Wzmacniacz. Tone control

Wzmacniacz. Tone control

  Dźwięki przyrody, dźwięki instrumentów, mowę i śpiew człowieka przetwarzane są na sygnał elektryczny mikrofonami. Niektóre instrumenty mają wbudowane własne przetworniki elektryczne, na przykład gitary. Elektroniczne syntezatory dźwięku wprost dostarczają sygnału elektrycznego. Parametry najlepszych mikrofonów studyjnym są obecnie całkiem dobre. Podczas wykonania utworu muzycznego w studiu sygnały z mikrofonów muzyków i instrumentów rejestrowane są na wielośladowym magnetofonie studyjnym wysokiej jakości. Następnie inżynierowie dźwięku wielokrotnie odsłuchując nagranie starają się tak zmiksować ścieżki - źródła aby otrzymać jak najlepszy efekt. Brzmienie każdego śladu można indywidualnie zmienić i odfiltrować zbędne spectrum sygnału. Gdy cichsze źródła mają być trochę wyeksponowane można zastosować kompresor dla nich. Z uwagi na własności słuchu przyjmuje się że najczęściej muzykę będzie się słuchać z poziomem 65-70 dB. Ostatecznie dla konsumentów nagrywa się płyty gramofonowe i kasety magnetofonowe.

Na zachodzie poziom inżynierii dźwięku stoi wyżej niż na wschodzie co łatwo stwierdzić porównując brzmienie płyt gramofonowych.

Dynamika i pasmo zapisu dźwięku na płytach są ograniczone. Skutkiem zużycia i zabrudzenia płyty spada jakość jej kolejnych odtworzeń. W rozgłośniach radiowych nową płytę odtwarza się wysokiej jakości gramofonem i zapisuje na magnetofonie. Później źródłem sygnału jest już magnetofon.

Głośnik dynamiczny jest wynalazkiem stosunkowo niedawnym bo z 1925 roku. Pole magnetyczne dla cewki głośnika wytwarzał początkowo elektromagnes. Jego uzwojenie było elementem filtru zasilacza pomiędzy dwoma kondensatorami prostownika. Tętnienia wyprostowanego prądu sieciowego powodowały niewielką modulacje efektywności z częstotliwością sieciową. Ciężki stalowy magnes użyto dopiero w 1930 roku. Po wojnie popularność zdobyły magnesy Alnico. Stop Alnico 5 w wąskiej szczelinie daje indukcje do 1.28 T. Magnesy Alnico są niestety podatne na przypadkowe rozmagnesowanie. Zostały wyparte przez tańsze i niezawodne magnesy ferrytowe, których indukcja jest z reguły trochę mniejsza.

Od materiału membrany oczekujemy dobrego stosunku masy do sztywności i dużego tłumienia wewnętrznego. Celuloza ma przyzwoite parametry ale dodawane są do niej włókna naturalne i sztuczne mające istotnie polepszyć własności.

Drut uzwojenia i karkas cewki głośnika powinny wytrzymywać podwyższoną temperaturę. Warto zwrócić uwagę że miedź ma duży dodatni współczynnik temperaturowy oporności i silne rozgrzanie cewki głośnika przy dużej głośności powoduje obniżenie efektywności głośnika i dodatkowo zniekształcenie charakterystyki częstotliwościowej zestawu głośników !

Dźwięk można odtworzyć z wysoką jakością tylko kolumną głośnikową czyli zestawem głośników ze zwrotnicą głośnikową z filtrami LC. Najpopularniejsze są kolumny dwudrożne z głośnikiem niskotonowym i wysokotonowym, później trójdrożne z głośnikiem niskotonowym, średniotonowym i wysokotonowym. Ułamek stanowią zestawy czterodrożne.

Sprawa filtrów stosowanych przy nagrywaniu i odtwarzaniu płyt gramofonowych ( tak zwana ekwalizacja ) ma już długą historie. Założona w 1952 roku The Recording Industry Association of America ( RIAA – Asocjacja Przemysłu Nagraniowego Ameryki ) zrzesza producentów ponad 87% płyt sprzedawanych w USA. Norma RIAA dotycząca ekwalizacji przy nagrywaniu i odtwarzaniu jest powszechnie uznana w świecie ale różne państwa mają często niewiele od niej odbiegające swoje własne normy jak Niemcy Zachodnie czy ZSRR. Gdy sygnał z wkładki magnetycznej gramofonu podamy do wejścia liniowego wzmacniacza to mocno podniesione są tony wysokie i mocno osłabione niskie a sygnał jest poza tym za mały. Podnosząc regulacją tonów maksymalnie tony niskie i tłumiąc wysokie dźwięk przybliża się do normalnego brzmienia ale nadal nie jest ono do końca normalne.

Przed faktyczną normalizacją ekwalizacji nagrań przez RIAA stosowane były różne ekwalizacje i aby można było odsłuchać płyt gramofonowych z różnych źródeł przydatna była „regulacja” tonów ! Od lat trzydziestych odbiorniki radiowe i wzmacniacze miały prostą regulację tonów. W jednym skrajnym położeniu potencjometru lub przełącznika tłumione były tony niskie a w przeciwległym wysokie. Powstało wiele wariantów tej regulacji tonów.

Przełomem w dziedzinie „Tone Control” były artykuły Petera Baxandalla z 1952 roku. Pierwszy bierny korektor zapewniał niezależne podnoszenie / tłumienie tonów niskich i wysokich aż do maksymalne +-20 dB a więc głębokie. Przy płaskiej charakterystyce tłumienie biernego korektora jest takie jak maksymalna głębokość korekcji czyli do 20 dB. W drugim artykule opisano wersję aktywną z korektorem umieszczonym w równoległym sprzężeniu zwrotnym pentody ale równie dobrze może to być trioda lub tranzystor. Zastosowano w nim potencjometr do regulacji wysokich tonów z odczepem na środku ścieżki oporowej ale układ udoskonalono aby można było stosować zwykły potencjometr.

Korektory tego rodzaju stosowano masowo i stały się one swoistą normą. Mimo iż urządzenia z korektorem produkowano w milionach sztuk to Baxandall nie dostał ani „grosza” za swoje wynalazki.

Regulacja tonów ma pomóc zmniejszyć wady źródła sygnału akustycznego, skompensować wady głośników, słuchu i wady pomieszczenia oraz zaspokoić preferencje słuchacza. Preferencje słuchacza nie są czymś z góry danym człowiekowi ale stopniowo się kształtują. Osoba bywająca w filharmonii i na koncertach docenia naturalne piękno muzyki i nie pogarsza go regulacją tonów.

Czy podniesienie basów w sytuacji gdy głośniki słabo je odtwarzają coś da ? „Z pustego i Salomon nie naleje” Po podniesieniu basów głośniki głównie odtwarzają harmoniczne najniższych częstotliwości psując percepcje audycji. Podniesienie basów przy odtwarzaniu z gramofonu powoduje podanie do głośnika sygnału infradźwiękowego i poruszanie membrany głośnika niskotonowego co ogranicza moc sygnału który głośnik odtworzy bez zniekształceń. Wyższej klasy wzmacniacze mają załączany filtr górnoprzepustowy specjalnie dla gramofonu. Jaki jest sens filtru który głównie neutralizuje podniesienie niskich tonów ?

Czy mocne podniesienie sopranów coś da gdy pasmo audycji UKF – FM kończy się na 7 KHz ? Podniesiemy głównie szumy psując percepcje audycji.

Poziom szumów przy odbiorze stereofonicznym MPX rośnie w stosunku do odbioru monofonicznego aż o 26 dB. Dobry odbiór jest możliwy tylko przy silnym sygnale antenowym. Podnoszenie wysokich tonów podnosi i tak już duże szumy zlokalizowane głównie w górnej części pasma.

Radiowy dekoder stereofoniczny powinien mieć na wyjściu w każdym kanale filtry z dwoma obwodami LC odcinające pilota 19 KHz i górną wstęgę sygnału MPX. Ale polskie odbiorniki mają tylko prosty filtr z jedną indukcyjnością lub nie mają żadnego ! Układ regulacji tonów podnoszący niewyciętego pilota 19 KHz radiowego sygnału stereofonicznego o 20 dB powoduje przy głośnych słuchaniu podanie znacznego sygnału 19 KHz do głośnika i jego przeciążenie i stałą emisje akustyczna19 KHz znacznego poziomu mogącą stopniowo uszkadzać słuch. We wzmacniaczu mocy powstają też znaczne intermodulacje psujące brzmienie dźwięku. Dodać należy że bez filtru MPX nie można poprawnie nagrać sygnału radiowego na magnetofon a układy redukcji szumów Dolby B stosowane w nowoczesnych magnetofonach kasetowych nie działają.

Podnosząc wysokie tony na materiale bogatym w wysokie tony przy dużej głośności a zwłaszcza przy przesterowaniu nadwyrężymy a potem uszkodzimy głośnik wysokotonowy. Toż to absurd.

Szturmujące rynek światowy koncerny japońskie wiedzą że regulacja „tone control” jest w gruncie rzeczy szkodliwa. Ograniczyły więc głębokość tej regulacji do +-10 db a nawet +-6dB.

Płytę gramofonową czy audycje miksuje się tak aby najlepiej brzmiała z poziomem odbioru 65-70 dB. Z powodu charakterystyki słuchu ludzkiego przy cichszym słuchaniu osłabione są w odbiorze niskie tony. Toteż fizjologiczna regulacja głośności ma przy cichym słuchaniu podbijać niskie tony a później i odrobinę wysokie. Regulacja ta zamienia się w nonsens przy mocnej niezgodności nominalnego poziomu sygnału a poziomu rzeczywistego sygnału. Przykładowo przy nominalnej czułości 150 mV podany jest do wejścia sygnał 700 mV i tony niskie i wysokie są bez potrzeby podniesione.

Większość polskiej populacji mieszka w domach wielorodzinnych i częste głośne słuchanie muzyki jest wykluczone z uwagi na cierpliwość sąsiadów. Przy normalnym i cichym słuchaniu bardzo uciążliwe i rujnujące jakość odbioru są stałe szumy na wyjściu urządzenia.

Tak się składa że zastosowanie układu „tone control” z reguły radykalnie podwyższa te spoczynkowe szumy ! Dlaczego tak jest ?

Przy zastosowaniu korektora biernego wzmacniacz za korektorem musi mieć przy głębokiej korekcji +-20db wzmocnienie większe o 20dB co skutkuje o tyle zwiększonymi szumami w głośniku.

Gdy regulacje głośności zastosujemy przed korektorem aktywnym za potencjometrem konieczny jest wtórnik emiterowy aby korektor działał poprawnie sterowany z małej impedancji. Szumy wtórnika i stopnia z korektorem tonów podane są stale do wzmacniacza mocy co skutkuje stałymi szumami.

Regulację głośności można dać za korektorem aktywnym i szumów nie ma przy cichym odtwarzaniu ale wtedy przy mocnym podniesieniu basów i materiale bogatym w basy zwłaszcza ze źródła o dużym poziomie sygnału korektor wnosi zniekształcenia nieliniowe większe niż wzmacniacz mocy a chwilami może być nawet przesterowany! Wysokie są zatem wymagania na stopień wzmacniacza który w sprzężeniu zwrotnym ma korektor. Jeśli w prostym stopniu zastosujemy duży prąd kolektora Ic i napięcie Uce aby nie dopuścić do przesterowania to znacznie wzrosną szumy. Konieczny jest więc wzmacniacz dwu tranzystorowy.

Regulacja tonów Baxandalla jest już anachroniczna. Jest zbyt toporna i zbyt grubo ciosana aby być użyteczną. Do układu w wersji aktywnej łatwo jest dodać trzeci potencjometr do regulacji tonów średnich ale regulacja jest ułomna bowiem przykładowo odjęcie tonów średnich niewiele różni się od dodania tonów niskich i wysokich. Konstrukcja Equalisera na wiele pasm nie jest trudna ale Equaliser raczej pozostanie domeną studiów nagraniowych gdzie jest użyteczny. Przykładowo można w sygnale z mikrofonu solisty obciąć dolną część pasma poniżej 100-200 Hz bowiem energia głosu w tym zakresie jest bardzo niska i w tym zakresie są to faktycznie zakłócenia od innych źródeł dźwięku.

Po pojawieniu się korektora Baxandalla producenci w reklamach podnosili że wyrób ma rewelacyjną regulacje tonów Bass Treble. Regulacja tonów na stałe została wkomponowana - zakodowana w wymagania potencjalnego nabywcy sprzętu Hi-Fi i potencjometry regulacji tonów muszą być. Temat funkcjonowania w społeczeństwie mitów i stereotypów jest znany.

Japoński koncern Pioneer w swoim unikalnym modelu flagowym amplitunera dał podwójne (!) płytkie regulacje tonów niskich i bardzo niskich oraz wysokich i bardzo wysokich. Ale korzystając z tej idei można by dać przełączanie częstotliwości regulacji basów i sopranów i zareklamować to jako rewelacyjną nowość.

Firmy japońskie zorientowały się że regulacja tonów jest w gruncie rzeczy szkodliwa i realnie zmniejsza zadowolenie (!) klientów i mocno ograniczyli jej głębokość. Przy niewielkiej głębokości regulacji tonów umieszczenie układu korektora tonów w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza mocy ma prawie same zalety. Przy podniesieniu tonów przyrost szumów wzmacniacza jest stosunkowo niewielki. Umieszczenie regulatora w sprzężeniu zwrotnym jest natomiast trudne dla projektanta i tylko z tego wynika mała popularność tego rozwiązania.

Głębokość ujemnego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczach lampowych mocy jest mała z racji obecności w torze pojemnościowego sprzężenia wyjścia stopnia wzmocnienia napięciowego z siatkami lamp/y mocy i transformatora czyli znów filtru górnoprzepustowego. Niemniej płytka regulacja w sprzężeniu zwrotnym basów i sopranów jest jak najbardziej możliwa. Taką regulacje zastosowano w wielu gramofonach i odbiornikach telewizyjnych a w tym w radzieckim odbiorniku kolorowym Rubin. Zatem klient ma regulacje tonów i widzi potencjometry i szczęśliwie z powodu niewielkiej głębokości regulacji niewiele może zepsuć. Prawie nie ma podniesionych szumów spoczynkowych. Całkiem dobrą regulacje potencjometrami „basów” i sopranów ma gramofon Bambino ze wzmacniaczem na jednej lampie.

Innym ciekawym rozwiązaniem jest przełączana w sprzężeniu zwrotnym charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza. Naśladowczo to rozwiązanie zastosowano w polskich lampowych odbiornikach TV. Położenia przełącznika optymalnego brzmienia nazywają się normalne, mowa, jazz, pop. Rozwiązanie takie zastosowano w lampowym odbiorniku TV Topaz.

W urządzeniu ze zdalnym sterowaniem pilotem sygnał z filtrów w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza mocy na jego wejściu ujemnym mogą przełączać tanie przełączniki CMOS. Nie ma dodatkowych szumów i zniekształceń a są pożądane klawisze na komplikującym się ( uzasadnienie dla wyższej ceny nowoczesnego TVC i amplitunera lub wzmacniacza ) pilocie. Rozwiązanie to można też rozegrać reklamowo jako nowość.

Philips do odbiorników TVC ze zdalnym sterowaniem i wysokiej jakości dźwiękiem

oraz do wzmacniaczy i amplitunerów proponuje scalone układy regulacji fizjologicznej głośności i tonów TCA730 i 740. Philips chce więc eksploatować funkcjonujące stereotypy. Zniekształcenia są trochę za duże a koszmarną wadą są duże szumy spoczynkowe ! Zmniejszenie lub eliminacja tych wad jest możliwa.

W odbiorniku TVC wyposażonym w dekoder Ceefax i wysokiej jakości dźwięk ilość przycisków pilota staje się spora i dekoder zdalnego sterowania w odbiorniku musi już mieć mikrokontroler.

Podsumowując:

-Układy głębokiej regulacji tonów poskutkowały komplikacją wzmacniacza i bardzo znacznym i uciążliwym podniesieniem poziomu spoczynkowych szumów w głośnikach. Regulacja służy głównie do psucia odbioru audycji.

Gdy regulacja wzmocnienia jest za korektorem tonów może on wprowadzić duże zniekształcenia nieliniowe przy dużym sygnale wejściowym i maksymalnym podniesieniu tonów

-Temat jest otwarty i możliwe są kolejne nowości

-Regulacja winna być płytka i umieszczona w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza mocy

-Regulacja fizjologiczna głośności jest dobrym rozwiązaniem pod warunkiem że poziom sygnału ze źródła jest taki jak nominalny poziom sygnału wejściowego !

-Mały poziom sygnału 150 mV między urządzeniami audio ma uzasadnienie tylko historyczne i coraz częściej poziom sygnału wyjściowego jest znacznie większy. Przy małym napięciu delikatnego sygnału zakłócenia sieciowe na ekranowanym przewodzie łączącym urządzenia są całkiem spore. Pojemność wzajemna uzwojeń transformatorów generuje prąd upływu 50Hz płynący ekranem przewodów łączących GND urządzeń.

-Dotychczas TV, TVC, wzmacniacz, amplituner, radiomagnetofon, magnetofon, gramofon... miały dużo potencjometrów i przełączników. Układy syntezy częstotliwości PLL i regulacje elektroniczne pilotem zmniejszą tą ilość do zera. Trzeba na płycie czołowej wzmacniacza dać na przykład ładne, podświetlane mierniki poziomu i wyświetlacz LED lub LCD. Jeśli, duży elegancki potencjometr głośności ma być zachowany to silniczkiem można go równolegle przestawiać pilotem.