Jak je to s impedancí?

V současné době existuje na trhu celá řada nejrůznějších hudebních aparatur. Jejich výrobci se honosí mnohdy až neuvěřitelnými technickými parametry a jsou za ně jsou schopní z muzikanta vytáhnout nemalé částky. Nesprávným zapojením (přizpůsobením vstupní a výstupní impedance) mohou však tyto parametry být ty tam. Popíšeme si zde proto celý signálový řetězec od samotného začátku (zdroje) až po jeho konec a řekneme si, kde se s jakou hodnotou impedance můžeme setkat a jak lze zařízení mezi sebou vzájemně impedančně přizpůsobit.

Na úvod špetka teorie

Impedance je kmitočtově (viz. kapitola Vstupy a výstupy) závislý odpor. Má kromě reálné (činné) složky R (nezávislé na kmitočtu) také imaginární kmitočtově závislou (jalovou) složku X. Impedance se značí písmenem Z a jednotkou je stejně jako u elektrického odporu Ohm (´). Z fyziky víme, že pasivní elektronické součástky jako cívka a kondenzátor se ve střídavém elektrickém obvodu chovají tak, že jejich odpor (impedance) je závislý na frekvenci napětí či chcete-li proudu. Tato vlastnost se nazývá indukční nebo kapacitní reaktance.

Indukční reaktance X_L je dána ze vztahu:

, kde ... je úhlová frekvence.

Kapacitní reaktance se vypočítá:

Kde:

Tyto vzorce pro vaši hudební kariéru nejsou zas až tak podstatné. Z uvedených vzorců je však patrné, že výsledná hodnota indukční reaktance X_L je součin hodnot 2 , indukčnosti L (H) a frekvence f (Hz). L (viz předchozí) a C (kapacita) jsou veličiny, které nám popisují fyzikální vlastnosti cívky a kondenzátoru.

Znamená to, že při konstantní hodnotě L bude platit: čím vyšší bude frekvence, tím bude i vyšší hodnota výsledné reaktance. Při dvojnásobné frekvenci bude i dvojnásobná reaktance. U kondenzátoru to platí opačně. Jelikož se jedná o převrácenou hodnotu, bude při dvojnásobné frekvenci výsledná hodnota kapacitní reaktance rovna polovině. Pokud máme takový obvod, v němž se samostatně nachází jen cívka nebo kondenzátor, bude výsledná impedance teoreticky rovna hodnotě jejich reaktance X_L nebo X_C. Teoreticky proto, jelikož tyto vztahy vycházejí ze skutečnosti, že používáme ideální součástky. V praxi se však setkáme vždy jen s technickou cívkou a kondenzátorem. Ideální cívka je taková, která má ve stejnosměrném obvodu nulový odpor a kondenzátor nekonečný (R). Zatímco odpor kondenzátoru je zdánlivě zanedbatelný (je opravdu téměř nekonečně veliký), s odporem cívky musíme počítat. Každá cívka má totiž kromě imaginární složky indukční reaktance X_L rovněž i činný odpor R. Ten je dán vodivými vlastnostmi drátu (mědi), jeho průřezem a délkou. Potom by výsledná impedance byla rovna součtu reálného odporu R a reaktance X_L. Aby to nebylo zas až tak jednoduché, balí na sebe tyto součástky ještě další nectnosti, a tím je bezesporu fázový posun. Pro cívku platí, že nejprve se na jejím konci objeví napětí, a potom projde proud. U kondenzátoru toto platí jak jinak než opačně. Čili nejdřív projde proud, a potom se objeví na jeho koncích napětí. Úhel, o nějž se fáze posouvá, se značí a jeho hodnota je 90°. Vzhledem k tomu, že i jednotlivé složky R a X_L jsou o tento úhel posunuty, je nutné je sčítat vektorově. Výsledná tzv. absolutní impedance se tedy vypočítá podle Pythagorovy věty:

V hudební elektrotechnice se setkáme s nejrůznějšími konstrukčními variantami cívek, tzn. mají různé poměry reálné a imaginární složky. Pokud budeme mít v signálové cestě cívku s velikou hodnotou X_L (např. kytarový snímač) bude výpočet velikosti impedance značně rozdílný pro frekvenci 20 Hz a 20 kHz.

Pro zachování pokud možno co nejlepší frekvenční linearity musíme proto počítat s její nejvyšší hodnotou. Pokud však máme takovou cívku, jejíž složka X_L je proti jejímu reálnému odporu R zdánlivě zanedbatelná (např. dynamický mikrofon), vztahuje se její výsledná impedance k nějaké střední hodnotě frekvence (zpravidla to bude 1 kHz pokud není uvedeno jinak).

Kmitočtové závislosti odporu cívky a kondenzátoru lze využít u filtrů a korekčních obvodů. Typickým příkladem takového filtru je pasivní reproduktorová výhybka. Zapojíme-li cívku a kondenzátor do série (za sebou), vytvoříme jednoduchý kmitočtově závislý dělič. Budeme-li odebírat signál z cívky, bude to znamenat, že od určitého kmitočtu (dělícího) nám vyšší frekvence projdou snadněji do zátěže (reproduktoru) a nižší hůř. Budeme-li tento signál odebírat z kondenzátoru, bude toto platit obráceně. Zapojíme-li jen cívku do série s basovým reproduktorem, vytvoříme tak nejjednodušší filtr dolní frekvenční propusti. Z konstrukčního hlediska je na takovou cívku kladen nárok, aby hodnota jejího činného odporu R byla pokud možno co nejmenší (zanedbatelná). Potom bude platit, že pro dvojnásobnou frekvenci bude dvojnásobná impedance. V takovém případě hovoříme o strmosti 6 dB na oktávu (např. v rozmezí 440 Hz až 880 Hz, což je jedna oktáva, se nám impedance zdvojnásobí). Na obrázku 1 a 2 jsou obvodová schémata jednoduchého filtru horní a dolní propusti. Cívka L v sérii se zatěžovacím odporem R (dolní propust - obr. 1). Kondenzátor C v sérii se zatěžovacím odporem R (horní propust - obr. 2). Funkci filtru podle obrázku 1 si můžeme představit jako síto, přes které chceme prosít písek s různou velikostí částic. Velikost částic nám bude představovat velikost frekvence a jeho otvory dělící kmitočet. Malé částice projdou, střední s určitým odporem a veliké nikoliv.

V korekčních obvodech u předzesilovacích stupňů se dnes již s LC obvody setkáme jen zřídka. Kromě vlastního útlumu a problémů s fázovým posunem je jejich hlavní nevýhodou malá strmost.

K dosažení větší strmosti je nutné složitější serioparalelní zapojení RLC součástek. Proto byly filtry nahrazeny aktivními či digitálními. Jak již bylo uvedeno, jsou v audiotechnice stále ještě oblasti, kde se s těmito součástkami setkáváme.

Vstupy a výstupy

Začněme pěkně od začátku, od samotných zdrojů signálu, tedy od hudebních nástrojů. Hudební nástroj, ať už akustický nebo elektrický, je pouze zdrojem signálu, který je poté snímačem, mikrofonem či přímo elektronikou uvnitř vyveden na jeho výstupní konektor - výstupní veličinou je zde napětí, měnící se (kmitající) dle akustického signálu. Ten je pak kabelem připojen na vstup dalšího zařízení. V technických dokumentacích se setkáme vždy s hodnotou vstupní a výstupní impedance. Je to v podstatě hodnota odporu (impedance) mezi signálem a zemí. U symetrických zapojení se jedná o hodnotu dvou signálu (+ a -) proti sobě. U výstupů se můžeme rovněž setkat s parametrem označeným: minimum load impedance. Jedná se o minimální hodnotu vstupní impedance, jakou by mělo mít další připojené zařízení na tento výstup. Z hlediska impedance lze vstupy zařízení rozdělit na: nízkoimpedanční (mikrofoní, linkové) a vysokoimpedanční (nástrojové). A právě těm se budeme věnovat jako prvním. Poznámka: vše, co bude nadále uvedeno pro elektrické kytary, platí rovněž pro baskytary.

Elektrická kytara

Řekli jsme si, že kytarový snímač je v podstatě cívka. Podívejme se ale na takový snímač jako na zdroj napětí (signálu). Snímač dokáže produkovat poměrně velké napětí. Hodnota tohoto napětí je asi 0,5 až 1 volt. U velmi silných snímačů typu humbucker dosahuje ve špičkách až 1,5 voltu. Díky svému velkému vnitřnímu odporu, zhruba 3 až 15 k´, není schopen dodávat dostatečný proud. O takovém zdroji říkáme, že je napěťového charakteru. Když k jeho reálnému odporu, který je dán pouze odporem vinutí, připočteme jalovou složku indukční reaktance, dostaneme poměrně vysokou hodnotu impedance. Jelikož je tato složka kromě kmitočtu závislá i na indukčnosti L, která je u takového snímače zhruba 2 až 10 henry, bude výsledná impedance pro kmitočet 20 kHz řádově v desítkách až stovkách kiloohmů. Pokud bychom tedy kytaru, osazenou jen pasivním snímačem, připojili přímo do linkového vstupu, jehož vstupní impedance bude jen 10 k´, bude to znamenat značný úbytek napětí (vstup se pokusí odebrat ze snímače větší proud, než je snímač schopen dodat, a tím klesne výstupní napětí), a díky složce X_L i ovlivnění přenášené frekvenční charakteristiky. To znamená, že díky malé vstupní zátěži projde téměř celý signál jakoby do zkratu a nebude nadále již co zpracovávat. Aby k tomu nedocházelo, zapojíme mezi kytarový snímač a linkový vstup další zařízení, tzv. impedanční transformátor (převodník). Jedná se o speciální zapojení zesilovače, který se na vstupu chová jako obvod s velmi vysokou vstupní impedancí a na svém výstupu se chová jako zdroj s velmi nízkou impedancí. Čili bude schopen zásobit další obvody i s relativně nízkou impedancí dostatečným proudem, aniž by docházelo ke zmíněnému úbytku napětí. Takový převodník nejen upraví poměry napětí a proudu signálu pro jeho další zpracování, ale rovněž oddělí obvod s indukční reaktancí (snímačem) od vstupního obvodu dalšího zařízení. Díky tomu další regulační prvek na jeho vstupu (gain) již nebude ovlivňovat frekvenční charakteristiku, jako je tomu u kytarového potenciometru volume, nýbrž bude zesilovat a zeslabovat signál v celém jeho pásmu rovnoměrně. Takovým převodníkem je např. aktivní elektrika v kytaře, ale tyto obvody obsahují rovněž všechny nástrojové vstupy. Impedance nástrojových vstupů se pohybuje okolo hodnoty 1 M´. Bývají označovány jako Hi-Z, instrument input apod. Některé nástrojové aparatury mívají dva vstupy označované jako High a Low. Neznamená to silnější a slabší, i když se tak mohou chovat, ale právě jde o impedanci. High je určen pro přímé připojení kytary a Low použijeme tehdy, jestliže máme v signálové cestě nějakou krabičku, multiefekt s linkovým výstupem nebo když máme nástroj opatřen aktivní elektrikou.

Mikrofonní a linkové vstupy

Signál z mikrofonu je velmi slabý a je potřeba ho pro další zpracovávání zesílit. K tomu slouží mikrofonní předzesilovače, které jsou speciálně konstruovány na zpracovávání mikrofonního signálu. Jejich úkolem je převést symetrický signál na nesymetrický signál (proti zemi), zesílit a na výstupu impedančně přizpůsobit na linkovou úroveň. Impedance takových vstupů bývá okolo 2 až 5 k´. U kondenzátorových mikrofonů bývají impedanční převodníky přímo součástí mikrofonu. Výstupní impedance mikrofonů bývá jen několik stovek ohmů. Zde je nutné sledovat parametr Minimum Load Impedance udávaný výrobcem mikrofonu. Další kategorií jsou piezoelektrické snímače. Tyto snímače zpravidla výrobci přímo opatřují elektronikou, která se stará o ošetření signálu z takového snímače a bývá přímo součástí nástroje. Výstup pak může být řešen klasickým linkovým výstupem na TRS konektoru, ale rovněž se setkáme s provedením XLR konektoru.

Nyní k linkovým vstupům. Jejich impedance bývá okolo 10 k´, ale setkáme se i s přístroji s hodnotou vstupní impedance vyšší (např. 50 k´). Na výstupech bývá tato hodnota jen několik desítek nebo stovek ohmů. Se zařízením s linkovou vstupní nebo výstupní úrovní se setkáme nejčastěji. Jedná se o veškeré konektory opatřeny popisem Line In, Line Out. Tyto lze mezi sebou vzájemně libovolně propojovat. Zde hlídáme jen parametry udávající se v jednotkách dBV a dBu. Jsou to parametry, značící úroveň vstupního nebo výstupního signálu.

Složitější varianty zapojení

Signálová cesta bývá mnohdy velmi rozmanitá až trnitá a ne vždy se v praxi setkáme jen s variantou, že potřebujeme jen jedním kabelem propojit kytaru s kytarovým kombem, nebo mikrofon s mixážním pultem. Představme si modelovou situaci, kdy kapela hraje v menším sále, kde potřebujeme muzikanty dostat do hlavních reprosoustav, k tomu řídit monitoring na pódiu a ještě pořídit vícestopý záznam vystoupení. To by snad neměl být zas až takový problém. Pokud však náš nebo zvukařův mixážní pult zrovna nedisponuje čtyřiadvaceti direct out výstupy, šestnácti podskupinami a osmi auxy, je nutné signál rozbočit ještě před vstupem do takového mixážního pultu. Pokud bychom signál rozdělili pouze pasivní redukcí, došlo by vlivem paralelního zapojení zátěží, které by představovaly vstupní impedance jednotlivých dalších zařízení, ke značnému úbytku signálu, což by se projevilo na jeho výsledné kvalitě. A to ani nemluvím o možném vzájemném ovlivňování při regulaci vstupního zisku. Jak tedy na to? Tuto situaci nám vyřeší zařízení, které se nazývá splitter (split - rozdělit). Je to v podstatě opak mixážního pultu. Ten nám smíchá několik vstupů do dvou nebo více výstupů. Splitter naopak rozdělí jeden vstup do více výstupů, které pak můžeme propojit dál dle libosti (výstup 1. hlavní mix, 2. monitorovací mix, 3. zvuková karta apod.). Takové splittery se vyrábějí v různém provedení jak do počtu kanálů, tak i možností rozdělení signálu na dva i více výstupů.

Reproduktory a sluchátka

Zatím jsme mluvili o signálu na vstupní straně, kde nesprávné impedanční přizpůsobení mělo za následek snad jen snížení samotné kvality signálu. Na výstupní straně jde při nesprávné impedanci mnohdy o víc než o pouhou újmu na kvalitě zvuku. A to o riziko možného poškození. Sluchátka se vyrábějí o jmenovitých hodnotách impedance 16, 32, 64, ale i 100 a více ´. Zapojují se do výstupů určených k tomuto účelu. Jedná se v podstatě o výstupy s linkovou úrovní, které jsou schopny na svém výstupu pracovat s nízkou zátěží. Tyto výstupy bývají označovány jako headphone out apod. V žádném případě se nedoporučuje pro tento účel využívat klasický linkový výstup. Tento není přizpůsoben pracovat s tak malou impedancí a mohlo by při delším provozu dojít i k jeho poškození (prakticky k většímu odběru proudu, než je zdrávo). U sluchátkových výstupů je nutné vysledovat z dokumentace parametr: Minimum Load Impedance. Pokud máme zařízení opatřené dvěma a více sluchátkovými výstupy, je v takovém případě rovněž nutné před připojením více sluchátek zjistit, zda se jedná o více aktivních výstupů, nebo jde jen o jejich paralelní zapojení. Ve druhém případě by to znamenalo připojení více sluchátek jen s vyšší impedancí. Jelikož u paralelního zapojení odporů platí

čili převrácená hodnota výsledného odporu je rovna součtu jejich převrácených hodnot. Při takovém zapojení dvou sluchátek o impedanci 32 ´ bude výstup zatížen impedancí jen 16 ´. Pokud parametr: Minimum Load Impedance bude výrobce udávat hodnotu 32 ´, lze zapojit dvoje sluchátka jen o minimální impedanci 64 ´..

Reproduktory se vyrábějí o jmenovité impedanci 4 a 8 ´. Jelikož se jedná o velmi malou hodnotu, je signál na výstupu výkonového zesilovače proudového charakteru. Hodnota impedance reproduktorové soustavy by měla být vždy volena podle hodnoty uvedené výrobcem zesilovače. Některé zesilovače jsou schopny pracovat jak s osmi, tak i s čtyřohmovou zátěží a jsou na svém výstupu opatřeny přepínačem. Dbejte proto vždy, aby tento přepínač byl nastaven ve správné poloze. Jelikož z Ohmova zákonu platí, že proud je dán podílem hodnot napětí a odporu (impedance), dojde k tomu, že při nižší impedanci reproduktoru (4 ´) připojeného na výstup zesilovače, který je schopen pracovat jen s impedancí 8 ´, poteče přes koncový stupeň zesilovače dvojnásobný proud. Tento proud může při vyšších hlasitostech přesáhnout maximálních povolených hodnot a dojde k jejich zničení. Při zapojení více reprobeden do jednoho výstupu platí totéž pravidlo jako u sluchátek. Čili dvě reprobedny o impedanci 8 ´ zapojíme jen do zesilovače, který je schopen pracovat se čtyřohmovou zátěží.

Závěr

Dnes je hudební trh doslova přesycen velmi kvalitními aparaturami. V dobách ještě nedávno minulých, kdy tomu tak nebylo, se hrávalo doslova přes vše, co jen bylo k dispozici. K tehdejší výbavě muzikanta, kromě nástroje samotného a pár lahváčů, patřila bezesporu i pájka a mnohdy také kapesní elektrotechnická příručka. Tehdy nesprávným zapojením nešlo jen o ovlivnění nějakého parametru na čtvrtém desetinném místě. ale mohlo se stát, že se nám celé zařízení dostalo do nežádoucího pracovního režimu. Například při zapojení kytary do cívkového magnetofonu přes krabičku pochybného původu, to vše spojeno ledabyle napájenou tkaničkou s velkým přechodovým odporem, se mohlo stát, že se z reproduktoru namísto bombastického kytarového tónu ozvala "Zákruta". K takovým extrémním situacím by snad dnes již docházet nemělo, ale přesto alespoň částečnou znalostí jen toho nejnutnějšího, o čem dnes byla řeč, se lecjakým tragédiím můžeme snadněji vyhnout. Pokud se znalosti muzikanta omezí jen na fakt, že jack se strká do jackové díry, může takový muzikant svým zásahem do propojovacích manévrů způsobit v aparatuře kolaps, který by se nám zrovna nemusel vyplatit.