Переменный резистор с отводом. Регуляторы громкости в ламповых усилителях

ТОНКОМПЕНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР ГРОМКОСТИ

го порядка, обеспечивающим крутизну подъема АЧХ регулятора в низко* частотной области 12 дБ на октаву. Высокочастотная коррекция достигнута введением фильтра верхних частот (ФВЧ) второго порядка C2R5R6C5R7 н традиционной цепи R1CI

Подавляющее большинство тон- компенсированных регуляторов громкости построены по схеме, приведенной на рис. I. Сам регулятор представляет собой переменный резистор с двумя отводами, к движку которого подключена цепь высокочастотной коррекции (RICI). а к отводам - низкочастотной (R3C2 и R4C3).

Основной недостаток таких регуляторов громкости - небольшая глубина тоикомлснсацин в области низших авуковых частот. Так. в ||] отмечается, что все тонкомпенсированныс регуляторы громкости с использованием переменных резисторов с одним или несколькими отводами не позволяют получить требуемые характеристики, поскольку при таком способе регулировки уменьшение громкости вызывает прогрессирующее ослабление составляющих средних и высших звуковых частот, которое по мере перемещения движка регулятора вниз (по схеме) захватывает все более широкий участок спектра воспроизводимого усилителем сигнала. В подтверждение сказанному на рис. 2 приведены АЧХ цепей тбн- компенсации регулятора громкости с использованием переменного резистора с двумя отводами (сплошные линии) и кривые равной громкости (штриховые линии). Сравнение этих кривых показывает, что отклонение фактических АЧХ тонкомпенсацин от кривых равной громкости особенно велико в низкочастотной области при малом уровне громкости.

Для радиолюбителей, ие имеющих возможности приобрести переменные резисторы с отводами, сше в 60-х годах была предложена (4) схема гон- компенсированного регулятора громкости на обычном резисторе группы В без отводов (рис. 3). Высокочастотная коррекция осуществляется здесь целью RICI, низкочастотная - Т-образным фильтром R2C2R3. выделяющим низкочастотные составляющие сигнала и передающим их на выход с ослабленном, зависящим от положения движка резистора R4. АЧХ тонкомпенсацин этого регулятора примерно такие же. как и устройств с использованием переменного резистора с двумя отводами.

Улучшения тонкомпенсацин можно достигнуть подключением дополнительных R&uencA (см. рис. 4). В этом случае функции низкочастотного корректора будет выполнять не только Т-образный фильтр R2C3R3, но и введенная дополнительно цель R7C4. Фактически мы уже имеем дело с фильтром нижних частот (ФНЧ) второ-

Слсдует отметить, что в данном регуляторе тонкомпенсация в области высших частот несколько превышает необходимую. Сделано это преднамеренно, так как субъективные испытания ■ домашних условиях пока* эали целесообразность большего подъема АЧХ на высших частотах при малом уровне громкости по сравнению с рекомендуемой в (3) величиной. Если необходимо, тонкомпснсацию а области высших частот нетрудно довести до стандартной: для этого достаточно

исключить элементы С2. R5, R6. С5.

Тонкомпенсированные регуляторы громкости (ТКРГ), основанные на RC-цепочках , 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 (2003 г.). Этот регулятор основан на резонансном контуре, настроенном на частоту 20 Гц. Снижение добротности контура позволило получить кривые резонанса, которые, по мнению автора , проходят близко от кривых равной громкости. Однако в связи с тем, что частота резонанса F РЕЗ 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 F РЕЗ = 1/(2π√LC). В связи с этим автором 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. 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 . 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 , 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.).

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. , 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 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 A L = 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 = A L ×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, A L = 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 A L = 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 A L = 0.56 мкГн/вит 2 . Индуктивность такого кольца легко подсчитать: L = A L ×W 2 , 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 . 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.

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.

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 ).

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»..

Литература

1. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя в усилителе низкой частоты. - Современная электроника, 2016, № 6, с. 46 - 51.
2. Стародуб Д. Блок регуляторов тембра высококачественного усилителя НЧ. - Радио, 1974, № 5, с. 45, 46.
3. Шихатов А. Тонкомпенсированные регуляторы громкости. - Радио, 2000, № 10, с. 12, 13.
4. Пахомов A. Тонкомпенсированный регулятор громкости с активной бас-коррекцией. - Радио, 2003, № 6, с. 12 - 14.
5. Демченко Б. Тонкомпенсированный регулятор громкости с переменным резистором без отводов. - Радио, 2015, № 12, с. 11 - 13.
6. Сидоров И. Н., Мукосеев В. В., Христинин А. А. Малогабаритные трансформаторы и дроссели. Справочник. - Радио и связь. 1985.

А. ШИХАТОВ, г. Москва
Радио, 2000 год, №10

Известно, что при снижении уровня громкости человек хуже воспринимает низкочастотные и высокочастотные составляющие звукового сигнала. По этой причине в современные звуковоспроизводящие устройства устанавливают частотно-зависимые (тонкомпенсированные ) регуляторы громкости, обеспечивающие подъем высоких и низких частот при малом уровне громкости в соответствии с кривыми равной громкости. Таким образом они улучшают субъективное восприятие звуковой картины. В публикуемой статье рассказывается о наиболее распространенных тонкомпенсированных регуляторах громкости.

Совпадение кривых тонкомпенсации с кривыми равной громкости даже у идеально спроектированного тонкомпенсированного регулятора громкости (ТРГ) возможно только при строго определенном коэффициенте передачи всего звукового тракта, начиная от источника сигнала и кончая громкоговорителем. Иными словами, уровень громкости, при котором производилась тембровая балансировка в процессе записи, должен достигаться при одном и том же положении регулятора громкости для любого источника сигнала. Отклонение коэффициента передачи от расчетного приводит к нарушению тонального баланса.

В комбинированной звуковоспроизводящей аппаратуре со встроенными АС все звенья звукового тракта согласованы по уровню сигнала, и данное условие, хотя и с некоторыми оговорками, выполняется. Усилителям же блочных устройств приходится работать с источниками сигнала с достаточно большим диапазоном выходных напряжений (0.25... 1,5 В) и с АС неизвестной заранее чувствительности (84...94 дБ/Вт/м). поэтому во многих высококачественных усилителях совместно с ТРГ используются регулятор максимальной громкости или регуляторы чувствительности входов, а в последнее время - регуляторы глубины тонкомпенсации.

Тонкомпенсация обычно реализуется частотно-зависимыми делителями (реже фильтрами), связанными с регулятором громкости. Принципиальный недостаток большинства известных регуляторов на переменных резисторах с отводами - недостаточная степень коррекции АЧХ в области низших частот при малой громкости. Для приближения АЧХ к кривым равной громкости необходимо использовать переменные резисторы с несколькими отводами или регуляторы с распределенной частотной коррекцией . Однако такие регулирующие устройства весьма сложны в реализации и поэтому применяются довольно редко.

Наибольшее применение как в промышленных, так и в любительских конструкциях получили ТРГ на резисторе с одним отводом, схема которого приведена на рис. 1 (на этом и всех последующих рисунках рядом со схемой ТРГ показаны его регулировочные характеристики). Отвод обычно делается от 1/10 части общего сопротивления переменного резистора (считая от нижнего по схеме вывода), что соответствует приблизительно 1/4... 1/3 угла поворота движка регулятора. Подключение к отводу RC-цепи превращает регулятор в частотно-зависимый делитель. Цепь R1C1 обеспечивает подьем АЧХ на высших частотах звукового диапазона, a R2C2 - на низших. Однако подобным регуляторам свойственны существенные недостатки. Так обеспечиваемая ими степень коррекции АЧХ в области низших частот явно недостаточна (не более 8... 10 дБ на частоте 50 Гц), а в процессе регулировки заметен ступенчатый характер коррекции. По мере снижения громкости после прохождения отвода степень коррекции уже не меняется, тогда как именно при малой громкости она должна быть максимальной. Попытки увеличить степень коррекции уменьшением сопротивления резистора R2 приводят к появлению характерного провала АЧХ на средних частотах в момент прохождения отвода. И все-таки, несмотря на указанные недостатки, многие конструкторы усилителей 3Ч выбирают именно такой ТРГ из-за его простоты. Указанные на рис. 1 номиналы элементов типичны для большинства конструкций. Иногда резистор R1 может отсутствовать. В этом случае емкость конденсатора С1 должна быть примерно в два раза меньше.

Несколько большую степень коррекции АЧХ в области низших частот обеспечивает регулятор, схема которого приведена на рис. 2. Его прототип применялся в 50-е годы в радиоприемниках фирмы Philips . Примеры использования таких регуляторов в современных промышленных конструкциях автору неизвестны. Цепь R2C2R3 образует ФНЧ, сигнал с выхода которого подается на отвод регулятора. Этому ТРГ свойственны те же недостатки, что и предыдущему, хотя и в меньшей мере.

Недостаточная степень подьема АЧХ на низших частотах у регуляторов, о которых шла речь, объясняется применением корректирующих цепей первого порядка. В ТРГ (рис. 3) глубина коррекции при малой громкости увеличена за счет введения цепи R4C3, образующей совместно с участком переменного резистора от движка до отвода второй частотно-зависимый делитель. Применение двухступенчатой коррекции позволяет довести подъем АЧХ при минимальной громкости до 20...26 дБ на частоте 50 Гц. Оборотная сторона этого достоинства - сужение диапазона регулирования громкости до 45...50 дБ, что, впрочем, чаще всего оказывается вполне достаточным.

В некоторых случаях использование переменных резисторов с отводами нежелательно. На рис. 4 показана схема ТРГ на переменном резисторе без отводов, использующего фильтровый способ коррекции АЧХ. Фильтр R2R3R4C1C2. подавляющий средние частоты сигнала, начинает работать при малых уровнях громкости, благодаря чему происходит подъем низших и высших частот звукового диапазона. Варианты подобного регулятора широко используются в любительских разработках. Степень подъема его АЧХ на низших частотах при минимальной громкости можно увеличить добавлением корректирующей цепи, аналогичной, показанной на рис. 3.

Однако все рассмотренные ТРГ обеспечивают только фиксированную и отнюдь не идеальную коррекцию АЧХ и в ряде случаев требуют применения регуляторов тембра для подстройки тонального баланса. Попытки создания ТРГ с регулируемой коррекцией или совмещения ТРГ с регуляторами тембра предпринимались еще в 50-х годах. Вероятно, одной из первых реализаций этой идеи был регулятор громкости приемника немецкой фирмы Kontinental . В нем наряду с пассивным ТРГ на резисторе с двумя отводами использовалась регулируемая частотно-зависимая ООС, напряжение которой подавалось на регулятор с выходного трансформатора усилителя.

Оригинальная схема комбинированного пассивного узла регулировок громкости и тембра в транзисторном усилителе приведена на рис. 5 . Здесь переменный резистор R3 совместно с цепями R1C1. R2C2, R4C4 образуют цепь регулировки коррекции на высших частотах. Цепь C5R5, подключенная к отводу регулятора громкости R7, обеспечивает низкочастотную коррекцию. Незначительный подъем АЧХ на низших частотах в положении минимальной громкости создается резистором R2. Регулируется глубина НЧ-коррекции резистором R6.

Широкие пределы регулировки АЧХ в настоящее время представляются излишними, поэтому имеет смысл исключить конденсатор С2, заменить перемычкой конденсатор С1 и резистор R1. а сопротивление переменного резистора R6 уменьшить до 100 кОм. После такой доработки устраняется спад АЧХ в области высших частот, а диапазон регулировки АЧХ на низших частотах сужается до 10 дБ.

Схема разработанного автором простого ТРГ с регулируемой коррекцией на основе резистора с отводом приведена на рис. 6. Регулировка глубины коррекции одновременно по низшим и высшим звуковым частотам производится переменным резистором R1. Если регулировка в области высших частот не требуется, можно исключить конденсатор С2, а сопротивление резистора R3 уменьшить до 10 кОм. Недостаток такого ТРГ (как, впрочем, и всех других с цепями первого порядка) - недостаточная коррекция низших частот при самой малой громкости. Как уже отмечалось, добавлением корректирующей цепи аналогичной, показанной на рис. 4, степень подъема АЧХ на низших частотах можно увеличить. Используя предложенный принцип, несложно ввести регулятор тонкомпенсации в звуковоспроизводящую аппаратуру промышленного изготовления.

В следующей схеме ТРГ (рис. 7), также разработанной автором, используется одновременно и корректирующий фильтр C3R6R7, и частотно-зависимый делитель R2R3C2. благодаря чему достигается широкий диапазон коррекции. Переменный резистор R2 - регулятор громкости, R1 - регулятор низкочастотной коррекции, R4 - высокочастотной.

ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов А. Тонкомпенсировамный регулятор громкости. - Радио. 1993. № 12 , с. 21.
2. Зуев П. Регулятор громкости с распределенной частотной коррекцией - Радио. 1986. N9 8 . с. 49-51.
3. Давыдов М. Акустические системы радиовещательных приемников. - Радио, 1956, № 4. с. 52-54.
4. Боздех Й. Конструирование дополнительных устройств к магнитофонам. - М. Энергоиздат, 1981. с. 174. 188.

Чаще всего в каскадах регуляторов громкости высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры непосредственно в качестве регуляторов используются переменные резисторы, позволяющие постепенно или плавно изменять усиление сигнала. Однако нередко в ламповых усилителях НЧ применяются и ступенчатые регуляторы громкости, выполненные на постоянных резисторах и переключателях.

Самым простым и распространенным схемотехническим решением регулятора громкости лампового УНЧ при выборе плавной регулировки является введение потенциометра с переменным коэффициентом деления напряжения во входную цепь, в межкаскадную цепь или в цепь отрицательной обратной связи усилителя. Перемещением движка этого потенциометра и осуществляется непосредственно регулировка громкости. При этом в качестве регулировочного потенциометра рекомендуется использовать переменные резисторы с так называемой логарифмической характеристикой (характеристика типа В), чтобы обеспечивалось равномерное изменение громкости воспроизводимого сигнала при различных уровнях входных сигналов.

Регулятор громкости с плавной регулировкой при желании можно заменить регулятором со ступенчатой регулировкой. Для этого достаточно произвести соответствующую замену регулирующего элемента, то есть вместо потенциометра установить цепочку последовательно соединенных постоянных резисторов, количество которых и соотношение их номиналов определяет диапазон и закон регулирования.

При выборе схемы регулятора громкости не следует забывать о том, что человеческое ухо имеет различную чувствительность к сигналам разной частоты и громкости. На практике это явление проявляется в том, что при уменьшении громкости воспроизводимого звукового сигнала у слушателя создается впечатление изменения тембра звучания, которое выражается в кажущемся значительно большем уменьшении относительной громкости составляющих низших и высших частот по сравнению с сигналами средних частот. Поэтому в высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре применяются тонкомпенсированные регуляторы громкости, в которых при уменьшении громкости осуществляется необходимый подъем составляющих низших и высших частот для обеспечения равной громкости восприятия. С увеличением громкости требуемый подъем составляющих граничных частот уменьшается. Основу тонкомпенсированных регуляторов громкости обычно составляют потенциометры с одним или двумя отводами, к которым подключаются соответствующие RC-цепочки.

Обычно регулятор громкости используется для изменения уровня выходного сигнала УНЧ с минимальными вносимыми искажениями. При этом чаще всего в качестве такого регулятора применяется переменный резистор, включаемый либо на входе усилителя, либо между предварительным и оконечным каскадами. Вместо переменного резистора, как уже отмечалось, может использоваться и ступенчатый регулятор, выполненный на основе переключателя и кассеты резисторов с разным сопротивлением. Упрощенные принципиальные схемы простейших регуляторов громкости приведены на рис. 1.

Рис.1. Упрощенные принципиальные схемы регуляторов громкости

Чтобы предотвратить возможность перегрузки первой лампы усилителя при большой амплитуде входного сигнала, используется схема подключения регулятора громкости, изображенная на рис. 1, а. В этом случае переменный резистор применяется непосредственно в качестве нагрузки предыдущего устройства. Если же максимальная амплитуда входного сигнала мала, переменный резистор регулятора громкости можно установить в цепи управляющей сетки одного из последующих усилительных каскадов, как показано на рис. 1, б. Преимуществом такого подключения является ослабление воздействия внешних помех, так как на регулятор подается полезный сигнал, уже усиленный до необходимого уровня.

Регулировка уровня громкости в ламповых УНЧ может осуществляться и с помощью специальных каскадов, в которых обеспечивается изменение крутизны характеристики лампы. Принцип действия таких регуляторов громкости основан на том, что при использовании в усилительном каскаде лампы с большим внутренним сопротивлением усиление такого каскада будет пропорционально крутизне ее характеристики (S). Поэтому при использовании лампы с переменной крутизной характеристики для изменения усиления каскада достаточно переместить рабочую точку на участок с другой величиной крутизны. Изменение положения рабочей точки и, соответственно, коэффициента усиления может осуществляться разными способами, например изменением величины напряжения смещения или напряжения на экранной сетке лампы. Упрощенные принципиальные схемы таких регуляторов громкости приведены на рис. 2.

Рис.2. Упрощенные принципиальные схемы регуляторов громкости с изменением крутизны характеристики лампы

Необходимо отметить, что рассмотренные регуляторы громкости, в которых используется принцип изменения крутизны характеристики лампы, могут применяться лишь в первых каскадах УНЧ при относительно малых амплитудах входного сигнала (не более 200 мВ). При более высоких уровнях входного сигнала могут возникнуть значительные нелинейные искажения, вызванные криволинейностью динамической характеристики.

Для регулировки громкости в ламповых усилителях низкой частоты нередко используются регуляторы, которые обеспечивают компенсацию низких частот при малых уровнях входного сигнала. Принципиальная схема одного из таких регуляторов приведена на рис. 3.

Рис.3. Принципиальная схема регулятора громкости с компенсацией низких частот при малых уровнях входного сигнала

На вход каскада подается входной сигнал с фиксированным подъемом уровня низших частот воспроизводимого диапазона. Этот уровень определяется величинами сопротивлений резисторов R1, R2 и R3, образующими входной делитель, а также значением емкости конденсатора С2. С выхода регулятора в цепь сетки лампы через делитель, образованный элементами R7 и С2, поступает сигнал обратной связи. Чем выше уровень громкости, тем значительнее и обратная связь. Величина сопротивления резистора R7 определяет соотношение ослабления низших частот в цепи обратной связи к подъему этих частот во входной цепи. В идеальном случае подбором сопротивления резистора R7 следует добиться того, чтобы ослабление низших частот в цепи обратной связи было равно их подъему во входной цепи. В этом случае форма частотной характеристики сигнала на выходе каскада будет близка к линейной. Приведенные на рис. 3 номиналы элементов рассчитаны на использование одного из триодов лампы 6Н2П.

При уменьшении громкости сигнала с помощью потенциометра R6 уменьшается и значение обратной связи, однако фиксированный подъем низших частот остается прежним. В результате уровень низших частот в выходном сигнале возрастает. При очень малых значениях громкости обратная связь практически отсутствует, а характеристика каскада определяется только параметрами цепочки R1, R3 и С2. При этом подъем низших частот максимальный.

Одним из недостатков данной схемы является то, что триод включен перед регулятором громкости, поэтому при очень сильном входном сигнале он может перегружаться. Однако сигнал с входа подается на управляющую сетку лампы через делитель, который даже на частоте 50 Гц обеспечивает ослабление более чем в 4 раза. Вследствие этого данная схема может работать без искажений при уровне входного сигнала до 4-5 В. Также необходимо отметить, что рассматриваемая схема чувствительна к уровню фильтрации анодного напряжения, поэтому применение фильтра R8C5 в цепи питания анода лампы является обязательным.

При конструировании лампового УНЧ радиолюбители нередко ставят перед собой задачу включения в его состав каскада, с помощью которого можно регулировать громкость дистанционно. Применение в обычных регуляторах выносных пультов с размещенными в них потенциометрами вряд ли можно считать удачным решением, поскольку чаще всего такие пульты соединяются с усилителем с помощью длинных кабелей, что приводит к появлению весьма существенных искажений. Однако существуют разнообразные схемотехнические решения, обеспечивающие регулирование громкости на расстоянии, например, посредством изменения управляющего напряжения постоянного тока, при практическом отсутствии искажений. Принципиальная схема одного из вариантов регулятора громкости с дистанционным управлением приведена на рис. 4.

Рис.4. Принципиальная схема регулятора громкости с дистанционным управлением

Отличительной особенностью рассматриваемого регулятора является включение вместо катодного резистора триода усилительного каскада еще одного триода, который выступает в роли регулирующего элемента. При изменении величины постоянного отрицательного напряжения, подаваемого на сетку второго триода, изменяется величина его сопротивления. В результате меняется глубина отрицательной обратной связи для первого триода. Так, например, при возрастании внутреннего сопротивления второго триода отрицательная связь возрастает, а усиление первого триода снижается. В данной схеме импортный двойной триод типа ЕСС82 можно заменить, например, отечественной лампой 6Н1П.

В высококачественной ламповой звуковоспроизводящей аппаратуре широкое распространение получили регуляторы громкости с тонкомпенсацией. Необходимость применения таких регуляторов громкости объясняется тем, что чувствительность уха человека изменяется в зависимости от частоты и громкости воспринимаемого звукового сигнала. Так, например, лучшая чувствительность соответствует восприятию составляющих средних частот по сравнению с составляющими высших и особенно низших частот. Поэтому при уменьшении громкости у слушателя появляется субъективное ощущение, что одновременно уменьшается уровень составляющих высших и низших частот воспроизводимого диапазона. В результате проведенных в этой области исследований были составлены определенные зависимости, которые получили название кривых равных громкостей.

Чтобы при разных уровнях громкости все частотные составляющие воспроизводимого сигнала воспринимались одинаково, в высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре применяются регуляторы громкости, в которых при уменьшении громкости осуществляется необходимый подъем составляющих низших и высших частот, а с увеличением громкости подъем составляющих граничных частот уменьшается. Такие регуляторы называют тонкомпенсированными или частотно-зависимыми. Естественно, разработчики стремятся к тому, чтобы характеристики тонкомпенсированных регуляторов громкости были как можно ближе к кривым равной громкости.

Самым простым вариантом построения частотно-зависимого регулятора громкости является объединение непосредственно регулятора громкости и регулятора тембра с использованием спаренных переменных резисторов. Принципиальные схемы таких регуляторов громкости приведены на рис. 5, а и 5, б. Нередко в тонкомпенсированных регуляторах громкости используются потенциометры с одним или с двумя отводами, к которым подключаются соответствующие RC-цепочки. Принципиальная схема одного из вариантов такого регулятора громкости приведена на рис. 5, в.

Рис.5. Принципиальные схемы простых тонкомпенсированных регуляторов громкости

Токомпенсированный регулятор громкости может иметь и ступенчатую регулировку. К достоинствам таких регуляторов, помимо отсутствия потенциометра соответствующей конструкции, следует отнести возможность выбора значительно более широкого диапазона регулировки. Принципиальная схема одного из вариантов входного каскада лампового УНЧ с таким регулятором приведена на рис. 6.

Рис.6. Принципиальная схема тонкомпенсированного регулятора громкости со ступенчатой регулировкой

Тонкомпенсация в регуляторах громкости может быть реализована и с помощью специальных фильтров. Принципиальная схема регулятора с фильтром тонкомпенсации приведена на рис. 7.

Рис.7. Принципиальная схема регулятора громкости с фильтром тонкомпенсации

В рассматриваемой схеме фильтр тонкомпенсации представляет собой двойной Т-мост, коэффициент передачи которого для составляющих средних частот воспроизводимого диапазона меньше, чем коэффициент передачи для составляющих низших и высших частот. В режиме максимальной громкости движок потенциометра R4 должен находиться верхнем по схеме положении, при этом фильтр замкнут накоротко и не влияет на форму частотной характеристики. Для уменьшения громкости движок потенциометра R4 следует перемещать вниз, при этом уменьшается шунтирующее действие верхней части данного потенциометра на фильтр. В результате через фильтр начинают проходить составляющие определенных частот в соответствии с его частотной характеристикой. Поскольку составляющие средних частот ослабляются этим фильтром в большей степени, чем составляющие крайних частот, изменение частотной характеристики усилителя происходит по зависимости, близкой к кривым равной громкости. Потенциометр R4 должен иметь логарифмическую характеристику (тип В).

Автором предложен вариант тонкомпенсированного регулятора громкости на переменном резисторе без отводов, но с катушкой индуктивности. Расчётные значения элементов регулятора для различных диапазонов регулирования громкости приведены в табличной форме.

Важно отметить, что АЧХ передачи регулятора при разных значениях уровня громкости должны соответствовать кривым равной громкости для конкретного слушателя. Это можно достигнуть при наличии или при введении в тракт звуковоспроизведения регулятора чувствительности, приводящего уровень тонкомпенсации в соответствие субъективным оценкам.

В различной звуковоспроизводящей аппаратуре широкое применение находят потенциометрические тонкомпенсированные регуляторы громкости (РГ) на переменных резисторах с отводами и нелинейной зависимостью сопротивления от угла поворота (группа В). Одним из недостатков применения таких резисторов является их дефицитность. Другой недостаток - отклонение фактических АЧХ тонкомпенсации от кривых равной громкости, которое особенно велико в низкочастотной и высокочастотной областях спектра ЗЧ и позволяет поднять относительные уровни в этих областях не более чем на 15...20 дБ. И третий недостаток - искажение формы АЧХ, а именно - смещение корректирующего подъема в сторону средних частот. Это же отмечается в .

Рассматриваемый здесь тонкомпенсированный РГ на переменном резисторе группы В без отводов (схема регулятора для одного канала показана на рис. 1) при существенном ослаблении сигнала по уровню позволяет поднять крайние низкие и высокие частоты на 30...40 дБ и приблизить форму АЧХ регулятора к кривой равной громкости.

Рис. 1. Схема регулятора для одного канала

Примем уровни звукового давления согласно кривым равной громкости по стандарту ГОСТ Р ИСО 226-2009 . За начальный уровень громкости, соответствующий уровню громкости 20 фон на частоте 1 кГц и нижнему положению движка переменного резистора R1, установим значение 0 дБ. Тогда, согласно ГОСТу, уровни звукового давления (УЗД) в полосе звуковых частот должны соответствовать приведённым в табл. 1.

Таблица 1

Для измерений на вход регулятора подан синусоидальный сигнал размахом 1 В во всей полосе звуковых частот. Проведены измерения при изменении номиналов элементов C1 и R2. Контур L1C3 настроен в резонанс на частоту 20 кГц. В качестве индуктивности L1 использована фабричная гантельная катушка индуктивностью 8,2 мГн. Регулятор проверен также и с катушкой из 80 витков обмоточного провода диаметром 0,25-0,41 мм, намотанных на кольце из феррита М2000НМ типоразмера К20х12х6. Результаты измерений - те же. Можно использовать кольцо М2000НМ типоразмера К10х6х3, расчётное число витков - 115.

Результаты измерений размаха выходного напряжения U2 и отношения выходного напряжения к его значению U1 на частоте 1 кГц, а также уровней звукового давления при различных значениях C1 и R2 приведены в табл. 2-14.

Таблица 2

R1 = 22 кОм, R2 = 200 Ом, С1 = 1 мкФ

Таблица 3

R1 = 22 кОм, R2 = 100 Ом, С1 = 1 мкФ

Таблица 4

R1 = 47 кОм, R2 = 100 Ом, С1 = 1 мкФ

Таблица 5

R1 = 22 кОм, R2 = 51 Ом, С1 = 1 мкФ

Таблица 6

R1 = 22 кОм, R2 = 27 Ом, С1 = 1мкФ

Таблица 7

R1 = 22 кОм, R2 = 0 Ом, С1 = 1 мкФ

Таблица 8

R1 = 22 кОм, R2 = 51 Ом, С1 = 1,5 мкФ

Таблица 9

R1 = 22 кОм, R2 = 27 Ом, С1 = 1,5 мкФ

Таблица 10

R1 = 22 кОм, R2 = 0 Ом, С1 = 1,5 мкФ

Таблица 11

R1 = 22 кОм, R2 = 51 Ом, С1 = 2 мкФ

Таблица 12

R1 = 22 кОм, R2 = 27 Ом, С1 = 2 мкФ

Таблица 13

R1 = 22 кОм, R2 = 0 Ом, С1 = 2 мкФ

Таблица 14

R1 = 22 кОм, R2 = 27 Ом, С1 = 2 мкФ, среднее положение движка переменного резистора R1

Для одного из вариантов РГ с номиналами элементов R1=22 кОм, R2 = 0, C1 = 2 мкФ были измерены АЧХ передачи для разных уровней затухания. Шаг затухания 10 дБ на частоте f = 1 кГц определялся положением движка переменного резистора R1. Результаты измерений затухания на различных частотах звукового спектра относительно входного сигнала приведены в табл. 15. В данной комбинации элементов подъём при минимальной громкости составил 40 дБ на частоте 20 Гц и 33 дБ на частоте 20 кГц. Диапазон регулирования громкости на частоте 1 кГц составил 46 дБ. Соответствующие кривые АЧХ РГ показаны на графиках рис. 2.

Рис. 2. Кривые АЧХ РГ

Таблица 15

В результате рассмотрения полученных данных можно сделать следующие выводы. Полученные формы АЧХ РГ близки к кривым равной громкости. Меньшие значения сопротивления резистора R2 сдвигают подъём высоких частот в сторону высоких частот и больше соответствуют кривым равной громкости. Кроме этого, большие значения ёмкости конденсатора C1 (1,5 и 2 мкФ) и меньшие значения сопротивления резистора R2 (27 Ом и 0 Ом - перемычка) увеличивают частотную коррекцию и расширяют диапазон регулирования громкости. В регуляторе громкости можно применить переменный резистор R1 группы В, например, СПЗ-12 или СПЗ-ЗОб, и конденсаторы К73-17 (С1-СЗ).

Некоторым недостатком регуляторов такого типа является уменьшение диапазона регулирования громкости.

Этот РГ может быть встроен в устройство (УМЗЧ и АС), обеспечивающее соответствие звукового давления кривым равной громкости. Если же это не обеспечивается, то следует включить в тракт, помимо РГ, и регулятор чувствительности, приводящий уровень сигнала к номинальному, чтобы тонкомпенсация соответствовала кривым равной громкости при соответствующем звуковом давлении (уровне громкости). Регулятор громкости, АЧХ которого приведены на рис. 2, был встроен в активную АС. Благодаря достаточной тонкомпенсации низкие и высокие частоты отчётливо слышны даже при минимальной громкости.

Литература

1. Федичкин С. Тонкомпенсированный регулятор громкости. - Радио, 1984, № 9, с. 43, 44.

2. ГОСТ Р ИСО 226-2009. Акустика. Стандартные кривые равной громкости. - URL: http://protect.gost.ru/document.aspx? control=7&baseC=6&page=2&month=8& year=2010&search=&id= 175579 (13.04.15).