Пассивный тонкомпенсированный регулятор громкости с НЧ коррекцией. Часть 1
Алексей Кузьминов, Москва
В статье приводятся принципиальные схемы, варианты разводки плат и фотографии готовых устройств – пассивных тонкомпенсированных регуляторов громкости (ТКРГ) с НЧ коррекцией. Применение двух резонансных контуров, настроенных на частоты 20 Гц и 20 кГц, позволило существенно приблизить АЧХ ТКРГ (также приведенные в статье) к линиям равной громкости, а использование первичной обмотки малогабаритных трансформаторов ТОТ-XX индуктивностью в единицы генри в контуре 20 Гц и индуктивности для поверхностного монтажа в контуре 20 кГц, не требующих утомительных ручных моточных работ, – получить недорогое миниатюрное устройство с простейшей схемой.
Тонкомпенсированные регуляторы громкости (ТКРГ), основанные на RC-цепочках [3], обеспечивают недостаточный диапазон регулировки громкости (не более 20 дБ) и, кроме того, их АЧХ существенно отличаются от кривых равной громкости (Флетчера-Мэнсона, Робинсона-Дадсона, ГОСТ Р ИСО 226-209 и т. п.). Для экономии места в статье график кривых равной громкости приведен в дополнительных материалах к статье, размещенных на сайте журнала.
ТКРГ, в котором АЧХ при регулировке громкости более приближены к кривым равной громкости, был опубликован в работе [4] (2003 г.). Этот регулятор основан на резонансном контуре, настроенном на частоту 20 Гц. Снижение добротности контура позволило получить кривые резонанса, которые, по мнению автора [4], проходят близко от кривых равной громкости. Однако в связи с тем, что частота резонанса FРЕЗ очень низкая (20 Гц), для создания подобного резонансного контура требуются очень большие номиналы емкости конденсатора и индуктивности дросселя (например, L = 3.2 Гн, C = 20 мкФ), что нетрудно подсчитать, учитывая, что FРЕЗ = 1/(2π√LC). В связи с этим автором [4] вместо индуктивности был использован так называемый гиратор, т.е. схема на ОУ, моделирующая индуктивность. Однако сложность схемы, масса дополнительных регулировок, недостаточная коррекция (менее 30 дБ), существенное отклонение АЧХ от кривых равной громкости в области ВЧ, а главное, применение дополнительного ОУ, который неизбежно будет «шуметь», вызывают сомнения в высоком качестве подобного регулятора громкости.
В более новой статье за 2015 г. [5] ее автор использовал тот же принцип (резонансный), но только подошел в прямом и переносном смысле «с другого конца». А именно, использовал резонансный контур, настроенный на частоту 20 кГц, т.е. частоту другого конца звукового диапазона частот.
В верхней части Рисунка 1 (исключая пунктирный прямоугольник) показана схема одноканального ТКРГ, описанного в [5]. Хотя, как видно из схемы, она проста до примитивности, существенное приближение АЧХ такого ТКРГ к кривым равной громкости, а также кардинально бóльший диапазон регулировки уровня звукового давления (до 60 дБ) в подобном устройстве послужили причиной, побудившей сделать такой регулятор и попробовать его в работе. Результаты такой пробы просто ошеломили автора: высокие частоты (ударные) явно прослушивались при самом малом уровне громкости, а средние частоты не затмевали ни НЧ, ни ВЧ. Что касается низких частот, то они также были почти в норме, если не считать самых низких частот (от 100 до 20 Гц). В этом диапазоне частот АЧХ этого регулятора, судя по таблицам из [5], имеют отклонения от кривых равной громкости, т.е. идут ниже: на 4 дБ на частоте 100 Гц, на 10 дБ на частоте 50 Гц и на 28 дБ на частоте 20 Гц. На слух этот недостаток воспринимается только при некотором положении регулятора громкости и при воспроизведении музыкальных файлов, в которых содержится достаточно большая доля низкочастотных составляющих (низкие басовые ноты, барабаны типа «бочка» и т. п.).
 | ||
| Рисунок 1. | Упрощенная схема ТКРГ с НЧ коррекцией. | |
Автор задался вопросом: а нельзя ли, не трогая уровни СЧ и ВЧ, поднять исключительно уровень НЧ с помощью цепочки L2C4, показанной в пунктирном прямоугольнике на Рисунке 1? Причем, поскольку это резонансная цепь, то, настроив ее на частоту 20 Гц, можно существенным образом поднять самые низкие частоты и, таким образом, скорректировать вышеуказанный недостаток. Правда, очень большая индуктивность L2 в 3.2 Гн вызывала у автора сомнение. На первый взгляд, кажется, что это огромный дроссель весом в несколько килограмм. Однако автору попалась статья из старого журнала Радио за 1974 г. [2], в которой приводится схема регуляторов тембров, основанная также на резонансных контурах, один из которых настроен на частоту около 70 Гц. В этом регуляторе используется индуктивность 2.7 Гн. Для получения такой индуктивности автор [2] использовал ферритовое кольцо 2000 НМ К20×12×6 (μ = 2000, размер 20×12×6 мм), на которое было намотано 2000 витков, да еще проводом ПЭВ-2 0.08! Перспектива, конечно, не совсем приятная, однако современные ферритовые материалы имеют магнитную проницаемость μ кардинально большую, чем 2000. Например, у ферритов CF199 (Ferroxcube) и T38 (Epcos) μ = 10000, у X46 (Epcos) μ = 15000, поэтому количество витков можно существенно уменьшить.
Вначале автор попробовал кольцо из материала CF199 размером 20×10×10 мм с коэффициентом начальной (одновитковой) индуктивности AL = 12.4 мкГн/вит 2 (Т2010CF199) производства компании Ferroxcube. Нетрудно подсчитать, что, если на такое кольцо намотать W = 500 витков, то можно получить индуктивность L = AL×W 2 = 12.4 [мкГн/вит 2 ]×500 2 [вит 2 ] = 3.1 Гн. Для получения индуктивности 3.2 Гн на таком кольце было намотано 530 витков проводом ПЭПШО 0.08. Сопротивление обмотки составило 44 Ом.
В то же время существуют и менее габаритные кольца, чем кольцо Т2010CF199. Это кольца R16×9.6×6.3 (размер 16×9.6×6.3 мм) из новейшего (2016 г.) материала 3Е12 (TX16/9.6/6.3-3E12, μ = 12000, AL = 7×73 мкГн/вит 2 ) производства компании Ferroxcube. При намотке 700 витков на таком кольце расчетом можно получить L = 7.73 [мкГн/вит 2 ]×700 2 [вит 2 ] = 3.77 Гн (поскольку значение AL = 7.73 мкГн/вит 2 в справочном листке приводится с погрешностью ±30%, то и полученная индуктивность имеет такую же погрешность). Реально на таком кольце было намотано 710 витков провода ПЭЛ-0.15. Измеренная индуктивность составила 3.1 Гн, сопротивление обмотки оказалось равным 14 Ом.
В качестве индуктивности L1 автор использовал достаточно распространенное кольцо Epcos R6.30×3.80×2.50 из материала N87 с магнитной проницаемостью μ = 2200 (B64290P0037X087) с AL = 0.56 мкГн/вит 2 . Индуктивность такого кольца легко подсчитать: L = AL×W2, где W – количество витков. Если, например, W = 100, то L = 5.6 мГн. Измерения RLC-метром показали, что для получения индуктивности около 8 мГн на кольцо R6.30×3.80×2.50 N87 требуется намотать 114…115 витков проводом ПЭЛ-0.12 или ПЭПШО-0.08.
Пробы с кольцами Т2010CF199, TX16/9.6/6.3-3E12 (в качестве L2) и B64290P0037X087 (L1) по схеме Рисунок 1 показали (см. далее), что НЧ-коррекция, добавленная в пунктирном прямоугольнике на Рисунке 1, существенным образом поднимает самые низкие частоты (вплоть до 20 Гц), однако несколько часов, потраченных автором на намотку колец L2, а также некоторое время (хоть и существенно меньшее), потраченное на намотку колец L1, заставили автора задаться вопросом: а нельзя ли вообще обойтись без моточных работ, купив что-либо готовое с соответствующей индуктивностью?
Что касается L1, то в продаже можно найти недорогую (около 20 руб. за штуку) готовую катушку индуктивности 8.2 мГн в корпусе для поверхностного монтажа размером 1812 (CM565050 822J). А вот дроссель индуктивностью в районе 3 Гн малого размера автору найти не удалось. В продаже можно найти достаточно дорогие дроссели с такой индуктивностью, но их размер (более 3×3×3 см) автора не устроил (да и цена тоже).
Однако автору попались интересные трансформаторы ТОТХХ (ТОТ – сокращение от Трансформатор Оконечный Транзисторный) размером всего 15×15×14 мм [6]. Индуктивность первичной обмотки трансформаторов TOT15 – TOT21 составляет 2.0 Гн с омическим сопротивлением в 624 Ом. У ТОТ22 – ТОТ28, соответственно, 3.8 Гн и 880 Ом. Вторичная обмотка этих трансформаторов занимает, как правило, не более 10% от объема всего трансформатора и, если ее не использовать, то в качестве дросселя L2 (Рисунок 1) вполне можно использовать первичную обмотку. Подобные трансформаторы уже достаточно давно (с конца 1980 годов) выпускаются нашей промышленностью (и продолжают выпускаться до сих пор). Цены на эти трансформаторы 1990-х годов выпуска не превышают 50-60 руб. за штуку. Кроме того, они достаточно распространены, а потому широкодоступны.
Автором были приобретены трансформаторы ТОТ27 и ТОТ28, а также (на пробу) ТОТ18.
Схема двухканального ТКРГ (Рисунок 2) на базе первичной обмотки ТОТ27 (LcA, LcB) и индуктивности 8.2 мГн для поверхностного монтажа CM565050 822J (L1A, L1B) достаточно проста и построена на основе схемы Рисунок 1.
 | ||
| Рисунок 1. | Принципиальная схема двухканального ТКРГ на основе трансформатора ТОТ27. | |
Оба входных сигнала (InA и InB) подаются на входной разъем XinR, представляющий собой 3-контактные цанговые штыри с шагом 2.54 мм (PLSM-3), a оба выходных сигнала (OutA и OutB) выведены на такой же разъем XoutR. Резистор регулировки громкости подключается к 8-контактному разъему XRgI, представляющему собой четыре двухрядных цанговых штыря с шагом 2.54 мм (PDLM-8). Резистор НЧ-коррекции (RcA-RcB) подключается к двум 3-контактным разъемам XRcIA и XRcIB (PSLM-3).
Номиналы резисторов Rc1A, Rc1B (10 кОм), соответствующие резистору R5 схемы на Рисунке 1, и номиналы резисторов RcA-RcB (также 10 кОм), соответствующие резистору R4, выбраны не случайно. Дело в том, что ни расчетами, ни моделированием эти значения не получить, поскольку их воздействие на АЧХ ТКРГ зависит от множества факторов, которые необходимо учитывать. Однако, как будет видно из дальнейшего изложения, значения номиналов этих резисторов очень просто получить опытным путем, сняв реальные АЧХ ТКРГ. Для этого автором вместо двух резисторов R4 и R5 (Рисунок 1) был установлен один переменный резистор номиналом 20 кОм (т.е. почти равный R1). Сняв АЧХ ТКРГ по схеме на Рисунке 1 при отключенной цепочке L2C4 и добившись аналогичного АЧХ вращением движка переменного резистора 20 кОм при включенной цепочке L2C4, автор получил, что при среднем положении этого резистора АЧХ в обоих случаях идентичны. Другими словами, при нижнем положении резистора R4 (Рисунок 1) АЧХ этого ТКРГ соответствует АЧХ при отключенной цепочке L2C4 (то есть, при отсутствии НЧ коррекции).
Сдвоенный переменный резистор регулировки громкости RgA-RgB соответствующим кабелем соединяется с разъемом XRgO, представляющим собой двухрядные 4-контактные цанговые гнезда с шагом 2.54 мм (PBDM2×4). Сдвоенный переменный резистор НЧ-коррекции RcA-RcB двумя кабелями соединяется с двумя 3-контактными разъемами XRcOA и XRcOB, представляющими собой два 3-контактных цанговых гнезда с шагом 2.54 мм (SIP-3).
Входной кабель, показанный в пунктирном прямоугольнике в верхней правой части схемы, представляет собой экранированный кабель с двумя 3-контактными разъемами на концах: Xin (стерео джек 3.5 мм) и XKinR (SIP-3). Разъем Xin вставляется в соответствующее гнездо, предназначенное для подключения наушников, телефона, планшета, плеера или компьютера. Если компьютер стационарный, то это гнездо салатового цвета, установленное на передней панели системного блока; в ноутбуке такое же гнездо установлено на задней стенке. Разъем XKinR кабеля подключается к входному разъему XinR платы ТКРГ. Сам кабель пропущен через резиновую втулку, установленную на корпусе усилителя (либо через пластмассовый кабельный ввод).
Выходной кабель (показанный в пунктирном прямоугольнике в нижней правой части схемы), также представляет собой экранированный кабель; он подключается к разъему XoutR с помощью 3-контактного разъема из цанговых гнезд SIP3 (XKoutR). На втором конце этого кабеля расположен точно такой же разъем SIP3 (XKpr), который подключается к входному разъему предварительного усилителя (например, описанного в статье автора [1]).
Остальные компоненты схемы в связи с ее простотой, на взгляд автора, в комментариях не нуждаются.
Все постоянные резисторы – для поверхностного монтажа размером 0603. Все конденсаторы керамические, также для поверхностного монтажа. Конденсаторы C2A, C2B, C3A и C3B имеют размер 0603 и максимальное напряжение 50 В; C1A и C1B – 0805, 25 В; CcA и CcB – 1206, 25 В. Переменный резистор RgA-RgB – сдвоенный потенциометр СП3-33-25 с функциональной характеристикой «В» (показательная или обратнологарифмическая, русская буква В). Переменный резистор RcA-RcB – импортный сдвоенный потенциометр 16T1-B10K или L15KC, 10 кОм с линейной функциональной характеристикой (латинская буква B). Кабели, соединяющие переменные резисторы с соответствующими разъемами, могут быть либо плоскими, либо, что лучше, экранированными, с подключением экрана к «земле»..
Источник
Пассивные регуляторы тембра
В этой статье вниманию читателей предлагается ряд различных по схемотехнике и функциональным возможностям регуляторов тембра, которые могут быть использованы радиолюбителями при разработке и модернизации звуковоспроизводящей аппаратуры.
Основной недостаток еще недавно популярных активных регуляторов тембра состоит в использовании глубокой частотно-зависимой ООС и больших дополнительных искажениях, вносимых ими в регулируемый сигнал. Вот почему в высококачественной аппаратуре желательно применять пассивные регуляторы. Правда, и они не лишены недостатков. Самый крупный из них — значительное затухание сигнала, соответствующее диапазону регулирования. Но так как глубина регулирования тембра в современной звуковоспроизводящей аппаратуре невелика (не более 8. 10 дБ), то в большинстве случаев вводить в тракт сигнала дополнительные каскады усиления не требуется.
Другой, не столь существенный недостаток таких регуляторов — необходимость применения переменных резисторов с экспоненциальной зависимостью сопротивления от угла поворота движка (группа «В»), обеспечивающих плавное регулирование. Однако простота конструкции и высокие качественные показатели все же склоняют конструкторов к применению именно пассивных регуляторов тембра.
Следует отметить, что эти регуляторы требуют низкого выходного сопротивления предшествующего им каскада и высокого входного сопротивления последующего.
Разработанный английским инженером Баксандалом еще в 1952 г. регулятор тембра [1] стал, пожалуй, самым распространенным частотным корректором в электроакустике. Классический его вариант состоит из образующих мост двух звеньев фильтра первого порядка — низкочастотного R1C1R3C2R2 и высокочастотного C3R5C4R6R7 (рис. 1,а). Аппроксимированные логарифмические ампли-тудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) такого регулятора показаны на рис. 1 ,б. Там же приведены расчетные зависимости для определения постоянных времени точек перегиба ЛАЧХ.
Pиc.1
Теоретически максимально достижимая крутизна АЧХ для звеньев первого порядка составляет 6 дБ на октаву, но при практически реализуемых характеристиках из-за незначительного различия частот перегиба (не более декады) и влияния предшествующих и последующих каскадов она не превышает 4. 5 дБ на октаву. При регулировании тембра фильтр Баксандала меняет только наклон АЧХ без изменения частот перегиба. Вносимое регулятором на средних частотах затухание определяется соотношением n=R1/R3. Диапазон регулирования АЧХ при этом зависит не только от величины затухания п, но и от выбора частот перегиба частотной характеристики, поэтому для его увеличения частоты перегиба устанавливают в области средних частот, что, в свою очередь, чревато взаимным влиянием регулировок.
В традиционном варианте рассматриваемого регулятора R1/R3=C2/C1= =C4/C3=R5/R6=n, R2=R7=n-R1. При этом достигается приблизительное совпадение частот перегиба АЧХ в области ее подъема и спада (в общем случае они различны), что обеспечивает относительно симметричное регулирование АЧХ (спад даже в этом случае неизбежно получается более крутым и протяженным). При обычно используемом п=10 (для этого случая указаны минимальные значения номиналов элементов на рис. 1,а-3,а) и выборе частот раздела вблизи 1 кГц регулирование тембра на частотах 100 Гц и 10 кГц относительно частоты 1 кГц составляет ±14. 18дБ. Как отмечалось выше, для достижения плавного регулирования переменные резисторы R2, R7 должны иметь экспоненциальную характеристику регулирования (группа «В») и, кроме того, для получения линейной АЧХ в среднем положении движков регуляторов соотношение сопротивлений верхнего и нижнего (по схеме) участков переменных резисторов также должно быть равно п. При «хайэндовском» п=2. 3, что соответствует диапазону регулирования ±4. 8 дБ, вполне допустимо использовать переменные резисторы с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота движка (группа «А»), но при этом несколько огрубляется регулировка в области спада АЧХ и растягивается в области подъема, а плоская АЧХ получается отнюдь не в среднем положении движков регуляторов. С другой стороны, сопротивление секций сдвоенных переменных резисторов с линейной зависимостью лучше согласовано, что уменьшает рассогласование АЧХ каналов стереофонического усилителя, так что неравномерное регулирование в этом случае можно считать допустимым.
Наличие резистора R4 не принципиально, его назначение — снизить взаимное влияние звеньев и сблизить частоты перегиба АЧХ в области высших звуковых частот. Как правило, R4= =(0,3. 1,2)’R1. Как показано ниже, от него в ряде случаев можно вообще отказаться. Для снижения влияния на регулятор предшествующих и последующих каскадов их выходное Rвых и входное Rвх сопротивления должны быть соответственно Rвых<>R2.
Приведенный «базовый»вариант регулятора применяется обычно в радиоаппаратуре высокого класса. В бытовой аппаратуре используют несколько упрощенный вариант (рис. 2,а). Аппроксимированные логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) такого регулятора приведены на рис. 2,6. Упрощение его высокочастотного звена привело к некоторой расплывчатости регулирования в области высших частот и к более заметному влиянию предшествующего и последующего каскадов на АЧХ в этой области.
Pиc.2
Подобный корректор при п=2 (с переменными резисторами группы «А») был особенно популярен в простых любительских усилителях [2] конца 60-х — начала 70-х годов (главным образом, из-за малого затухания), но вскоре величина п возросла до привычных сегодня значении. Все сказанное выше относительно диапазона регулирования, согласования и выбора регуляторов справедливо и для упрощенного варианта корректора.
Если отказаться от требования симметричного регулирования АЧХ на участках их подъема и спада (кстати, необходимость спада практически не возникает), то можно еще более упростить схему (рис. 3,а). Приведенные на рис. З.б ЛАЧХ регулятора соответствуют крайним положениям движков резисторов R2, R4. Достоинство такого регулятора — простота, но поскольку все его характеристики взаимосвязаны, для удобства регулирования целесообразно выбирать п=3. 10. С ростом п крутизна подъема растет, а спада — снижается. Все сказанное выше о традиционных вариантах корректора Баксандала в полной мере относится и к этому, предельно упрощенному варианту.
Pиc.3
Однако схема регулятора тембра Баксандала и ее варианты — отнюдь не единственная возможная реализация пассивного двухполосного регулятора тембра. Вторая группа регуляторов выполнена не на базе мостов, а на базе частотно-зависимого делителя напряжения. В качестве примера изящного схемотехнического решения регулятора можно привести темброблок, в свое время использовавшийся в различных вариациях в ламповых усилителях электрогитар. «Изюминкой» данного регулятора является изменение частот перегиба АЧХ в процессе регулирования тембра, что приводит к интересным эффектам в звучании «классической» электрогитары. Базовая его схема изображена на рис. 4,а, а аппроксимированные ЛАЧХ — на рис. 4,6. Там же приведены расчетные зависимости для определения постоянных времени точек перегиба.
Pиc.4
Нетрудно заметить, что регулировка в области низших звуковых частот изменяет частоты перегиба, не меняя наклон АЧХ. Когда движок переменного резистора R4 находится в нижнем (по схеме) положении, АЧХ на низших частотах линейна. При перемещении же движка вверх на ней появляется подъем, причем точка перегиба в процессе регулирования сдвигается в область более низких частот. При дальнейшем перемещении движка верхняя (по схеме) секция резистора R4 начинает шунтировать резистор R2, что вызывает сдвиг высокочастотной точки перегиба в область более высоких частот. Таким образом, при регулировании подъем низких частот дополняется спадом средних. Регулятор высших звуковых частот представляет собой простейший фильтр первого порядка и особенностей не имеет.
На базе этой схемы можно построить несколько вариантов темброблоков, позволяющих регулировать АЧХ в области низших и высших частот. Причем в области низших частот возможен и подъем, и спад АЧХ, а на высших — только подъем.
Вариант темброблока с регулированием частоты перегиба АЧХ в низкочастотной области показан на рис. 5,а, его ЛАЧХ — на рис. 5,6. Резистор R2 регулирует частоту перегиба АЧХ, a R5 — ее наклон. Совместное действие регуляторов позволяет получить значительные пределы и большую гибкость регулирования.
Pиc.5
Схема упрощенного варианта темброблока приведена на рис. 6,а, его ЛАЧХ — на рис. 6,6. Он представляет собой, в сущности, гибрид низкочастотного звена темброблока, показанного на рис. 3,а, и высокочастотного звена темброблока, показанного на рис.4,а.
Pиc.6
Объединив функции регулирования АЧХ в низкочастотной и высокочастотной областях, можно получить простой комбинированный регулятор тембра с одним органом управления, весьма удобный для применения в радиоприемной и автомобильной аппаратуре. Его принципиальная схема показана на рис. 7,а и ЛАЧХ — на рис. 7,6. В нижнем (по схеме) положении движка переменного резистора R1 АЧХ близка к линейной во всем диапазоне частот. При перемещении .его вверх появляется подъем на низших частотах, причем низкочастотная точка перегиба в процессе регулирования сдвигается в область более низших частот. При дальнейшем перемещении движка верхняя (по схеме) секция резистора R1 включает в работу конденсатор С1, что приводит к подъему высших частот.
Pиc.7
При замене переменного резистора R1 переключателем (рис. 8,а и 8,6) рассмотренный регулятор превращается в простейший тон-регистр (положение 1 — classic; 2 — jazz; 3 — rock), популярный в 50-х — 60-х годах и вновь используемый в эквалайзерах магнитол и музыкальных центров в 90-х.
Pиc.8
Несмотря на то что о регулировании тембра, казалось бы, все давно уже сказано, многообразие пассивных корректирующих цепей не исчерпывается предложенными вариантами. Немало забытых схемотехнических решений переживают сейчас второе рождение на новом качественном уровне. Весьма перспективен, например, регулятор громкости с раздельной регулировкой тонкомпенсации по низким и высоким частотам [З].
ЛИТЕРАТУРА
1. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике (пер. с нем.). — М.: Мир, 1991, с. 151-153.
2. Крылов Г. Широкополосный УНЧ. — Радио, 1973, N 9, c.56,57.
3. Шихатов А. Комбинированный блок регулирования АЧХ. — Радио, 1993, N 7, с. 16.
Источник
