Homepagina > © GoedGeluid.be > FAQ > I > Impedantie

Impedantie

donderdag 4 maart 2010, door wim

Een veelgebruikte en vaak slecht begrepen term in audio land is "impedantie". We zien het zowat in elke lijst van technische gegevens en velen denken dat het vooral belangrijk is bij luidsprekers (4 Ohm of 8 Ohm). Aan de ingangs- en uitgangsimpedanties van andere apparatuur wordt vaak veel minder aandacht geschonken, alhoewel die even belangrijk is.

De meesten onder ons hebben op school wel iets opgestoken over weerstand in een gelijkstroom schakeling. En vermits ook impedantie in Ohm gemeten wordt, nemen we dan maar aan dat het wel even simpel zal zijn, want dat hebben we op school geleerd. Alleen is een audio signaal wisselstroom en dat is heel wat complexer dan gelijkstroom. Bij wisselstroom komen ook begrippen als capaciteit, inductie, frequentie en reactantie om de hoek kijken. Bij gelijkstroom alleen weerstand.

Impedantie is de weerstand die een apparaat biedt aan de stroom van de wisselspanning die erdoor hoort te lopen. De eenheid ervan is, net als bij gelijkstroom, Ohm. Maar deze weerstand ontstaat door de combinatie van capaciteit en inductie en is afhankelijk van de frequentie.

Voor zover we met audio te maken hebben, is het voldoende het bereik van 20 Hz tot 20 KHz te bekijken. Hoogfrequent, zoals bij radio signalen wordt nl. nog een stuk ingewikkelder. Bij moderne audio is het bv. zo dat we de bekabeling tussen apparaten kunnen negeren in onze berekening, tenzij ze erg lang zijn of van mindere kwaliteit. De typische in- en uitgangsimpedanties van audio apparaten worden vandaag dan ook zo goed als helemaal bepaald door de schakelingen die in het apparaat zitten.

Historie

Wie gek is van "vintage" apparatuur is zeker gewend aan de specificatie 600 Ohm voor in- en uitgangen. Deze norm is afkomstig uit telefoon apparatuur. Voor de typisch zeer lange lijnen in een telefoon systeem, is 600 Ohm een ideale waarde, gedicteerd door de eigen impedantie van de zeer lange kabels. Bij de eerste telefoon systemen was ook alles passief en er moest dus ook genoeg stroom door de luidspreker van de telefoonhoorn gepompt kunnen worden. En die stroom moest dan weer opgewekt worden door een koolmicrofoon, die ook een behoorlijke stroom nodig had om te werken. Een systeem met een grotere weerstand zou dus niet werken en een veel lagere weerstand zou dan weer allerlei onderdelen overbelasten of te snel doen slijten. De eerste telefooncentrales liepen ook allemaal op lood-accu’s, dus stroomverbruik was een heel belangrijke element. En dat systeem is eigenlijk nooit essentieel veranderd tot in de jaren ’80, toen ISDN invoer vond. ISDN was dan ook ineens helemaal digitaal en dat is een heel ander verhaal.

Als de 600 Ohm ingang van een dergelijk systeem verbonden werd met de uitgang van een ander 600 Ohm systeem, spreken we van een aangepaste (Engels: "matched") impedantie. Eén eigenschap van strikte aanpassing is een verlies van - 6 dB aan spanning. Voor telefonie aanvaardbaar, voor audio niet ideaal. Zie hiervoor afbeelding 1:

Figuur 1 {GIF}

Toch heeft ook de audio sector tot de jaren ’70 gewerkt met 600 Ohm in- en uitgangsimpedanties. In de systemen van vandaag is die strikte aanpassing niet meer nodig. Nog steeds moet de uitgangsimpedantie gevolgd worden door een hogere ingangsimpedantie, maar dat is veel minder strikt dan vroeger. Daarom spreken we vandaag niet meer van impedantie aanpassing of "matching", maar eerder van overbrugging of "bridging". En daarvoor gebruiken we de vuistregel dat de ingangsimpedantie van de apparatuur die volgt op een bron, tien keer groter moet zijn dan de uitgangsimpedantie van de bron.

Veel moderne apparaten hebben een uitgangsimpedantie van zo’n 60 tot 300 Ohm en een ingangsimpedantie van 10 tot 100 KOhm. En dat voldoet ruimschoots aan de vuistregel. Zie hiervoor afbeelding 2:

Figuur 2 {GIF}

In dit voorbeeld is de verzwakking van het audio signaal kleiner dan -0,1 dB en dat komt vooral de signaal/ruis verhouding van de hele signaalketen ten goede. Met moderne apparaten is de signaal/ruis verhouding dan ook geen enkel probleem meer en ook frequentie bereik problemen door een foute impedantie aanpassing horen tot het verleden te behoren. Zelfs twee ingangen op één uitgang zorgen niet meer noodzakelijk voor problemen. Een eenvoudige weerstandsbrug kan ertussen opgenomen worden zonder dat er veel verlies of een misaanpassing ontstaat. Alleen bij erg lange kabels tussen de apparatuur is het nog steeds opletten geblazen, want dan kan de eigen capaciteit van de kabel nog wel eens meespelen. Dat uit zich dan in de eerste plaats in een verlies aan hoog en een toename van de ruis.

Goede symmetrische audio kabel heeft een capaciteit van zo’n 150 pF [Pico Farad] per meter. Combineer 10 meter van zo’n kabel met een 100 Ohm uitgangsimpedantie en het - 3 dB kantelpunt zit boven 2 MHz. Maar neem een microfoon met een uitgangsimpedantie van 600 Ohm en 100 meter kabel, en het - 3dB kantelpunt zit bij 33 KHz. En dat komt al gevaarlijk dicht bij de audio band. Zie afbeelding 3:

Figuur 3 {GIF}

Als je ’t zelf wil berekenen, de formule voor de berekening van het - 3 dB kantelpunt is de volgende:

Brekening {GIF}

Waar dit kabel effect veel meer speelt, is bij gitaar elementen. Dit zijn hoogohmige bronnen, die dan veelal ook nog asymmetrisch aangesloten worden. De impedantie ervan is zo’n 30 tot 80 KOhm bij 10 KHz. Bij de typische capaciteit van 150 pF per meter wordt een laagdoorlaat filter met een verlies van - 14 dB al gevormd bij vijf meter kabellengte. Daarom dat veel gitaristen de voorkeur geven aan actieve elementen, waar een kleine voorversterker zorgt voor een lage uitgangsimpedantie en niet zozeer een hoger signaal. En bij piëzo pickups, die een impedantie van enkele MOhm hebben, wordt dit effect nog veel sterker. Dan is het gebruik van kabel met een zeer lage eigen capaciteit (< 30 pF per meter, bv.) een noodzaak.

Microfoon impedantie

Ook bij microfoons is de eigen- of bron impedantie zeer belangrijk. Daarom streven de meeste fabrikanten er naar om die zo laag mogelijk te houden. Maar als we uitgaan van het voorbeeld van een gewone dynamische microfoon, dan is de bron impedantie in eerste instantie bepaald door het aantal windingen en de draaddikte van de microfoon spoel. Meer windingen geeft een hogere impedantie, maar ook meer signaal. Een grotere dikte geeft een kleinere bronimpedantie, maar dan weer meer massa, wat vooral de hoogweergave aantast. Het is voor de fabrikant dan ook zoeken naar een evenwicht tussen die drie basis parameters.

Condensator microfoons hebben zo’n hoge bron impedantie dat het gewoon ondenkbaar is om daar meer dan enkele centimeters kabel aan te hangen. Daarom zit in elke condensator microfoon een voor-voorversterker ingebouwd. Niet zozeer om meer signaal te produceren, wel om de eigen impedantie van de capsule, die enkele Giga Ohm bedraagt, terug te brengen tot werkbare waarden. Over ’t algemeen van enkele honderden Ohm tot enkele KOhm.

En bandmicrofoons zijn weer een heel ander verhaal, want die hebben een eigen impedantie van enkele Ohm tot hooguit enkele tientallen Ohm. Dat is ideaal, ook voor zeer lange kabels, maar jammer genoeg hebben ze ook een uitgangsniveau dat nog een stuk lager ligt dan gewone dynamische microfoons. Daarom hebben de meeste ribbon mics een transformator die de impedantie van het signaal vermenigvuldigen met bv. een factor 200. De impedantie gaat dan van 1 Ohm naar 200 Ohm en de output gaat van 0,01 mV naar 2 mV. Maar het kan even goed dat de impedantie van 10 Ohm naar 2 KOhm op getransformeerd wordt en dat is de reden dat sommige ribbon mics niet zo goed klinken met sommige preamps en dat er speciaal voor ribbon mics bedoelde preamps zijn met een hogere ingangsimpedantie.

De meeste microfoon preamps hebben een lagere ingangsimpedantie (600 Ohm tot 5 KOhm) dan de meeste andere apparatuur omdat ze werken met een heel klein ingangssignaal en om ruis te vermijden. Daarom wordt in dit geval de vuistregel aangepast: het is niet meer X 10, maar X 1,5 tot X 3. Vaak is daarom ook de ingangsimpedantie van een mic preamp instelbaar. Dan kan je zelf horen wat de impact ervan op een bepaalde mic is.

Dit artikel beantwoorden

SPIP | | Overzicht van de site | De activiteit van de site opvolgen RSS 2.0