Линейные потенциометры в улучшенных регуляторах громкости и баланса

Надеюсь, вам будет интересен мой перевод статьи про использование обычных потенциометров с линейной зависимостью для плавной регулировки громкости и баланса.
Оригинальная статья: Better Volume (and Balance) Controls. By Rod Elliott, additional material provided by Bernd Ludwig

↑ Улучшенный регулятор громкости

Регулятор громкости в Hi-Fi усилителе (или любом другом аудио устройстве, если на то пошло), очень прост, не так ли? Нет, не так! Для того чтобы получить плавный рост уровня громкости при повороте ручки регулятора, потенциометр должен быть логарифмическим (изменять своё сопротивление по логарифмическому закону), чтобы изменение громкости соответствовало нелинейным характеристикам нашего слуха. Линейный потенциометр не удовлетворяет этим требованиям.

В магазинах радиодеталей, вместо потенциометра с действительно логарифмической зависимостью изменения сопротивления в зависимости от угла поворота движка, вы рискуете купить потенциометр, проводящая дорожка которого состоит из двух линейных участков, каждый со своим градиентом сопротивления. Теоретически, они аппроксимируют логарифмическую кривую, достаточно близко. Но исследователи обнаружили, что это бывает редко, и на стыке между двумя участками происходит «разрыв», «скачок», который особенно заметен при прохождении этого участка.
Как и в линейных потенциометрах, используемых в качестве регуляторов громкости, первые 10% вращения вызывают слишком большой прирост уровня, особенно из положения «OFF», чтобы можно было комфортно регулировать небольшие уровни громкости. «Правильный» логарифмический регулятор теоретически имеет диапазон до 100 дБ, на самом деле это излишне, потому что обычно громкость регулируется в гораздо более узком диапазоне – примерно 25 дБ, что соответствует отношению мощности 316:1.

Есть возможность, с некоторой доработкой, обеспечить работу обычного потенциометра с линейной зависимостью в данном диапазоне с достаточной на практике линейностью.
На рис. 1 показана схема «переделки» линейного резистора в логарифмический.

Возьмите линейный потенциометр (VOL) 100 кОм, и подключите, как указано на рис. 1 (резистор R = 10…15 кОм, например, 12 кОм. На рис. 2 показана полученная зависимость изменения уровня сигнала в зависимости от угла поворота ручки регулятора.

У «настоящего логарифмического» регулятора эта зависимость будет выражена прямой линией. На практике полученная линия значительно ближе к идеальной, чем стандартный недорогой логарифмический потенциометр. Для стерео, используйте сдвоенный блок потенциометров с минимальной разницей сопротивления потенциометров между собой. Использование точных 1% резисторов для R рекомендуется. Номинал потенциометра VOL можно изменить, но важно сохранить соотношение от 6:1 до 10:1 между сопротивлениями VOL и R соответственно.
Выбор конкретного отношения является компромиссом. На рис. 2 отношение резисторов 8,33:1, оно ближе всего к аппроксимации логарифмической зависимости, но при данном отношении может быть слишком резкая регулировка на минимальных уровнях громкости. Более высокие коэффициенты, чем 10:1 могут чрезмерно нагружать выход предварительного усилителя или требовать использования потенциометра, сопротивление которого слишком велико.

При правильно спроектированной диаграмме уровней усилительного тракта обычно будет достаточно диапазона регулировки громкости близкого к логарифмическому в диапазоне 25 дБ. Диаграмма уровней усилительного тракта выставлена правильно, если в подавляющее большинство времени работы потенциометр регулятора громкости находится в положении между 10 и 2 «часами».

Если ручка регулятора громкости часто установлена в положение ниже или выше этого диапазона, следует рассмотреть вопрос об изменении коэффициента усиления предварительного усилителя. Усиление тракта, как правило, определяется усилением предварительного и оконечного усилителя, поэтому может быть оптимизировано без ухудшения качества. Другим преимуществом «поддельного» логарифмического потенциометра является то, что линейные потенциометры, как правило, имеют более стабильные характеристики, чем имеющиеся в продаже логарифмические потенциометры, у линейных потенциометров обычно меньше разница между левым и правым каналами.

Дополнительный резистор позволяет добиться от дешевого углеродного потенциометра того же результата, что и от гораздо более дорогого потенциометра с токопроводящим пластиком (по крайней мере в точности, не вступая здесь в дискуссию по качеству звука). Необходимо только убедиться, что выходное сопротивление источника, сигнал с которого поступает на потенциометр, низкое, и что выходной каскад источника сигнала имеет достаточную нагрузочную способность (при потенциометре в 100 кОм, общее сопротивление регулятора может составить всего 9 кОм). При высоком выходном сопротивлении источника сигнала, использование данного решения не имеет смысла.

↑ Дальнейшие идеи

Идея разработана Питером Бэксандаллом (Peter Baxandall), который знаменит своим регулятором тембра и другими разработками. У него есть проект «улучшенного регулятора громкости» на операционных усилителях и потенциометре в цепи обратной связи. Зависимость регулировки практически совпадает с конструкцией на пассивных элементах, описанной выше, и так же близка к логарифмической, но схема на активных элементах может обеспечить как усиление, так и ослабление сигнала. Пример такой конструкции можно найти в Проекте 24, а основная идея показана на рис. 3.

Входной буфер (U1A) необходим для обеспечения высокого входного сопротивления. Максимальный коэффициент усиления каскада на U1A равен 10 (20 дБ), а минимальный коэффициент усиления 0 (максимум затухания). Входной импеданс является переменной величиной, в зависимости от установки потенциометра.

При минимальном усилении, входной импеданс равен полному сопротивлению потенциометра 50 кОм. Входной импеданс падает примерно до 27 кОм при повороте ручки потенциометра на 50%, и примерно до 4,3 кОм на максимуме. Входной импеданс намного меньше, чем у потенциометра из-за наличия обратной связи от конечного операционные усилителя. Эти цифры сопротивлений похожи (но немного ниже, чем у пассивного варианта (если используется потенциометр 100 кОм), и здесь требуется низкое выходное сопротивление источника сигнала, иначе логарифмическая зависимость не будет соблюдаться.

Фактическое значение VR1 не имеет значения, потенциометры от 10 кОм до 100 кОм будут работать одинаково хорошо, хотя это будет влиять на входное сопротивление. Зависимость регулировки от угла поворота показана на рис. 4.

Обратите внимание, что из-за отсутствия дополнительного резистора по схеме рис. 1, здесь не нивелируется разность в разбросе резисторов разных каналов, поэтому для их лучшего баланса между собой, надо уделить внимание идентичности сопротивлений. Усиление в 20 дБ будет избыточно для большинства предусилителей. Как правило, достаточно усиления 10 дБ. Для получения такого усиления достаточно увеличить R2 до 3,3 кОм.

↑ Моно-версия

Следующий трюк использован в некоторых гитарных усилителях. Используются сдвоенные потенциометры, что не слишком подходит для стерео, так счетверенные линейные потенциометры достаточно дефицитны. Схема показана на рис. 5.

Приближение к логарифмической зависимости очень хорошее, по крайней мере, в диапазоне 30 дБ, это несколько лучше, чем у версии, показанной на рис. 1.
Зависимость регулировки от угла поворота показана на рис. 6.

При уменьшении уровня от максимального в диапазоне 25 дБ, зависимость почти линейна (т.е. действительно логарифмическая). Это хороший способ получить хороший результат, но, как уже отмечалось, для стереоусилителя требуется счетверенный потенциометр. Это ограничивает полезность данного решения.

↑ Многоканальная версия

Для тех, кто нуждается в многоканальной логарифмической регулировке громкости, есть Проект 141. Проект использует микросхему THAT2180 VCAS, и может управлять от 1 до 8 каналов (или даже больше). Он идеально подходит для систем домашнего кинотеатра, и вам надо только включить данный проект в тракт звуковоспроизведения.

↑ Улучшенный регулятор баланса Бернда Людвига (Bernd Ludwig)

Бернд Людвиг предложил полезный вариант «улучшенного регулятора баланса». Следует отметить, что данный вариант требует высокого сопротивления нагрузки, предложенный выше пассивный «улучшенный регулятор громкости» не может быть использован в этой схеме. Схема включения очень похожа на концепцию улучшенного регулятора громкости на рис. 1, за исключением того, что эта идея используется в «обратном направлении».

Имейте в виду, что многие (особенно ранние японские) регуляторы баланса используют специально разработанные потенциометры, они не подходят для схем, показанных ниже. Эти специально разработанные потенциометры имеют токопроводящую подкову половина которой металлизирована. В среднем положении благодаря металлизированным секторам дорожек сигнал проходит только по металлизированным частям и затухания сигналов не происходит.

При повороте регулятора, в одном канале ползунок движется по металлизированной части и уровень сигнала в этом канале не меняется, а в другом канале ползунок движется по графитовой поверхности с высоким сопротивлением, что приводит к затуханию сигнала в данном канале. По моему мнению такая регулировка является неудовлетворительной для Hi-Fi.

Стандартная схема регулировки баланса/громкости с использованием обычных потенциометров (в одном канале) показана на рис. 7 ниже.

Типичное отношение сопротивлений регуляторов BAL = 2,5*VOL
Например: VOL = 10 кОм log, BAL = 25 кОм linear

Добавление резистора 'R' как показано на рис. 8

дает возможность двух интересных улучшенных вариантов стандартной схемы регулировки. Обратите внимание, что переключатель является необязательным и может быть заменен перемычкой.

↑ Пример А: R = VOL (например, 10 кОм)

В среднем положении регулятора баланса, он влияет только на нагрузку источника т. к. мост сбалансирован, и ток через скользящий контакт регулятора баланса не течет.
Поэтому замыкание и размыкание переключателя «Sw1», ничего не меняет. Это, кажется, разумным: пока регулятор баланса находится в среднем положении, сигнал через него не проходит. Следовательно, качество (или состояние) потенциометра регулятора баланса вообще не имеет значения. На практике баланс может не совсем соблюдаться, если дорожки регулятора баланса имеют неодинаковое сопротивление от центрального до крайних положений. Благодаря дополнительному резистору 'R', регулятор баланса работает очень плавно вблизи центрального положения и влияние на общий уровень громкости гораздо меньше, чем без него.

↑ Пример Б: R = 4,7 кОм (R = ~ 0,47 * VOL)

Регулятор баланса работает, не влияя на общий уровень громкости.
Это удобно в эксплуатации, так как звуковая сцена может плавно смещаться влево или вправо без существенного изменения общего уровня громкости. Суммарное входное напряжение обоих каналов постоянно с точностью примерно (±0,2 дБ) при изменении положения регулятора баланса в пределах 80% (при этом регулировка баланса остается особенно плавной вблизи центрального положения). Я пришел к множителю 0,47 после моделирования на компьютере и проверил его, реализовав в моем предусилителе. Он работает, как и ожидалось (есть только незначительное увеличение общей громкости в крайнем правом и левом положениях).

Я считаю, что регулятор баланса необходим, так как есть немало записей, которые страдают от тяжелого дисбаланса каналов. Перемещать же кресло или колонки неудобно. Перемещение звуковой сцены влево или вправо без изменения общей громкости, просто активируя ручку баланса, очень удобно и правильно.

Компромисс между критериями «золотого уха» и «максимальным удобством» можно найти, выбрав подходящее отношение «R/Vol» между 1,0 и 0,47.
Вы можете добавить регуляторы баланса (например, R = VOL и BAL ~ 2*VOL)в усилители «пуристов» где он отсутствует. Критического изменения параметров не произойдет (конечно, будет некоторое уменьшение чувствительности примерно на 4…6 дБ, которое придется компенсировать регулятором громкости). Даже когда регулятор баланса установлен в крайних положениях общее изменение громкости составляет примерно 30%.
Если обычный регулятор баланса в усилителе уже есть, его легко доработать… Надо просто припаять дополнительные резисторы к соответствующим контактам регуляторов громкости и баланса.

↑ Примечания переводчика

Я не гарантирую абсолютную точность перевода. Практических опытов подтверждающих измерения автора я не делал. Вместе с тем, материал интересный и здесь собраны вместе технические решения, которые встречаются в разных конструкциях и статьях.

Логарифмические потенциометры нужного размера и номинала найти весьма непросто, что и стало одной из причин данного перевода.
Вместе с тем, большинство современных источников сигнала и самодельных предварительных усилителей имеет весьма низкое выходное сопротивление, что позволяет использовать описанный улучшенный регулятор громкости.

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации