Problemy z dopasowaniem impedancyjnym słuchawek i wzmacniaczy słuchawkowych

W artykule z podstawowymi informacjami dotyczącymi słuchawek i ich wyboru wspomnieliśmy, że brzmienie może się bardzo wyraźnie zmieniać w zależności od wzmacniacza, który będzie sterował nasze słuchawki. Zaleciliśmy by nie opierać oczekiwań względem wzmacniaczy słuchawkowych na doświadczeniach z użytkowania domowych wzmacniaczy hi-fi sterujących kolumny. Główną przyczyną powodującą wspomniane różnice brzmieniowe są parametry impedancyjne wzmacniaczy słuchawkowych i słuchawek.

Kolumny kontra słuchawki - porównanie współpracy ze wzmacniaczem

Zarówno w przypadku słuchawek jak i kolumn wskazane jest by impedancja wyjściowa wzmacniacza była znacznie mniejsza niż impedancja podłączonego obciążenia, a konstrukcje celowo odbiegające od tej reguły są rzadkością.

Zagwarantowanie płaskiej charakterystyki przenoszenia jest głównym powodem, dla którego stawiamy wspomniane wymaganie dotyczące proporcji impedancji. Wielkość napięcia na wejściu kolumn czy słuchawek zawsze zależy od proporcji pomiędzy impedancją źródła, a impedancją obciążenia. Można powiedzieć, że elektryczna charakterystyka przenoszenia śledzi charakterystykę impedancji obciążenia. Tam gdzie impedancja obciążenia (kolumny/słuchawki) ma wzgórek krzywa charakterystyki się podnosi, a tam gdzie impedancja ma dolinę charakterystyka przenoszenia opada. Zafalowania są tym większe im większa jest impedancja wyjściowa wzmacniacza w stosunku do impedancji podłączonych kolumn/słuchawek.

Zróbmy krótki przegląd spotykanych na rynku parametrów kolumn, słuchawek i sterujących je wzmacniaczy. Dzięki temu będziemy mieli orientację jak teoria przekłada się na praktykę.

Zacznijmy od impedancji nominalnych. Dla kolumn zazwyczaj mieszczą się one w przedziale 4-8Ω. Dla słuchawek w przedziale 16-600Ω. Natomiast impedancje wyjściowe wzmacniaczy są silnie zróżnicowane i nie ma żadnych szerzej stosowanych w praktyce norm. Zdecydowana większość wzmacniaczy do kolumn ma impedancje wyjściowe wyrażone w ułamkach oma, często poniżej 0,1Ω. Wzmacniacze do kolumn o impedancjach wyjściowych na poziomie kilku omów to mało liczna nisza. Zupełnie inaczej wygląda to we wzmacniaczach słuchawkowych. Chociaż sporo ma impedancję wyjściową wyrażoną w ułamkach oma (dotyczy to zwłaszcza droższych modeli), to jednak bardzo dużo jest też urządzeń o impedancjach o wielkości od kilku do kilkudziesięciu omów. A więc w przypadku słuchawek mamy dużo większe zróżnicowanie proporcji impedancji. Co szczególnie istotne, całkiem częste są sytuacje gdy impedancje wyjściowe wzmacniaczy słuchawkowych są zbliżone czy nawet większe od impedancji podłączonych słuchawek - to jest właśnie ta zasadnicza różnica w stosunku do kolumn.

Dokładniejsza analiza impedancji słuchawek

Sama impedancja nominalna to nie wszystko, liczy się też kształt krzywej. Zazwyczaj słuchawki mają mniej pofałdowane charakterystyki impedancji niż kolumny, ale to tylko uśrednienie.

Typowa charakterystyka impedancji słuchawek dynamicznych to łagodnie pofałdowana krzywa. Modele o konstrukcji otwartej mają zwykle bardziej uwydatniony wzgórek z zakresie basu, a modele zamknięte zazwyczaj mają w tym rejonie bardziej płaską charakterystykę. Na wysokich częstotliwościach impedancja rośnie ze względu na indukcyjność cewek przetwornika. Rozpiętość pomiędzy minimum a maksimum impedancji zazwyczaj nie jest duża i wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu procent.

Słuchawki ortodynamiczne (planarne) mają nieraz niemal zupełnie płaskie charakterystyki impedancji. Jest to możliwe dzięki temu, że kształt przewodników na membranie z reguły zapewnia bardzo niską indukcyjność (choć są wyjątki) i impedancja przetwornika jest zbliżona do czystej rezystancji.

Natomiast słuchawki armaturowe mają zwykle silnie pofałdowane charakterystyki impedancji. Maksimum często bywa kilka razy większe od minimum, można znaleźć modele o minimum w okolicach 10Ω i maksimum w okolicach 100Ω.

Sam typ konstrukcji przetwornika nie określa jednoznacznie kształtu krzywej impedancji. Oprócz tego często na charakterystykach możemy spotkać inne zafalowania, zwłaszcza te związane z rezonansami w konstrukcji słuchawek. Kolejne często spotykane źródła zafalowań to filtry celowo implementowane przez konstruktorów.

Skala zmian charakterystyki przenoszenia powodowanych przez niewłaściwe dopasowanie impedancji

Jeśli wzmacniacz słuchawkowy ma wystarczająco niską impedancję to elektryczna charakterystyka przenoszenia na wejściu słuchawek będzie niemal dokładnie płaska, z minimalnymi, nieistotnymi odchyleniami. Można w przybliżeniu przyjąć, że 2Ω to granica zapewniająca dobrą współpracę wzmacniacza słuchawkowego ze wszystkimi spotykanymi obciążeniami. Nawet jeśli impedancja wyjściowa wzmacniacza jest większa, ale mimo wszystko znacznie mniejsza od impedancji słuchawek (na przykład wzmacniacz 20Ω a słuchawki 600Ω) to w dalszym ciągu nie będzie problemu.

Ale gdy obie impedancje są podobne, a impedancja słuchawek jest zmienna, to zafalowania charakterystyki mogą mieć dużą rozpiętość. Dla ilustracji prezentujemy tabelę, gdzie przedstawione są przykładowe wielkości zafalowań charakterystyki (rozpiętość pomiędzy minimum a maksimum) dla różnych impedancji wyjściowych wzmacniacza oraz różnych kombinacji minimalnych/maksymalnych wartości impedancji słuchawek.

Wszystkie warianty z tabeli są jak najbardziej możliwe do spotkania w praktyce. Wybrane tu przykładowe wartości liczbowe są w gruncie rzeczy dość typowe. Gdybyśmy celowo wyszukali spośród dostępnych na rynku modeli niekorzystną kombinację wzmacniacza i słuchawek to zafalowanie charakterystyki osiągnęłoby kilkanaście decybeli.

Pogorszenie współczynnika tłumienia

O współczynniku tłumienia mówimy głównie w przypadku wzmacniaczy sterujących kolumny, ale zjawisko dotyczy też słuchawek. Tu też wysoka impedancja wyjściowa wzmacniacza popsuje ten współczynnik. Możemy się spodziewać, że w pierwszej kolejności będzie to rzutowało na jakość brzmienia niskich tonów.

Straty mocy

Kolejną wadą wysokiej impedancji wyjściowej wzmacniacza słuchawkowego są zazwyczaj straty mocy. Wysoka impedancja zwykle wynika z zastosowania na wyjściu rezystora. Na tym rezystorze tracona jest moc. W sprzęcie stacjonarnym nie ma to poważnego znaczenia, ale w sprzęcie przenośnym już nie można tego ignorować.

Tendencje na rynku

Warto zwrocić uwagę, że rynek nie zawsze wyglądał tak samo, spore zmiany nastąpiły wraz z rozpowszechnieniem przenośnych odtwarzaczy plików. Wzrosła popularność słuchawek w ogóle, ważniejsze stało się ich przystosowanie do urządzeń zasilanych bateryjnie, a poza tym pojawiło się znacznie więcej ambitnych konstrukcji przeznaczonych do użytku przenośnego. Co ciekawe wzrosła też równolegle oferta ekskluzywnych słuchawek i wzmacniaczy słuchawkowych do użytku domowego.

Ponieważ w urządzeniach bateryjnych wskazane jest stosowanie niższych napięć korzystniejsze jest stosowanie słuchawek niskoimpedancyjnych. Dawniej sytuacja wyglądała inaczej, bo w sprzęcie stacjonarnym nieco łatwiej optymalizuje się systemy bazujące na słuchawkach wysokoimpedancyjnych. Przed rozwojem rynku przenośnego audio wyjścia wzmacniaczy słuchawkowych o wysokich impedancjach były mniej kłopotliwe, bo i same słuchawki miały częściej wyższe impedancje.

Powody stosowania wysokich impedancji wyjściowych wzmacniaczy słuchawkowych

Nasuwa się pytanie czemu wysoka impedancja wyjściowa wzmacniaczy słuchawkowych jest tak chętnie stosowana pomimo opisanych wad tego rozwiązania. Zacznijmy od tego, że zazwyczaj nie wynika to z żadnej konieczności technicznej. Właściwości zdecydowanej większości stosowanych układów elektronicznych same z siebie nie wymuszają dużej wielkości impedancji wyjściowej. Impedancja ta jest celowo ustalana przy pomocy rezystorów podłączonych do wyjścia. Jak się łatwo domyślić taka praktyka musi mieć jakieś zalety i faktycznie jest ich kilka.

Duży rezystor stanowi prymitywne, ale skuteczne zabezpieczenie przeciwzwarciowe dla wzmacniacza.

Kiedy wzmacniacz słuchawkowy ma większą moc to obecność rezystora podnosi też bezpieczeństwo niskoimpedancyjnych słuchawek o małej mocy. Co prawda ryzyko, że użytkownik ustawi niebezpieczną głośność w normalnym użytku jest małe, ale przecież nietrudno sobie wyobrazić, że ktoś przekręci pokrętło głośności akurat w chwili gdy słuchawki nie są umiejscowione na/w uszach.

Można też zaimplementować wyjście słuchawkowe we wzmacniaczu przeznaczonym głównie do sterowania kolumn i zrobić to bez jakichkolwiek dodatkowych układów elektronicznych. Wystarczy, że wyjście słuchawkowe podłączymy przez większy rezystor do wyjścia głośnikowego oraz zainstalujemy przełącznik pozwalający skierować sygnał bądź to na kolumny bądź na słuchawki. Rezystor jest w takim układzie niezbędny, bo bezpośrednie sterowanie słuchawek z wyjścia dla kolumn byłoby niekomfortowe i niebezpieczne. Rozwiązanie jest proste i tanie, a użytkownik ma do dyspozycji dodatkową funkcję. No ale wysoka impedancja wyjściowa jest w takim układzie nieunikniona.

Rezystor przydaje się też gdy konstrukcja wzmacniacza jest bardzo oszczędnościowa. Jeśli zastosowano układ o bardzo małych możliwościach to rezystor ograniczy oddawaną moc i zabezpieczy przed przesterowaniem przy podłączeniu niskoimpedancyjnych słuchawek. Oczywiście technicznych koszt tego zabezpieczenia jest wysoki, bo nieduża dostępna moc będzie w dużej mierze zmarnowana na rezystorze, no ale czasami wybiera się taki kompromis by zminimalizować ryzyko wyraźnych przesterów czy usterki.

Ustalenie wartości impedancji

Na koniec trzeba wspomnieć o jeszcze jednym problemie. Jak widać znajomość impedancji wyjściowej wzmacniacza słuchawkowego oraz charakterystyki impedancji słuchawek to bardzo cenne informacje. Niestety nie mamy gwarancji, że będą one zawsze dostępne. W specyfikacjach słuchawek zazwyczaj mamy tylko impedancję nominalną, co daje nam niepełną informację. Niestety niektórzy producenci nie podają nawet impedancji nominalnej. Impedancje wyjściowe wzmacniaczy słuchawkowych są w specyfikacjach pomijane jeszcze częściej. Kiedy nie ma danych w karcie katalogowej producenta warto ich poszukać w innych źródłach.