Impedancja - Połączenia bez męczenia

Jeśli dodamy, że charakteryzują się one dodatkowo czymś, co określa się mianem impedancji, to wszystko to razem wzięte zaczyna brzmieć tajemniczo, wkraczając wręcz w sferę graniczącą z tajnikami czarnej magii - przynajmniej dla niektórych osób.

Zauważyłem ostatnio, że podobnie jak mylone są często oraz używane jako tożsame pojęcia polaryzacji i fazy, tak w tym przypadku mylnie traktuje się zagadnienie impedancji i symetrii. „Inspiracją” do napisania tego artykułu stała się sytuacja, której doświadczyłem ostatnio w pracy. Wdałem się w dyskusję z jedną z pracujących wraz ze mną osób na temat używania DI-Boxow. Choć starałem się wyjaśnić istotę zagadnienia najprościej, jak to tylko możliwe, i choć mój rozmówca ostatecznie przyznał mi rację, to odniosłem wrażenie, że jednak nie był on do końca przekonany co do słuszności moich racji, o czym świadczył wyraz jego twarzy, na której malowała się niepewność. Zdałem sobie wówczas sprawę z faktu, że jednak nie wszystko i nie dla wszystkich jest oczywiste, i że może warto rzucić nieco światła na ten „mroczny temat”.

Urządzenia, z którymi się spotykamy, mają najczęściej z natury niską impedancję wyjściową. Oscyluje ona w okolicy wartości 150 Ω lub mniejszej. Istnieje jednak równie często spotykana grupa urządzeń, jak na przykład niektóre typy mikrofonów czy też pasywne przetworniki gitarowe, które charakteryzują się znacznie wyższą wartością impedancji wyjściowej. Nadszedł chyba czas, by postawić pytanie, co to takiego jest ta impedancja i czy ma ona jakiekolwiek znaczenie w naszych działaniach. Aby poszukać odpowiedzi, musimy sięgnąć niestety do podstaw elektroniki lub elektrotechniki.

REZYSTANCJA-REAKTANCJA-IMPEDANCJA

Żeby uniknąć niepotrzebnego „zagęszczania” materiału prowadzone rozważania ograniczę jedynie do prądu przemiennego. Definicja (w dużym uproszczeniu) mówi, że impedancja (oznaczana literą Z) jest miarą całkowitej oporności stawianej przepływającemu prądowi w obwodzie prądu zmiennego i jest ona sumą dwóch składowych - znanej wszystkim z prawa Ohma rezystancji (R) oraz reaktancji (X). Zależność tę przedstawia następujący wzór: Z = R + X

Jeśli chodzi o rezystancję, to w przypadku obwodów sygnałów audio sprawa jest banalnie prosta, ponieważ ma ona w gruncie rzeczy stałą wartość dla każdej częstotliwości. Wartość tę wyrażamy oczywiście w omach (Ω).

W przypadku reaktancji sprawa nie jest już jednak tak prosta. Reaktancja jest bowiem miarą całkowitego oporu, jaki napotyka przepływający w obwodzie prąd zmienny ze strony znajdujących się w danym obwodzie elementów o charakterze indukcyjnym i/lub pojemnościowym. Reaktancja, podobnie jak rezystancja, wyrażana jest także w omach, jednak wartość jej będzie zmienna w zależności od pulsacji, czyli rożna dla rożnych częstotliwości.

INDUKCYJNOŚĆ

Najprostszym elementem o charakterze indukcyjnym jest cewka. Cewka to nic innego jak uzwojenie nawinięte na rdzeń. Może też być bez rdzenia, ale typami cewek zajmować się nie będę, bo akurat dla moich rozważań nie ma to żadnego znaczenia. Tym, co charakteryzuje cewkę, jest jej indukcyjność, którą mierzy się w henrach. Na schematach cewkę oznaczamy spiralą oraz literką L.

Przepływ prądu przemiennego przez cewkę powoduje jej indukcję własną, a im pulsacja prądu jest większa, tym większa jest indukcja własna cewki i tym samym większy opór stawia ona przepływającemu prądowi. Opór ten nazywa się biernym czyli reaktancją (z ang: reactance), gdyż zależy on od wartości pulsacji. Dla danej cewki podaje się tylko wartość indukcyjności mierzonej w henrach, natomiast reaktancję liczymy mnożąc indukcyjność i pulsację.

Należy tu od razu poczynić kilka istotnych wyjaśnień. Użyłem wcześniej stwierdzenia, że wartość reaktancji cewki dla danego prądu zależy od jego pulsacji. W tym miejscu może paść pytanie: czy ma tu wpływ pulsacja napięcia, a jeśli tak, to jaki?

Otóż pulsacja napięcia wpływa na cewkę tak samo, gdyż wartość pulsacji napięcia źródła jest taka sama, jak wartość prądu oraz napięcia na wszystkich elementach obwodu. Jednostką reaktancji jest oczywiście Ω, gdyż nadal jest to opór elektryczny. Skoro prawo Ohma ma się tak samo dla cewki jak i rezystora (brać tu jednak trzeba pod uwagę wartości skuteczne oraz pamiętać o tym, że zamiast oporu czynnego jest reaktancja indukcyjna), to dlaczego jest to inny opór niż czynny? Otóż jeśli rozpatrzymy prosty obwód (tylko cewka, źródło i przewody), zaobserwujemy sytuację następującą: napięcie na cewce wyprzedza o kąt 90o prąd. Można też zdefiniować odwrotnie: prąd opóźnia się w fazie o 90o względem napięcia na jej zaciskach. Prąd i napięcie są po prostu przesunięte fazowo o π/2. To właśnie czyni różnice pomiędzy oporem czynnym i biernym i dlatego należy je rozróżniać.

POJEMNOŚĆ

Najprostszym elementem o charakterze pojemnościowym jest kondensator. Jak wygląda kondensator i do czego służy wie chyba każdy, i dlatego (mam nadzieję) nie wymaga on jakiejś szczególnej prezentacji. Na schematach oznaczany jest jako dwie równoległe kreski oraz literą C. Pojemność kondensatora określa się w faradach. Nie jest to nic innego jako współczynnik proporcjonalności pomiędzy ładunkiem, jaki może być zmagazynowany w kondensatorze do napięcia na jego zaciskach. W przypadku kondensatora - podobnie jak w odniesieniu do cewki - ograniczę się również tylko do rozważań dotyczących prądu przemiennego.

Kondensator działa na zasadzie odwrotności cewki indukcyjnej. W przypadku prądu przemiennego, im większa pulsacja, tym ładunki szybciej się zmieniają i pomimo, że obwód jest fizycznie rozwarty płynie w nim prąd. Im większa jest pulsacja, tym - używając kolokwialnego określenia - „łatwiej mu to idzie”. Kondensator stwarza zatem duży opór prądom o małej częstotliwości. Opór na kondensatorze jest również reaktancją, ale nazywa się ją pojemnościową, a oblicza jako odwrotność iloczynu pulsacji oraz pojemności kondensatora.

Na kondensatorze (odwrotnie do cewki) faza prądu wyprzedza fazę napięcia o 90o. Dla odróżnienia reaktancję indukcyjną oznacza się dodając do litery X indeks L, natomiast pojemnościową - dodając indeks C.

Żeby nie komplikować zagadnienia jeszcze bardziej, niż już to zrobiłem, pozwolę sobie pominąć cały tok wyprowadzania wzorów, bo przecież nie o matematyczne zabawy tu chodzi. Przejdę po prostu do gotowych wzorów, a za chwilę wyjaśnię po co: X fL L = 2π gdzie: f - częstotliwość w hercach (cykle na sekundę), a L - indukcyjność w henrach. fC XC 2π = 1 gdzie: C - pojemność w faradach. Z przedstawionych wzorów wynika, jak zmienia się wartość reaktancji wraz ze zmianą częstotliwości. Reaktancja indukcyjna rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości, natomiast reaktancja pojemnościowa wraz ze wzrostem częstotliwości maleje. Tak wynika z matematycznej zależności.

Z przedstawionych przykładów wynika jednak coś jeszcze. Skoro impedancja zależna jest od reaktancji, a ta ostatnia zależy od wartości częstotliwości, to znaczy, że impedancja danego urządzenia istotna jest jedynie dla konkretnej częstotliwości oraz że będzie się ona zmieniać w szerokim zakresie spektrum częstotliwości audio.

To tyle na temat teorii. A jakie znaczenie ma to wszystko w praktyce?

FILTRACJA

Urządzenia (na przykład niektóre mikrofony) o wysokiej impedancji będą się charakteryzować znacznie większym (napięciowo) sygnałem wyjściowym niż mikrofony o niskiej impedancji. Można by rzec „i chwała im za to”, dopatrując się w tym fakcie korzystnego zjawiska. Przecież to oczywiste, że w takim przypadku wzmacniacz czy konsoleta nie musi wzmacniać sygnału w aż takim zakresie, jak ma to miejsce w przypadku innych urządzeń. Co za tym idzie, jeśli nie jest wzmacniany w dużym zakresie sygnał użyteczny, to tym samym nie są wzmacniane i szumy oraz rożne zakłócenia „podróżujące” w przewodach, a to znacząco wpływa na poprawę współczynnika sygnał/szum.

Niestety, tak się nie dzieje. Należy tu pamiętać, że impedancja linii transmitujących sygnał jest uzależniona od impedancji urządzeń, które łączy. Jeśli więc połączymy z konsoletą mikrofon o wysokiej impedancji wyjścia, to impedancja linii będzie również wyższa na całej jej długości, czyli od mikrofonu do konsolety. Analogicznie urządzenie o niskiej impedancji obniży impedancję linii, do której zostało podłączone, również na całej jej długości.

Ta zależność potrafi przysporzyć wielu problemów pojawiających się wraz ze wzrostem długości kabli, którymi jest prowadzony sygnał audio. Linie o wysokiej impedancji są bardziej podatne na wpływ pojemności własnej, która choć jest co prawda niesłyszalna, to jednak w kombinacji z impedancją źródła oraz odbiornika tworzy filtr dolnoprzepustowy, tzw. LPF (rysunek 1).

Wraz ze wzrostem impedancji oraz/lub pojemności na metr przewodu graniczna częstotliwość, dla której zaczyna działać filtr, obniża się, co wynika z zależności: a częstotliwości znajdujące się powyżej niej zaczynają być tłumione (rysunek 1). Jest to zjawisko mające drastycznie szkodliwy wpływ na jakość przesyłanego sygnału audio. Z uwagi właśnie na ten fakt szalenie istotne dla przesyłu sygnału w szerokim spektrum częstotliwości jest utrzymanie niskiej impedancji oraz stosowanie dobrej jakości kabli.

ZAKŁÓCENIA

Filtracja to tylko jedna strona problemu. Niestety istnieje również i druga. Otóż linie o wysokiej impedancji (pamiętamy, że na wypadkową ma wpływ impedancja źródła i odbiornika) znacznie łatwiej niż linie o niskiej impedancji ulegają interferencji zewnętrznych źródeł emisji elektromagnetycznej, zachowując się jak typowa antena. Interferencja elektromagnetyczna to sygnał lub emisja emitowana w otwartą przestrzeń, albo też przewodzona wzdłuż przewodu zasilającego czy sygnałowego, która zakłóca prawidłowy przepływ sygnałów audio. Źródłem interferencji mogą być nadajniki radiowe i telewizyjne, a także kable zasilające, silniki elektryczne, monitory komputerowe, itp. Zjawisko to staje się coraz bardziej uciążliwe w miarę jak zwiększamy długość przewodu prowadzącego sygnał.

Jeśli ktoś jest gitarzystą, powinien wiedzieć o czym mówię. Pokolenie pamiętające czasy, w których wszystko trzeba było sobie zorganizować, a szczytem marzeń były czechosłowackie „Jolany”, tudzież rodzima „Samba” i „Lotos” oraz wzmacniacz „Vermona Regent” rodem z NRD, nieraz doświadczało tego zjawiska. Ekranowane kable były na wagę złota, a często i jakość tych, które były dostępne bywała bardzo umowna. Często więc zdarzało się, że po połączeniu gitary ze wzmacniaczem najpierw rozlegał się głośny brum, a następnie - gdzieś w tle - słychać było głos lektora mówiącego w języku ówczesnych wschodnich przyjaciół.

Nie jest to problem charakterystyczny wyłącznie w przypadku połączenia wzmacniaczy gitarowych z pasywnymi przetwornikami gitarowymi, przy użyciu kabla o długości ok. 5 metrów. Problem ten występuje również i jest nie mniej uciążliwy, gdy ten sam sygnał wysyłany jest na odległość 30 metrów poprzez kabel zbiorczy do wejścia konsolety. Opisane zjawisko jest właśnie jednym z powodów, dla których sygnał o wysokiej impedancji konwertowany jest przy użyciu DI-boxow do niskiej impedancji, zanim zostanie przesłany na długi dystans.

SYMETRYCZNIE I NIESYMERYCZNIE

Zastosowanie DI-boxów ma również jeszcze jedno istotne znaczenie: zamienia połączenie z niesymetrycznego na symetryczne. Co to znaczy w praktyce? Bardzo wiele, gdyż przyczynia się w sposób istotny do zmniejszenia poziomu zakłóceń. Połączenia niesymetryczne wykorzystują dwa styki. Analogicznie i sygnały prowadzone są kablem o dwóch przewodach. Jeden z nich to ekran, który nie przewodzi żadnego sygnału. Ekran ma stały potencjał, taki sam jak potencjał masy w urządzeniu, gdyż po podłączeniu kabla do urządzenia, ekran łączy się z jego masą. Żyła otulona ekranem to właściwy przewód, którym prowadzony jest sygnał.

Wartość napięcia sygnału w żyle głównej ma zmienny potencjał względem ekranu, który przybiera wartości dodatnie i ujemne. Prawdopodobieństwo przenikania zakłóceń z otoczenia jest zależne w znacznym stopniu od długości kabla i rodzaju jego ekranowania. Ekran w postaci gęstego oplotu lub podwójnego oplotu będzie znacznie skuteczniejszy niż ekran w postaci skrętki. Kable mające ekran w postaci oplotu są niestety znacznie droższe.

Połączenie niesymetryczne sprawia, że - jak to już wcześniej zostało powiedziane - tak wykonana linia jest wyjątkowo podatna na interferencję elektromagnetyczną. Znaczna część zakłóceń zewnętrznych jest wychwytywana przez ekran kabla i odprowadzana do ziemi. Im lepszej jakości ekran i im krótsze są niesymetryczne odcinki, tym skuteczniej się to odbywa. Jeśli jednak poprzez ekran przenikną zakłócenia do żyły głównej, mieszają się one z sygnałem użytecznym i są transportowane wraz z nim do miejsca przeznaczenia (np. wejścia konsolety), a następnie wzmacniane, co objawia się najczęściej wyraźnie słyszalnym i bardzo nieprzyjemnym efektem brumu, bzyczenia itp.

Przy połączeniach niesymetrycznych ekran musi być zawsze podłączony na obu końcach kabla, ponieważ jest on jednym z dwóch elementów koniecznych do stworzenia danego obwodu. Prowadzić to może do powstania kolejnych uciążliwych zjawisk zwanych pętlami masowymi, które powstają najczęściej w sytuacji, gdy masy rożnych elektronicznych urządzeń są ze sobą wielokrotnie połączone w rożnych punktach.

Po przekonwertowaniu sygnał prowadzony jest już kablem mającym dwie żyły wewnętrzne, które zwykle są otoczone ekranem. Ekran, tak jak w poprzednim przypadku, jest połączony z masą i nie przewodzi sygnału. Co więcej, nie jest on (tak jak w przypadku połączeń niesymetrycznych) niezbędny dla przepływu sygnału audio. Zwróćmy uwagę na fakt, że niektóre kable symetryczne, jak przykładowo skrętki CAT-5 do transmisji danych czy też kable analogowych linii telefonicznych, nie mają żadnego ekranu.

Szczerze mówiąc, jedynym zadaniem ekranu jest dodatkowa ochrona przed źródłami zewnętrznych interferencji. Aby ekran mógł spełniać tę rolę, wystarczy połączyć go z masą tylko na jednym końcu kabla, a nie na obydwu - co jest konieczne w przypadku linii niesymetrycznych. Dodatkową zaletą takiej konfiguracji jest eliminacja problemu pętli masowych. Wyjątkiem jest tu oczywiście zasilanie Phantom. Wszystkie kable, którymi jest ono doprowadzane do poszczególnych urządzeń, muszą mieć ekran połączony z masą na obu końcach kabla. W przeciwnym razie zasilanie nie będzie transportowane.

Pozostałe dwie żyły wewnętrzne służą wyłącznie do transportu sygnału. Jedna z żył jest zwykle określana jako „gorąca” lub/i oznaczana znakiem (+). Druga z nich jest określana jako „zimna” lub/i oznaczana znakiem (-). Sygnał audio na wyjściu symetrycznym jest konwertowany do dwóch sygnałów wzajemnie odwróconych w fazie, dzięki czemu żyłą gorącą przesyłany jest użyteczny sygnał audio, natomiast żyłą zimną przesyłany jest ten sam użyteczny sygnał, ale odwrócony w fazie. Jeśli w wyniku interferencji przedostaną się przez ekran jakiekolwiek zakłócenia, będą one w obu żyłach zgodne w fazie.

Przy odbiorze sygnału na wejściu urządzenia jest on ponownie odwracany w fazie i sumowany. W wyniku tego zabiegu wszelkie wyidukowane w każdej z żył zakłócenia, które miały zgodną fazę, zostają odwrócone, a po zsumowaniu - zwyczajnie się znoszą. Ta naturalna zdolność samoistnej redukcji zakłóceń zewnętrznych przez linie symetryczne spowodowała, że rozwiązanie to znalazło powszechne zastosowanie wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba przesłania sygnału audio na długie dystanse.

DI-BOX

Zastosowanie DI-boxów, oprócz konwersji sygnałów niesymetrycznych na symetryczne, daje dodatkowo trzy kolejne możliwości. Pozwala na odseparowanie urządzeń na scenie od wejścia konsolety, co przyczynia się do minimalizacji poziomu zakłóceń zewnętrznych, będących wynikiem wzajemnego oddziaływania urządzeń elektronicznych, oraz pozwala na eliminację pętli masowych. Kolejna korzyść to możliwość redukcji silnych sygnałów z wyjść niektórych instrumentów oraz rożnych wyjść o liniowym poziomie sygnału (również wyjść głośnikowych) do poziomu mikrofonowego, akceptowanego przez wejście konsolety.

Pozwala też na konwersję sygnału o wysokiej impedancji na sygnał o niskiej impedancji. Pamiętać tu należy - co zostało już powiedziane wcześniej - że sygnał niesymetryczny nie zawsze musi być sygnałem o wysokiej impedancji. Przecież kabli niesymetrycznych z wtykami Jack/Jack i DI-boxów używa się do podłączenia wyjść przedwzmacniaczy, instrumentów klawiszowych, aktywnych przetworników gitarowych oraz wielu innych urządzeń elektronicznych, które charakteryzują się niską impedancją wyjściową.