Усовершенствованные регуляторы громкости и баланса

Род Эллиотт – ESP

Дополнительный материал предоставлен Людвигом Берндом (Проект № 01)

Наилучшая конструкция регулятора громкости (Pt 1)

Регулятор громкости в Hi-Fi усилителе или предусилителе (либо любом другом аудиоустройстве, если уж на то пошло) кажется по-настоящему простым, не так ли? Неверно! Чтобы добиться плавного повышения уровня громкости, соответственно нелинейной характеристикой нашего слуха, потенциометр должен иметь логарифмическую зависимость изменения сопротивления от угла поворота его оси. Линейный потенциометр, используемый для регулировки громкости, дает довольно неудовлетворительный результат.

Если вы не заплатите довольно существенную цену, то стандартный логарифмический потенциометр, который вы покупаете в магазинах электроники, вообще не является логарифмическим, а состоит из двух линейных секций, каждая из которых имеет разный градиент сопротивления. Теоретическое обоснование подобного заключается в том, что они совместно образуют кривую, «достаточно близкую» к логарифмической (или звуковой) зависимости. Как многие убеждаются, такое случается достаточно редко и при вращении движка потенциометра часто проявляется ярко выраженный «разрыв».

Как и во всех потенциометрах, используемых в качестве регуляторов громкости, первые 10% угла поворота приводят к очень большому её изменению (по существу, от «выключено» до тихо слышимого). «Истинный» логарифмический ответ на весь диапазон, возможно, в 100 дБ, не очень полезен, поскольку большую часть времени работы коэффициент усиления изменяется в относительно небольшом диапазоне. Изменение на 25 дБ соответствует отношению мощности 316:1 — это, как правило, и будет тем диапазоном, в котором используется любой регулятор громкости.

Рис. 1 Схема аппроксимации потенциометра

Возьмите линейный потенциометр на 100 кОм (VOL) и подключите резистор (R = 10…15 кОм, 12 кОм, для получения схемы на Рис. 1), как показано выше, для получения указанной кривой, приведенной на Рис. 2. Казалось бы, это должна быть прямая линия, но на самом деле она намного ближе к логарифмической, чем у стандартного логарифмического потенциометра. Для стерео используйте сдвоенный потенциометр с двумя резистивными секциями и включите обе одинаково. Для R рекомендуется использовать резистор с точностью 1 %. Потенциометр может иметь различный номинал, следует только сохранять соотношение в диапазоне от 6:1 до 10:1 между номиналами потенциометра и сопротивления R, соответственно. В то время, как отношение 8.33:1 (как показано на Рис. 1) близко к реальной логарифмической кривой, при низких уровнях сигнала все еще возможна чрезмерная чувствительность. Можно использовать более высокие коэффициенты, чем 10:1, но это будет приводить к чрезмерной нагрузке на движок потенциометра, либо же требовать использования потенциометра со слишком большим сопротивлением.

Рис. 2 Кривая зависимости выходного уровня от угла поворота, в дБ

При условии, что коэффициент усиления предусилителя определен верно, хорошее приближение к истинной логарифмической функции потенциометра получается по крайней мере в диапазоне 25 дБ, что достаточно для обычно требуемых регулировок.

Коэффициент усиления предусилителя является правильным тогда, когда ручка потенциометра бо́льшую часть времени своей работы находится в положении между 10 и 14 часами. Если громкость часто ниже или выше этого диапазона, пересмотрите возможность изменения коэффициента усиления предусилителя. Чтобы получить «двухступенчатый» регулятор громкости, коэффициент усиления можно переключать, благодаря чему всегда доступна оптимальная настройка.

Другим преимуществом «фальшивой» логарифмической зависимости является то, что линейные потенциометры обычно стабильнее (и лучше регулируют) мощность, чем коммерчески доступные «логарифмические» потенциометры, за счет чего будут меньше различаться уровни сигнала между левым и правым каналами. Дополнительный резистор еще больше улучшает эту зависимость, позволяя дешевому углеродному потенциометру сравняться с высококачественным (по крайней мере, по точности — я не буду здесь обсуждать качество звука).

Удостоверьтесь, что импеданс источника (буферного каскада) низкий и что он способен управлять сопротивлением нагрузки, когда регулятор установлен полностью на максимум (для потенциометра на 100 кОм общее сопротивление может снижаться до 9 кОм). Необходимую кривую зависимости потенциометра испортит применение соединительных проводов с высоким импедансом настолько, что она больше не будет напоминать ничего полезного.

Наилучшая конструкция регулятора громкости (Pt 2 — дальнейшие идеи)

Схема первоначально разработана Питером Баксандалом (известна среди множества других проектов, как регулятор уровня громкости в обратной связи), существует также ее активная версия «наилучшего регулятора уровня», использующая операционный усилитель и потенциометр в контуре обратной связи. Логарифмическая зависимость почти идентична таковой для пассивной схемы, приведенной выше, но эта схема может обеспечить как усиление, так и затухание сигнала. Пример этой конструкции можно найти в Проекте № 24, а схема базовой идеи показана на Рис. 3.

Рис. 3 Активный логарифмический регулятор громкости

Буфер (U1A) позволяет каскаду инвертирования (необходимому для обеспечения работоспособности схемы) иметь очень высокий входной импеданс. В противном случае это было бы невозможно без использования резисторов с очень высоким номиналом, что может увеличить шум до неприемлемого уровня. Максимальный коэффициент усиления, как показано, равен 10 (20 дБ), а минимальный коэффициент усиления равен 0 (максимальное ослабление). Входное сопротивление является переменным и зависит от положения движка потенциометра. При минимальном усилении входной импеданс составляет все 50 кОм потенциометра, он опускается до примерно 27 кОм при среднем положении движка потенциометра и до около 4,3 кОм при максимальном усилении. Импеданс намного меньше, чем у самого потенциометра из-за наличия обратной связи с оконечного операционного усилителя.

Эти значения импеданса аналогичны (но немного ниже), чем у простой пассивной версии (при использовании потенциометра на 100 кОм) и опять же требуют низкоимпедансного источника, либо логарифмический закон не будет соблюден должным образом. Фактическое значение для VR1 не имеет значения и что-либо от 10 кОм до 100 кОм будет работать одинаково хорошо, хотя и будет влиять на входное сопротивление. Ошибка при 50 % угла поворота движка потенциометра составляет менее 5 % при его значениях от 10 кОм до 100 кОм.

Рис. 4  Зависимость между выходным уровнем и углом поворота движка по схеме Рис. 3

Обратите внимание, что дополнительное преимущество улучшенного отслеживания не распространяется на активную версию (по крайней мере, не в той же мере), поэтому используйте наилучший потенциометр, который только можете себе позволить, чтобы обеспечить точный баланс канала. Для многих предусилителей максимальное усиление 20 дБ будет слишком большим. Обычно достаточно усиления 10 дБ. Чтобы получить меньшее усиление, увеличьте номинал R2, (3.3 кОм достаточно близко уменьшит коэффициент усиления до величины 10 дБ). Это также увеличит входной импеданс в наихудшем случае.

Наилучший регулятор громкости (Pt. 3 — Моно-версия)

Описанный ниже трюк использовался в нескольких гитарных усилителях. Однако, из-за того, что для него применяется потенциометр с двумя секциями, он не подходит для стереофонических сигналов, потому что четырехсекционные линейные потенциометры (а также любые другие с четырьмя секциями) раздобыть практически невозможно. Приближение к логарифмической зависимости очень хорошее, по крайней мере в диапазоне 30 дБ, но оно лишь незначительно лучше, чем версия, показанная на Рис. 1, тогда, как для этой схемы требуются две секции.

Рис. 5 Аппроксимация логарифмической зависимости с использованием двухсекционного потенциометра

Ниже показана зависимость ответа от угла поворота. Через конечный диапазон 25 дБ она дает почти прямую линию (то есть, зависимость по-настоящему логарифмическая). Это хороший способ получить гладкий ответ от потенциометра, но, как уже отмечалось, он реально применим только для моносистемы, что, скорее, ограничивает его полезность.

Рис. 6 Зависимость между выходным уровнем и углом поворота движка по схеме на Рис. 5

Улучшенный регулятор громкости (Pt. 4 — многоканальная версия)

Для тех, кто нуждается в многоканальном истинном логарифмическом регуляторе уровня (см. Проект № 141). Проект использует THC2180 VCA и может быть настроен как угодно, от 1 до 8 каналов (или более, если вы используете более 8 каналов). Он идеально подходит для систем домашнего кинотеатра для полного предусилителя и вам нужно использовать только переключение каналов. VCA обеспечивает также усиление, поэтому это, по сути, полный предусилитель.

Улучшенный регулятор баланса (предложенный Ludwig Bernd)

Bernd, читатель «The Audio Pages», предложил полезную схему, в данном случае — «Улучшенный регулятор баланса». Обратите внимание, что описанная конфигурация требует высокоимпедансной нагрузки и пассивный «Улучшенный регулятор громкости» в этой схеме использоваться не может. При использовании показанным ниже образом, он по концепции очень похож на улучшенный регулятор громкости, показанный на Рис. 1, за исключением того, что это (в некотором смысле) та же самая идея, но в обратном порядке.

Имейте в виду, что многие (особенно ранние японские) конструкции используют для балансировки специально сконструированный потенциометр из-за чего он не подходит для схем, показанных ниже. Эти потенциометры обычно имеют центральную фиксацию и сопротивление каждой дорожки остается очень низким от нейтрального до одного (или другого) крайнего положения. Эти «специальные» потенциометры характеризуются тем, что при вращении балансировочного потенциометра уровень остается постоянным в одном канале или в другом. Общий закон изменения этих регуляторов (IMO) для Hi-Fi остается неудовлетворительным.

Ниже приведена стандартная схема регулировки баланса/громкости с использованием обычных потенциометров (один канал):

Рис. 7 Обычный регулятор баланса/громкости

BAL = 2.5 * VOL

Например: VOL = 10 кОм с логарифмической зависимостью, BAL = 25 кОм с линейной зависимостью

Добавление резистора «R» обеспечивает два интересных улучшения в стандартных цепях регулировки баланса и громкости. Обратите внимание, что коммутатор не является обязательным и может быть легко исключен (т.е., закорочен).

Рис. 8 Улучшение с дополнительным резистором

A) R = VOL (к примеру, 10 кОм)

Балансный потенциометр, когда его движок находится в центральном положении, «виртуально отсутствует».

В таком положении резистивная дорожка балансного потенциометра создает только нагрузку на предыдущую ступень, поскольку ток через скользящий контакт отсутствует (так что вы вообще, если хотите, можете разомкнуть переключатель «Sw1» без изменения чего-либо). Это кажется разумным, т.к. до тех пор, пока вы не регулируете балансировку, он практически отсутствует в цепи (сигнал не проходит через его скользящий контакт). Следовательно, качество (или возраст) балансировочного потенциометра вообще не имеет значения.

Звуковые помехи могут проявиться только по двум причинам:

• Если резистивная дорожка балансировочного потенциометра не являются абсолютно симметричной, по крайней мере один из скользящих контактов не будет стоять точно в центре (добавление переключателя Sw1 может это полностью устранить, но я сомневаюсь, что в этом есть необходимость) ,
• Если сопротивление углеродистой дорожки потенциометра (наихудший сценарий!) изменяется из-за изменения давления скользящего контакта (вызванного акустическим резонансом, как в угольных микрофонах старых телефонов), нагрузка на предыдущий каскад изменится (но я подозреваю, что в действительности трудно найти каскад, который будет «чувствовать» ее).

Благодаря резистору «R», балансировка вблизи центрального положения работает плавно, а общая громкость значительно меньше, чем без него. Это приводит к другому варианту:

B) R = 4,7 кОм (R = ~ 0,47 * VOL)

Ручка баланса работает, не влияя на общий уровень

Такой вариант обеспечивает наилучшие эксплуатационные удобства, т.к. тогда громкость звука перемещается слева направо без значительного изменения общей громкости. Входное напряжение на обоих каналах постоянное и равное, сумма мощности левого и правого каналов остается приблизительно (± 0,2 дБ) постоянной в диапазоне примерно 80% от всего угла вращения ручки (который относительно центрального положения работает по-прежнему медленно). Я решил использовать фактор 0,47 после некоторого компьютерного моделирования и после этого проверил его в своем предусилителе.

Он действительно работает так, как и ожидалось, (наблюдается небольшое увеличение общей громкости в крайних правых и левых позициях). Я не хочу больше упускать возможность регулировки баланса, поскольку действительно есть записи, страдающие от серьезного дисбаланса каналов. Перемещение кресла или динамиков не является удобным средством против этого явления. Правильным путем является «перемещение» солиста на два фута влево или вправо без изменения общей громкости, просто вращая ручку баланса.

Выбирая подходящее соотношение сопротивлений R/Vol между 1,0 и 0,47, возможен любой компромисс между версиями «золотое ухо» и «максимальный комфорт».

Сопротивление этих «усиленных» цепей примерно соответствует сопротивлению одного потенциометра «VOL» (если R = Vol и BAL ~ 2·VOL), поэтому вы можете добавить BAL и R к любой «чистой» конструкции без изменения её критичных параметров (разумеется, на R будет происходить затухание в 4-6 дБ, поэтому в будущем на шкале вращения ручки регулятора громкости вам потребуется добавить около 5 или 10 градусов дуги). Даже когда регулятор баланса установлен в крайние положения, наблюдается только умеренное изменение нагрузки (максимально –30 %), которое не будет сильно влиять на какой-либо разумно спроектированный предусилитель.

Если в вашем усилителе уже есть стандартная цепь регулировки баланса, к ней легко добавить дополнительные резисторы. Просто припаяйте их к соответствующим выводам балансировочного потенциометра (на одном канале от центра влево и на другом — от центра вправо). Регулятор громкости при этом не задействуется.

Оригинал статьи

Теги:

• Регулятор громкости
• Перевод