zmax — минимальное и максимальное сопротивление, которое увидит усилитель. Оба прямо или косвенно зависят от частоты, от хода, от мощности, от характера акустической нагрузки(и корпуса, и салона), от температуры, от конструкции динамика…

Имеет смысл измерять Z как для динамика вне оформления, так и в полностью готовой, законченной системе. Измерения проще всего выполнить путем измерения силы тока и напряжения, а затем вычислить Z через UI.

Оформление не может сделать Zmin ниже, чем то, что измерено на динамике вне оформления.

В ситуации, когда катушка стремится покинуть зазор, оба эти сопротивления устремляются к Re. Зная это, возможно определять и так контролировать величину хода, что полезно во множестве случаев.

Нет никаких вариантов «предположить» Z без фактических измерений — импеданс от системы к системе сильно отличается. Вопрос «а можно ли подключать пару DD812 в 0.25» звучит глупо и без измерений не имеет ответа.

Znom или номинальный импеданс — это очередная «заявка», сделанная с теми или иными целями. Иногда Znom=Zmin*1,15, в других случаях Znom=Zmin*1,3, ну а во многих случаях — от балды.

Z-характеристика.

Если измерить импеданс на каждой частоте, то на выходе получим «Z-характеристику динамика» или «Z-кривую» или «импедансную кривую». Зная Z-кривую, можно выяснить множество моментов, полезных для проектирования системы, от подбора усилителей и до проектирования корпуса. Дайте знать если вам интересно — сделаем отдельный пост.

Обратите внимание на комментарии к иллюстрациям.

3) Z и усилитель.

Взяли вы в руки динамик, измерили Zmin, и теперь подбираете к нему усилитель.

Мощность, как известно, является произведением силы тока на напряжение. Напряжение ведет к клипу, а ток ведет к перегреву — и то, и другое в перспективе плохо.

Т.к. напряжение и сила тока — оба описывают один и тот же процесс и не существуют друг без друга, то выбор усилителя достаточно прост. За одни и те же деньги вы выберете или надежность+меньшую мощность, или риск+большую мощность. Тут нет никаких иных вариантов, никаких чудодейственных иноземных рецептов.

Имея некий Z на частоте настройки ФИ, мы видим огромный рост ниже и выше, за которыми следуют глубокие спады. Кроссоверы сверх-высоких порядков что-то обрежут, а 1-4 порядки — нет. Поэтому, бюджетные усилители следует подбирать, ориентируясь на Zmin динамика вне оформления, а топовые модели с большим запасом в БП — ориентируясь на Z, найденный на частоте настройки.

Как мы можем менять Z? С одной стороны, можем выбирать сопротивление катушек, для того они и сделаны разными, с другой стороны — использовать один мощный или мост более слабых усилителей (в т.ч. «бразилию»).

Измерение Re — только 2 из 5 моих мультиметров показывают более-менее верное значение. Оба они стоят не 100р, да и то измеряют не сразу — приходится некоторое время ждать.

0.387/0.78 = 0.496 Ом. Вот так гораздо лучше. Для замера сгодится и пара мультиков за 100р каждый — дешево и сердито. Ну и попутно выяснили, что заявка катушек(Rnom) 1+1Ом — это именно Re. Честный Re, и, тем не менее, не Zmin.

Re этого динамика равен 0.5Ом. Посмотрите, как растет и как меняется импеданс на разной подведенной мощности на одной и той же частоте — от 2.8 и до 1.8Ом. И это не предел, тк динамик вытерпит гораздо больше.

Этот же разброс увидит и ваш усилитель. То есть, ориентироваться на маломощные измерения (а именно такие регламентированы большинством стандартов), определенно, не следует.

Современные теории, учитывающие реальную картину, сложны и не популярны, понятны лишь узкому кругу специалистов, как правило, занятых профессиональной разработкой АС. Если вы не один из них — проще измерьте Z-кривую своей системы сразу на максимальном используемом ходемощности и по полученным цифрам делайте выводы.

А это замер Z-кривой динамика в реальном оформлении. Тут, как видим, Z на частоте настройки(33Гц) равен 2.7Ом, а Zmin приходится на 63Гц и равен 2.1Ом.

Если выбирать усилитель в эту систему, то в случае с DD DM серией ориентироваться следует на [email protected]Гц, а в случае с DD M — на [email protected]Гц. То есть, с выбором в пользу DD M, получим либо серьезный запас в надежности, либо существенно больше мощности при равной надежности — и то, и другое очень неплохо! Ну а с выбором DD DM — неплохо сэкономим!

Если рассматриваете другие усилители, не DD, то картина в целом будет такой же — усилитель, который не боится больших токов, всегда надежнее. Усилитель с минимальной заявкой 2 Ом сработает тут на пределе своих возможностей, тогда как усилитель с заявкой 1Ом покажет очень большой запас.

К тому же, если фильтрами высоких порядков обрезать диапазон, к примеру, 30-50Гц, то и динамику, и усилителю будет работать гораздо проще, а значит и нагрузить оба можно больше при необходимости. От ящика к ящику такой диапазон будет меняться.

Пример Z-кривой для динамика вне оформления. Zmin — сопротивление, ниже которого усилитель видеть не будет.

То есть, пара таких динамиков и один усилитель, либо мост усилителей на один динамик — прям то, что доктор прописал))

И соответствующим образом планируем настройку оформления + фильтров. Zmax — на этой частоте ход максимален и получится ранний клип, Zmin — там катушка получит максимум тепла. Хорошо бы если оформление превратит слабые стороны в сильные 😉

Применение[ | ]

В большинстве случаев следует говорить не о применении

внутреннего сопротивления, а об
учете
его негативного влияния, поскольку внутреннее сопротивление является скорее негативным эффектом. Тем не менее, в некоторых системах наличие внутреннего сопротивления с номинальным значением является просто необходимым.

Упрощение эквивалентных схем[ | ]

Основная статья: Эквивалентная схема

Представление двухполюсника как совокупность генератора напряжения и внутреннего сопротивления является наиболее простой и часто используемой эквивалентной схемой двухполюсника.

Согласование источника и нагрузки[ | ]

Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения заданных свойств полученной системы (как правило, стараются достичь максимального значения какого-либо параметра для данного источника). Наиболее часто используются следующие типы согласования:

• Согласование по напряжению
  — получение в нагрузке максимального напряжения. Для этого сопротивление нагрузки должно быть
  как можно бо́льшим
  , по крайней мере,
  много больше
  , чем внутреннее сопротивление источника. Другими словами, двухполюсник должен быть в режиме холостого хода. При этом максимально достижимое в нагрузке напряжение равно ЭДС генератора напряжения
  E
  . Данный тип согласования применяется в электронных системах, когда носителем сигнала является напряжение, и его необходимо передать от источника к нагрузке с минимальными потерями.
• Согласование по току
  — получение в нагрузке максимального тока. Для этого сопротивление нагрузки должно быть
  как можно меньшим
  , по крайней мере,
  много меньше
  , чем внутреннее сопротивление источника. Другими словами, двухполюсник должен быть в режиме короткого замыкания. При этом максимально достижимый в нагрузке ток равен
  Imax=E/r
  . Применяется в электронных системах, когда носителем сигнала является ток. Например, при съеме сигнала с быстродействующего фотодиода целесообразно применять преобразователь ток-напряжение с минимальным входным сопротивлением. Малое входное сопротивление также решает проблему заужения полосы из-за паразитного
  RC
  -фильтра.
• Согласование по мощности
  — обеспечивает получение в нагрузке (что эквивалентно отбору от источника) максимально возможной мощности, равной
  Pmax=E²/(4r)
  [7]. В цепях постоянного тока: сопротивление нагрузки должно быть
  равно
  внутреннему сопротивлению
  r
  источника. В цепях переменного тока (в общем случае): импеданс нагрузки должен быть
  комплексно сопряженным
  внутреннему импедансу источника.
• Согласование по волновому сопротивлению
  — получение максимального коэффициента бегущей волны в линии передачи (в СВЧ технике и теории длинных линий). То же самое, что и
  согласование по мощности
  , но применительно к длинным линиям. Волновое сопротивление нагрузки должно быть
  равно
  внутреннему сопротивлению
  r
  . В СВЧ технике применяется практически всегда. Чаще всего термин согласованная нагрузка используется именно в этом смысле.

Согласование по току и мощности следует использовать с осторожностью, так как есть опасность перегрузить источник.

Понижение высоких напряжений[ | ]

Основная статья: Балласт (электротехника)

Иногда к источнику электропитания искусственно добавляют внешнее балластное сопротивление, соединённое последовательно с нагрузкой (оно суммируется с внутренним сопротивлением источника) для того, чтобы понизить получаемое от него напряжение, либо ограничить величину тока, отдаваемого в нагрузку. Однако добавление резистора в качестве дополнительного сопротивления (так называемый гасящий резистор

) во многих случаях неприемлемо, так как ведёт к бесполезному выделению значительной мощности на нём[8]. Чтобы не расходовать энергию впустую и не решать проблему охлаждения дополнительного сопротивления, в системах переменного тока используют реактивные гасящие импедансы. На основе гасящего конденсатора может быть построен конденсаторный блок питания. Аналогично, при помощи ёмкостного отвода от высоковольтной ЛЭП можно получить небольшие напряжения для питания каких-либо автономных устройств. Индуктивный балласт широко применяется для ограничения тока в цепи газоразрядных люминесцентных ламп.

Минимизация шума[ | ]

При усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители

, которые могут быть как низкоомные, например, на биполярных транзисторах, так и высокоомными на полевых транзисторах, однако спроектированы они таким образом, что наименьший коэффициент шума достигается лишь при полном согласовании выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления самого усилителя. Например, если источник сигнала обладает меньшим выходным сопротивлением (например, микрофон с выходным сопротивлением 30 Ом), то следует применить между источником и усилителем повышающий трансформатор, который повысит выходное сопротивление (а также напряжение сигнала) до необходимого значения.

Какой вид импеданса у разных наушников?

Внутриканальные наушники

Большинство внутриканальных динамических наушников

обладают ровной кривой импеданса и значение в 16, 24 или 32 Ом не имеют отклонений для частот от 20 до 20 кГц.

На графике по горизонтали указаны частоты, от 20 Гц до 20 кГц. По вертикали – сопротивление (в логарифмическом масштабе).

Полноразмерные динамические наушники

У полноразмерных динамических наушников

довольно часто можно встретить неравномерную кривую импеданса, с локальным подъемов в области низких частот и небольшим подъемом в области высоких частот.

Сопротивление может быть равно 32 Ом без учета реактивной части (условно, это 0 Гц, измеряется любым универсальным мультиметром), но на практике может быть вдвое выше на определенных частотах.

Неравномерность (подъемы) могут указывать как на резонансы, так и на конструктивные особенности излучателя в данном корпусе наушников. Так, при измерении сопротивления, частота и величина подъема может сильно меняться от того, лежат наушники свободно на столе, или одеты на манекен (в этом случае внутреннее пространство наушников задемпфировано).

У некоторых динамических наушников нет заметных резонансов или отклонений. Такая линия условна идеальна, но подбирать наушники таким путем не рекомендуется. В погоне за улучшением одной характеристики, приходится жертвовать другой. Среди наушников топ-класса можно встретить кривые импеданса как с минимальными отклонениями, так и со значительными. Если у наушников виден узкополосной подъем (на графике выше это Grado GS1000), то усилитель стоит подбирать с низким выходным сопротивлением для лучшего контроля низких частот (как к слову сделано у фирменного усилителя Grado RA1).

Изодинамические (ортодинамические) наушники

Помимо динамических излучателей широкое распространение сейчас получает изодинамический тип излучателя

(и его схожий тип — ортодинамический). У таких наушников всегда прямая линия импеданса. Изодинамические наушники сейчас выпускают: Abyss, Audez»e, HiFiMan, Oppo, Fostex. В советское время были наушники ТДС-5/м, ТДС-7, ТДС-15, ТДС-16 и ТДС-25. Сегодня для моделей ТДС-7 и ТДС-15 чаще всего делают моддинг.

Формально, это идеальная нагрузка для усилителя, однако в области ультравысоких частот (мегагерцы и гигагерцы) у некоторых моделей сопротивление снижается и стремится к нулю. Такое коварство на стандартном графике не увидеть и с некоторыми усилителями это может привести к некачественному режиму работы.

Внутриканальные арматурные наушники

Едва предсказуемо выглядит импеданс у внутриканальных наушников с арматурным излучателем

. Для однодрайверных моделей есть общая черта — всегда существует локальный подъем в области верхних средних частот (в районе 1-3 кГц) и в области самых высоких частот. Благодаря подъему в области высоких частот, большинство однодрайверных арматурных моделей «звучат чисто» в области высоких частот, т.к. в этой области частот усилитель дает меньше искажений.

В низкочастотной области обычно типовое сопротивление в виде 8, 16, 24 или 32 Ом. Выше 500 Гц начинаются подъемы. В случае, если указано сопротивление в 100 Ом на 1 кГц – то это не означает, что наушники высокоомные, их сопротивление может быть и всего 16 Ом по показаниям мультиметра (в области низких частот).

Гибридные и многодрайверные наушники

Нельзя предугадать кривую импеданса для многодрайверных

и
гибридных внутриканальных наушников
. Кривая импеданса может быть какой угодно выше 500 Гц. Просадка сопротивления может спокойно доходить до 4 Ом при заявленных 100 Ом на 1 кГц.

Общие выводы

• Сопротивление в реальности будет как на коробке
  , если наушники:
  Внутриканальные динамические
  или
  изодинамические
• Сопротивление в реальности будет как на коробке и обладать неизвестными подъемами
  , если наушники:
  Динамические накладные
  и п
  олноразмерные
• Сопротивление в реальности НЕ будет как на коробке
  , если наушники:
  арматурные
  или
  гибридные

Зачем собственно это все знать? Иногда производители усилителей и плееров указывают, какое сопротивление наушников будет совместимо и на эту информацию полезно ориентироваться.

Если надо узнать реальное сопротивление у арматурных или гибридных наушников, то можно попробовать поискать результаты измерений в интернет. Методы измерения импеданса обычно дают единый результат и не зависят от ПО со стендом или измерительного комплекса.

Примеры[ | ]

Значения внутреннего сопротивления относительны: то, что считается малым, например, для гальванического элемента, является очень большим для мощного аккумулятора. Ниже приведены примеры двухполюсников и значения их внутреннего сопротивления r

. Тривиальные случаи двухполюсников
без источников
оговорены особо.

Малое внутреннее сопротивление[ | ]

• Нулевым
  внутренним сопротивлением обладает только идеальный
  генератор напряжения
  . Если также рассматривать двухполюсники без источников, то сверхпроводящее короткое соединение тоже имеет нулевое внутреннее сопротивление (до величины токов, вызывающих потерю сверхпроводимости). Генератор со сверхпроводящей обмоткой при не слишком больших частотах и небольших токах также имеет активное внутреннее сопротивление, весьма близкое к нулю (индуктивный импеданс при определенных условиях может быть тоже довольно невелик).
• Автомобильная свинцово-кислотная стартерная аккумуляторная батарея имеет r
  около 0,01 Ом. Благодаря столь низкому внутреннему сопротивлению ток, отдаваемый батареей при запуске двигателя, достигает 250 ампер и более (для легковых автомобилей).
• Бытовая сеть электроснабжения переменного тока в жилых помещениях имеет r
  от десятых долей Ом до 1 Ом и более (зависит от качества электропроводки). Высокое сопротивление соответствует плохой проводке: при подключении мощных нагрузок (например, утюга) напряжение падает, при этом заметно уменьшается яркость ламп освещения, подключенных к той же ветви сети. Повышается пожароопасность, поскольку на сопротивлении проводов выделяется значительная мощность. И наоборот, в хорошей сети с низким сопротивлением напряжение падает от допустимых нагрузок лишь незначительно. Ток при коротком замыкании в хорошей бытовой электросети достигает нескольких сотен ампер.
• Используя отрицательную обратную связь в электронных схемах, можно искусственно создавать источники, обладающие (при определённых условиях) очень низким внутренним сопротивлением. Такими свойствами обладают современные электронные стабилизаторы напряжения. Например, интегральный стабилизатор напряжения 7805 (выходное напряжение 5 В) имеет типичное выходное сопротивление менее 0,0009 Ома[9]. Однако это вовсе не означает, что такой стабилизатор может отдать в нагрузку ток до 5500 А или мощность до 13 кВт при правильном согласовании. Характеристики стабилизатора нормированы только
  для рабочего диапазона токов, то есть в данном примере до 1,5 А. При превышении этого значения сработает защита, и стабилизатор отключится (при других конструкциях защиты ток ограничивается, а не отключается полностью).

Большое внутреннее сопротивление[ | ]

Обычно двухполюсники с большим внутренним сопротивлением — это различного рода датчики, источники сигналов и т. п. Типичная задача при работе с такими устройствами — снятие с них сигнала без потерь из-за неправильного согласования. Для достижения хорошего согласования по напряжению сигнал с такого двухполюсника должен сниматься устройством, имеющим ещё большее входное сопротивление (как правило, сигнал с высокоомного источника снимается при помощи буферного усилителя).

• Бесконечным
  внутренним сопротивлением обладает только идеальный источник тока. Если также рассматривать двухполюсники без источников, то простой разрыв цепи (два вывода, ничем не соединённые) тоже имеет бесконечное внутреннее сопротивление.
• Конденсаторные микрофоны, пьезоэлектрические и пироэлектрические датчики, а также все остальные «конденсаторо-подобные» устройства имеют реактивное внутреннее сопротивление, модуль которого может достигать[10] десятков и сотен мегаом. Поэтому такие источники требуют обязательного использования буферного усилителя для достижения согласования по напряжению. Конденсаторные микрофоны, как правило, уже содержат встроенный буферный усилитель, собранный на полевом транзисторе.
• Для измерения электрических потенциалов внутри живых клеток применяются электроды, представляющие собой стеклянный капилляр, заполненный проводящей жидкостью. Толщина такого проводника может быть порядка сотен ангстрем. Вследствие чрезвычайно малой толщины проводника такой «двухполюсник» (клетка с присоединёнными электродами) имеет внутреннее сопротивление порядка 100 мегаом. Высокое сопротивление и малое напряжение делают измерение напряжений внутри клетки непростой задачей.

Отрицательное внутреннее сопротивление[ | ]

Существуют двухполюсники, внутреннее сопротивление которых имеет отрицательное

значение. В обычном
активном
сопротивлении происходит диссипация энергии, в
реактивном
сопротивлении энергия запасается, а затем выделяется обратно в источник. Особенность отрицательного сопротивления в том, что оно само является источником энергии. Поэтому отрицательное сопротивление в чистом виде не встречается, оно может быть только имитировано электронной схемой, которая обязательно содержит источник энергии. Отрицательное внутреннее сопротивление может быть получено в схемах путём использования:

• обратной связи
• элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением, например, туннельных диодов

Системы с отрицательным сопротивлением потенциально неустойчивы и поэтому могут быть использованы для построения автогенераторов.

Варианты получения хорошего портативного звука

Если же идея получения качественного звука со смартфона вас по-прежнему не покидает, готовьтесь потратить свои кровные на приобретение внешнего.

Высокоомные наушники действительно звучат лучше

своих низкоомных собратьев и вот по какой причине. За счет высокого уровня сопротивления наушников, усилитель отдает меньше тока (при более высоком напряжении), а это предотвращает волновые искажения на его каскаде. Более того, наушники с большим сопротивлением имеют более равномерные амплитудно-частотные характеристики (следствие увеличенного количества витков на магнитной подушке динамика), а при условии низкого сопротивления и со стороны усилителя, АЧХ могут оставаться практически неизменными.

Еще одной альтернативой получения качественного звука является использование так называемых однодрайверных арматурных наушников

.

Внешне они ничем не отличаются от традиционных вкладышей, но имеют поднятый диапазон средних

и
высоких
частот, что обеспечивает «чистое и прозрачное» звучание.

Наконец, раз и навсегда решить проблему терзаний перед выбором наушников может покупка плеера с высоким уровнем выходного напряжения.

В отличие от смартфонов и недорогих плееров, в Hidisz

установлен мощный предусилитель. Преимущество на лицо:
2,2 В
против
100-150 мВ
у смартфона. Использование подобных плееров открывает перед меломаном широкий ассортимент высокоомных наушников с настоящим качественным звучанием.

Не каждый знает, что импеданс наушников

представляет собой сопротивление при входе.

Как раз от этого параметра будут варьироваться прочие технические характеристики. Нужно смотреть на значение импеданса, поскольку более низкий, который равняется менее, чем 25 Ом, не нуждается в большом объеме энергии. Получается, чтобы высокое качество воспроизводилось на ура, не потребуется слишком много энергетических затрат. Подобное приспособление прекрасно подойдёт для мобильников или же плееров. Понятно, если использовать более мощные наушники, то им потребуется гораздо больше энергии. Импеданс подобных изделий превышает 25 Ом. Следует отметить, что данное сопротивление способно наилучшим образом защитить от перегрузок. Если сопротивление превышает 25 Ом, то спектр устройств, с которыми можно применять наушники, особенно возрастает.

Для наушников, которыми пользуются ди-джеи, требуется применять более мощные модели с высоким сопротивлением. Если же рассматривать приспособления с низким импедансом, то важно отметить, что они более восприимчивы к повреждениям, особенно, если применяются мощные усилители.