アンプと電圧の関係について

質問

こんにちは
現在、電子工作と音響についての勉強をしています。
その中で、いくつか疑問に思ったことがあります。
インターネットで検索をしてみたのですが、回答を見つけることができませんでした。
もしよろしければ以下の質問にご回答をいただけないでしょうか。

1.音量は電圧ので決まると聞いていますが、ＭＰ3プレーやなどからの出力を１００円ショップなどで売っている簡単な音声分配機（ただ２つの出力が並列つなぎになっているだけ）で分けると、音量が小さくなってしまうのはなぜか？（並列つなぎだと電圧は変わらないのでは？）

2.市販のアンプキット（TW-141）を製作し、出力側にボリュームを取り付け音量調節を行っていますが、ヘッドフォンにつなぎ、ボリュームをある一定以上にすると音がひずんでしまいます。しかし、キットからの出力をいったんヘッドフォンアンプにつなぐと、先ほどより大きな音にしても音がひずみません。これはなぜでしょうか？

3.ＭＰ3プレーヤなどのの音量は十分に大きいのにヘッドフォンアンプというものが存在するのはなぜでしょうか？

4.機器によってはｌｉｎｅ出力とヘッドフォン出力がありますが、違いはあるのでしょうか。

5.インターネット上のマイクアンプやヘッドフォンアンプの製作記事を見ていると、増幅にトランジスタ・ＯＰアンプ・放熱板のついたＩＣを使っている場合がありますがこれらは何か違いがあるのでしょうか？
（すべてトランジスタを使ったほうが安いのではないのでしょうか）

6.インターネット上のアンプやミキサーの製作記事を見ていると、回路の中でＯＰアンプなどを増幅率１倍で使っている場合がありますが、これは無意味ではないでしょうか。
http://www.apony.com/elec/mixer/mixer.html

7.音量を決めるのは電圧なのに、ヘッドフォンやスピーカの出力表記はなぜ”Ｗ”なのでしょうか？

8.トーンコントロール回路はどのような作動をしているのでしょうか

基本的な事ばかりかもれませんがよろしくお願いします。

回答No.2

cqw32653 · ベストアンサー

ちょっとご質問の内容で不明瞭な点はあるものの、一部質疑応答の形を取りながら回答します。

> 1.音量は電圧ので決まると聞いていますが、ＭＰ3プレーやなどからの出力を１００円ショップなどで売っている簡単な音声分配機（ただ２つの出力が並列つなぎになっているだけ）で分けると、音量が小さくなってしまうのはなぜか？（並列つなぎだと電圧は変わらないのでは？）

”どこで”音量が小さくなると仰っているのでしょう。この場合はヘッドフォンですか？

であるとするならば、負荷が1/2になることにより、出力が電圧降下を起こすためです。また、MP3プレーヤーなどの許容電流量の少ない出力においては、電流リミッター的な動作になってしまう事もあるでしょう。

> 2.市販のアンプキット（TW-141）を製作し、出力側にボリュームを取り付け音量調節を行っていますが、ヘッドフォンにつなぎ、ボリュームをある一定以上にすると音がひずんでしまいます。しかし、キットからの出力をいったんヘッドフォンアンプにつなぐと、先ほどより大きな音にしても音がひずみません。これはなぜでしょうか？

TW-141というものを検索してみたところ、それはヘッドフォンアンプではなく、マイクロフォンアンプではないですか？これをヘッドフォンアンプとして利用したということでしょうか？だとしたら、ヘッドルームが小さいので歪むのは当たり前です。
これは、マイクロフォンなどの非常に微弱な出力を増幅する為のものであって、ヘッドフォンアンプとは違います。
アンプというのは入出力の定格電圧に合った設計をするべきものであって、アンプと名前が付いていれば「なんでも同じ物」というわけではありません。

> 3.ＭＰ3プレーヤなどのの音量は十分に大きいのにヘッドフォンアンプというものが存在するのはなぜでしょうか？

乱暴な説明をすると「音質の味付け」あるいは「より理想的な出力」の為です。MP3プレーヤーのようなものは、電池寿命を稼ぐために出力段が理想設計されていません。例えば電流出力量に制限はあるし、そんなに質の高い出力素子で出力しているわけでもありません。「電流バッファ」として捉えただけでも、外付けのアンプを利用する価値はあります。良く判らない場合は「余裕度が違う」とでも考えておいてください。

> 4.機器によってはｌｉｎｅ出力とヘッドフォン出力がありますが、違いはあるのでしょうか。

はい。
LINE出力は、高い負荷インピーダンスを相手にすればよく、電圧出力にだけ留意して設計してあれば良い事になります。これに対し、負荷インピーダンスの低いヘッドフォンを相手にする場合には、電流設計／負荷を念頭において設計する必要が生じます。ですから本質的に違うものです。
ただし、先のMP3プレーヤーのようなものは、そうした負荷を念頭に置いた設計をしているとは限らず、「所定の電圧が出ていれば、あとはドロップしてもいいや」と、簡単に言えば手抜きの設計をしているものが大多数でしょう。

>5.インターネット上のマイクアンプやヘッドフォンアンプの製作記事を見ていると、増幅にトランジスタ・ＯＰアンプ・放熱板のついたＩＣを使っている場合がありますがこれらは何か違いがあるのでしょうか？

違いを一言で説明するのは難しいですが、「全て違う」とだけ回答しておきます。

> （すべてトランジスタを使ったほうが安いのではないのでしょうか）

そうとは限りません。
概してディスクリートで組んだ方がコストは掛かります。
ただ、OPアンプやモジュールアンプにも非常に高価なものはありますので、そうしたものを使うとコストは逆転します。一概に「こう」と言えるようなものではありません。

> 6.インターネット上のアンプやミキサーの製作記事を見ていると、回路の中でＯＰアンプなどを増幅率１倍で使っている場合がありますが、これは無意味ではないでしょうか。
> ?http://www.apony.com/elec/mixer/mixer.html?

インピーダンスバッファという意味で、決して無意味な事ではありません。どうして無意味と感じられたのでしょうか。

インターネットで色々情報を漁るのも、たいへん良いとは思いますが、まずはきちんとした書籍を購入し、電気回路の基礎から学ばれることも重要に思います。

> 7.音量を決めるのは電圧なのに、ヘッドフォンやスピーカの出力表記はなぜ”Ｗ”なのでしょうか？

どこにそんな事が書いてあったのでしょう？
動電型のスピーカーやヘッドフォンの最終的な音量を決定付けるのは、電圧ではなくて電流です。振動板を駆動する力を生む源、F=BLiという公式を御存知ありませんか？

> 8.トーンコントロール回路はどのような作動をしているのでしょうか

トーンコントロールは、高／低の一定の周波数帯以上／あるいは以下を、増幅、あるいは減衰するようにフィルタと増幅回路で構成されます。その周波数特性は、シェルビングフィルタと同様の階段状の曲線を描きます。

お礼

1.確かに、抵抗（この場合ヘッドフォン）を複数つなぐと並列の合成抵抗になり、電圧が低下します！　ここまでは考えていませんでした。

2.ＴＷ-141のＩＣにはＡＬＣ回路が内蔵されていて出力を0.6Vrmsに統一すると書かれていたのでマイクと、プレーヤのレベル合わせに使用しようと思っていました。もう一度考え直します。

ただ不思議なのはＴＷ-141出力側にボリュームをつけていますが、それを最大（抵抗最少）にした状態で直接ヘッドフォンにつなぐと比較的小さな音でひずみが発生するのに、ボリュームを変えずヘッドフォンアンプを経由させると、かなりヘッドフォンアンプの音量を上げてもひずまないということです。

プレーヤ－ＴＷ-141（ボリューム最大）－ヘッドフォン
　　　　*ひずみが発生する。
プレーヤ－ＴＷ-141（ボリューム最大）－ヘッドフォンアンプ（ボリューム最大）－ヘッドフォン
　　　　*ひずみは発生しない。

3.電流バッファとしての役目をしていたのですか！確かに低電圧で動くプレーヤと比べると余裕がありますね。

4.手持ちのプレーヤの回路を見てみるとＬＩＮE出力とヘッドフォン出力が並列につながっていました。手抜き設計のようです。

5.製品のランクによっては値段が逆転することもあるということですね。

6.増幅しないなら無意味だと感じていました。
インピーダンスバッファやインピーダンスという言葉が何となくはわかるのですが、はっきりとしていません。もう一度勉強をしたいと思います。
また、大学ではほとんど機械工学ではない分野を学んでいましたので書籍を購入し、もう一度勉強しなおしたいと思います。

7.インターネット上の記事を見て勝手な解釈をしていました。
確かによく考えてみると、電流が影響しますね。
（公式のことはすっかりと忘れていました）

8.フィルタと増幅回路で構成されているのですか。
　もう一度調べてみます。

とても詳しい回答をありがとうございました。まだ、基礎をよく理解できていないと感じましたので、もう一度勉強をし直そうと思います。
（どのような本を読んだらいいのかが難しいですが）

回答No.6

iBook 2001（@iBook-2001）

インピーダンスって　奥が深すぎて私も生かじりですが。
簡単で過激な実験例です。
乾電池にテスターをあてて電圧を見ます。その状態で針金で＋とーをつなぎます。　針金は「アチチ」になりますが、電圧は？（実際に行う場合はマンガン電池で１０秒以内で終了してください）
以上。

質問　６に関して。電圧増幅率１倍での使用のほとんどはVI変換。（電圧から電流に変換？増幅？）出口の負荷が設計範囲内で変化して電流供給を確保し電圧低下を防ぐ。

お礼

ご回答ありがとうございます。

確かに今回の皆様のご回答でインピーダンスの奥の深さを
強く感じました。

今後もっと勉強をしていきたいと思います。

今回はご回答を締め切らせていただきますが、また機会があればよろしくお願いします。

回答No.5

cqw32653

No.2です。

> プレーヤ－ＴＷ-141（ボリューム最大）－ヘッドフォン
> 　　　　*ひずみが発生する。
> プレーヤ－ＴＷ-141（ボリューム最大）－ヘッドフォンアンプ（ボリューム最大）－ヘッドフォン
> 　　　　*ひずみは発生しない。

それはつまり、こういう事なんです。

・TW-141は、ヘッドフォンを十分駆動できるだけの
　終段電流許容量を持っていない。
　（出力インピーダンスが高い、と言っても良いです）

・ヘッドフォンアンプは、ヘッドフォンを十分駆動できるだけ
　終段電流許容量を持っている。

TW-141に直接ヘッドフォンをつなげ、ボリュームを最大にしようとする。すると、TW-141の終段は一生懸命、言われたとおりの電圧を稼ぎ出そうと頑張るが、しかし負荷が重すぎて電流が稼ぎ出せず、波形の尖塔がクリップする。→つまり、歪む。という結果になります。

これに対し、TW-141の負荷としてヘッドフォンアンプをつなげます。ヘッドフォンアンプの入力段は、ヘッドフォンに比べて十分に高い入力インピーダンスを持っており、TW-141も余裕しゃくしゃくになります。
また、当然の事ながら、ヘッドフォンアンプもヘッドフォンを余裕しゃくしゃくで駆動できるだけの設計がなされています。→つまり、歪まない。

結局のところ、「TW-141はヘッドフォンが駆動できるほどの設計がされたアンプではない」という点に尽きます。

繰り返しますが、「アンプは何でも同じではありません。」許容入力電圧、要求ゲイン、負荷抵抗、必要帯域によって設計がまるで変わってきます。

お礼

そういうことでしたか。

出力の大きさのことしか考えていなかったのでとても不思議でした。

確かにヘッドフォンも小型のスピーカなので大きな負担になりそうですね。

今後は出力の大きさのことだけではなく負担についてもしっかりと考えるようにします。

なお、トランジスターとＯＰアンプ・スピーカドライバー（？）の件ですが、自分にはどの素子で増幅した音もあまり違いが感じられませんでした。とりあえずは、一個７円ほどで手軽なトランジスタを使いたいと思います。（トランジスタのほうがＯＰアンプより負担に耐えられそうですし）。なおプロの方には音質の違いがはっきりとわかるものなのでしょうか？

ご回答ありがとうございました。

回答No.4

hiyo-papa

ANo.1さんの回答にあるようにインピーダンスの理解が鍵です。

電子工作と音響の勉強中ということですね。この辺りの理解は絶対必要ですので勉強してもらうしかないのですが、現時点では難しいですのでたとえ話をします。

原付バイク（50ccエンジン）と乗用車（2000cc）。どちらも時速30kmで走れますよね。エンジンの最高回転数もまあ同じくらいです。
あなたの『音量は電圧で決まる』理論はある意味正しいです。これを置き換えると『車の時速はエンジンの回転数で決まる』です。原付バイクだって車だってエンジン回転数を上げればスピードも上がります。ただこれは適正な負荷があっての話です。
原付の50ccエンジンを乗用車に繋いだとします。無負荷で何千回転も回っていた原付のエンジンはプスプス…となるはずです。ラインアウトの出力をヘッドホンに繋いだとすれば同じ現象が起こります。負荷に耐えれずエンジン回転数が落ちる＝電圧降下が起き音が鳴らない・歪む…です。

ライン出力やヘッドホン出力・スピーカー出力、マイク入力・ライン入力、どれも設計上の負荷インピーダンスが違うのです。

では、例えばマイクロフォンの出力（音響製品の中では比較的ハイインピーダンス）をライン入力（比較的ローインピーダンス）に繋ぎたい時はどうするか？このときバッファー（緩衝器）を間にいれる必要があります。同じエンジンの１回転でも高い負荷に耐えれる力のある１回転にする必要があるからです。それがご質問の中にある増幅率１倍のアンプです。入力電圧1Vは出力1Vで変わりませんが負荷インピーダンスを変えてやれるわけです。

お礼

わかりやすい例でのご回答ありがとうございます。

確かに同じ物でも、相手の負担が大きすぎて動かすことができない場合と容易に動かせる場合があります！

増幅率１倍のアンプも意味があったのですね。

インピーダンスという言葉についてもう少し勉強をしてみたいと思います。

ありがとうございました。

回答No.3

ASIMOV

１．アンプには出力インピーダンス（内部抵抗）が有ります
　　負荷が大きくなると電流が増え、内部抵抗に電圧の一部を取られる為、
　　ヘッドフォン側の電圧は低下します

２．これは、具体的な回路が分からないので、答えづらいですが、
　　歪むという事は入力に対し出力がクリップしている（電源電圧に対し、
　　増幅しようとする電圧の方が大きい）という事です

３．幾つか理由があると思います
　　１）ライン出力で直接ヘッドフォンを鳴らしたい
　　２）プレーヤーの出力が不足する場合
　　３）特殊な駆動方式のヘッドフォンを鳴らす場合

４．line出力にはヘッドフォンを鳴らすほどの出力は有りません

５．値段だけでは決めれない物が有ります
　　求める音質によって、使用するデバイスの選択基準が変りますので

６．バッファー等と言われていますが、出力インピーダンスを下げて、
　　ノイズや歪みを低減する効果が有ります

７．電流が流れなければ音は出ません
　　だから電圧×電流＝電力（Ｗ）となります

８．コンデンサーと抵抗を使ったバンドパスフィルターになっています

お礼

1.内部抵抗のことまでは考えていませんでした。アンプには負担の限界というものがあるようですね。

2電源電圧は9Ｖなので、おそらく大丈夫だとは思いましたが、もう一度検討してみます。

3.ライン出力でヘッドフォンが鳴らすことができると思っていました。

4.手持ちのプレーヤはライン出力とヘッドフォン出力が共通なので、同じものだと思っていました。

5.音質ですか。私はあまり違いがわかりませんでした（ヘッドフォンの性能が低いので・・）。

6.バッファーとしての役目があったということですか。

7.確かにそうでした。

8.バンドパスフィルターについて調べてみます。

ご回答ありがとうございました。またの機会があればよろしくお願いします。

回答No.1

sittaka-kun

7.について。
音量はエネルギーです。時間あたりエネルギーをパワーと呼び、W(ワット)という単位で表します。

インピーダンスを理解していない方に理解できる回答ができる自信がないので、そのほかの質問については他の回答をお待ちください。

お礼

スピーカーのＷは電圧ｘ電流のＷと同じ意味だったのですか！
確かに電球も電圧さえが高ければ明るいというわけではないですね。

インビーダンスという言葉は知っていましたが、プロ向けの機器の話だと思っていました。

ご回答ありがとうございます。