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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Hi-Fi und Lautstärkeregelung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Transistor-Leistungsverstärker Ich beginne vielleicht mit einem Zitat: „Die Aufgabe, den Signalpegel – mit anderen Worten die „Lautstärke“ – zu regulieren, ist eines der schwierigsten Probleme in der Schaltung von Audiogeräten“ [1]. Hier setzt der Autor, um das Problem stark zu vereinfachen, Begriffe wie „Signalpegel“ und „Lautstärke“ gleich und beschreibt dann seine Pegelregelung. Der Signalpegel ist ein Konzept aus dem Bereich der Schaltungstechnik für Verstärker von Audiofrequenzen (und nicht nur). Hier werden die Begriffe „Pegelregelung“ oder „Verstärkungsregelung“ verwendet. Und Lautstärke ist ein Begriff aus dem Bereich der physiologischen Akustik, wo „Lautheit“, „Lautheitspegel“ etc. gebräuchlich sind [2]. Das Konzept der „Lautheit“ ist viel komplizierter als der Begriff „Signalpegel“, der von Tontechnikern und Toningenieuren verwendet wird und die Höhe der Spannung (in Volt oder Dezibel) an verschiedenen Punkten im Schallverstärkungspfad bezeichnet. Pegelregler sind im Gegensatz zu Lautstärkereglern frequenzunabhängige Geräte. Es gibt sogar so etwas wie einen „dünn kompensierten Lautstärkeregler“ (riecht nach Tautologie!), also einen Regler, der die Eigenschaften des Hörens berücksichtigt. Erwähnenswert ist der Begriff „physiologische Lautstärkeregelung“, ähnlich dem eben genannten. Zweifellos sind die Lautstärkeregler in Hi-Fi-Geräten in der Regel dünn kompensiert oder physiologisch. Auf die Ausstattung des „High End“ (Hi-End) gehen wir nicht ein, da dort für viel Geld jegliche Launen von Snobs erfüllt werden. Luxus ist ein Muss! Es ist bekannt, dass die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs von der Frequenz abhängt [3] und daher entspricht die gleichermaßen wahrgenommene Lautstärke bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlichen Schalldruckpegeln. Grafisch wird diese Abhängigkeit durch „Kurven gleicher Lautstärke“ veranschaulicht (Abb. 1). Um eine qualitativ hochwertige Wiedergabe eines bestimmten Klangprogramms zu gewährleisten, ist es notwendig, die entsprechenden Unterschiede in der Hörempfindlichkeit auszugleichen, indem man sich auf gleiche Lautstärkekurven konzentriert. Diese Aufgabe dient der Durchführung dünn kompensierter Lautstärkeregelungen [2].
Der Entwurf eines solchen Reglers ist jedoch alles andere als einfach. Der Punkt ist, dass die Form der Kurven gleicher Lautstärke nicht eindeutig ist. Sie hängt von einer Reihe von Faktoren ab, insbesondere von den akustischen Eigenschaften des Hörraums, vom Vorhandensein maskierender Geräusche, von den Eigenschaften des Hörvermögens des Hörers usw. Dadurch fällt auch der Ton der in dem einen oder anderen Fall notwendigen kompensierten Lautstärkeregelung mehrdeutig aus. Dennoch lassen sich laut Zuhörern gute Ergebnisse erzielen, wenn man Standardkurven gleicher Lautstärke reiner Töne für eine ebene Schallwelle verwendet. Sie müssen jedoch anhand der folgenden Überlegungen angepasst werden. Beim Hören von Musiksendungen beträgt die Lautstärke in der Regel nicht mehr als 90 Phon und kann vom Zuhörer bis zur Hörschwelle bzw. auf den Geräuschpegel im Raum reduziert werden. Zur Verdeutlichung nehmen wir den Bereich der Lautstärkeregelung bei Frequenzen von 1...2 kHz gleich 80 dB. Wir gehen davon aus, dass der Frequenzgang des Reglers linear ist und das Musikprogramm in der der maximalen Lautstärke (80 Phon) entsprechenden Stellung des Reglers klanglich ausgewogen ist. Der Übergang von diesem Lautstärkepegel zu einem anderen, beispielsweise 60 Phon, erfordert eine Korrektur des Frequenzgangs des Reglers. Um die korrigierte Abhängigkeit in Abb. 1 zu erhalten, zeichnen wir eine horizontale Linie durch die Division von 80 dB auf der L-Achse (dargestellt durch eine gepunktete Linie). Dann messen wir die Abstände dieser Geraden zu mehreren Punkten, die auf der Kurve gleicher Lautstärke 80 von liegen. Darüber hinaus werden diese Abstände von den entsprechenden Punkten auf der Kurve gleicher Lautstärke 60 von festgelegt. Anhand der auf diese Weise erhaltenen neuen Koordinaten zeichnen wir eine Kurve, die den eingestellten Frequenzgang des Reglers in einer Position darstellt, die einem Lautstärkepegel von 60 Phon entspricht. Ebenso relativ zur Kurve gleicher Lautstärke 80 Phon. Die korrigierten Frequenzgänge werden bei Lautstärkepegeln von 40 und 20 (0) Hintergrund konstruiert und die Familie der Frequenzgänge des Lautstärkereglers erhalten, die für eine korrekte Lautstärke erforderlich sind. Im 3-dB-Lautstärkebereich ist dies in Abb. 80 dargestellt (durchgezogene dicke Linien).
Nun gilt es, einen dünnkompensierten Lautstärkeregler zu bauen, dessen Frequenzgangsfamilie dem geforderten möglichst nahe kommt. Im Frequenzbereich unter 2 kHz kann die der minimalen Verstärkung entsprechende Kurve durch den Frequenzgang einer RC-Schaltung angenähert werden. in Abb.3a dargestellt. Diese Kennlinie links von der Wendefrequenz f1 (Abb. 3b) hat eine Steigung von 6 dB pro Oktave. Wenn der Widerstand R2 dieser Schaltung variabel gemacht wird, wird sein minimaler Widerstand viel kleiner als der von R1 gewählt. Wenn dann der Widerstand R2 angepasst wird, ändert sich neben der Änderung des Übertragungskoeffizienten der Schaltung auch die Frequenz der Wende ihres Frequenzgangs. Wie aus Abb. 2 ersichtlich ist, muss sich unter Berücksichtigung der Annäherung innerhalb von 3 dB die Wendefrequenz während der Regelung entlang der LV-Linie bewegen, um die gewünschte Lautstärke bereitzustellen. Der Bereich der Widerstandsänderung R2 darf in diesem Fall nicht mehr als 100 betragen, da fa / fv<100. Andererseits sollte sich die Verstärkung Kp des Reglers bei einer Frequenz von 2 kHz, wie aus Abb. 2 ersichtlich und bereits erwähnt, um 80 dB (um den Faktor 10000) ändern. Der Widerstand R2 sollte sich um den gleichen Betrag ändern.
Es liegt auf der Hand, dass durch eine Änderung des Widerstandswerts nur eines Widerstands R2 eine solche Verschiebung der Wendefrequenz und Änderung des Übertragungskoeffizienten nicht erreicht werden kann. Allerdings durch Erhöhen der Anzahl der in Reihe geschalteten RC-Glieder und gleichzeitiges Verringern der Einstellgrenzen des Widerstands R2 in jedem von ihnen. Dieses Problem kann gelöst werden. Bereits zwei solcher RC-Glieder (die Zeitkonstante des zweiten Kreises sollte 20...40 mal größer sein als die des ersten) ermöglichen es, ein durchaus akzeptables Ergebnis zu erhalten: die Abweichung der Kurven der realen Frequenzgangsfamilie (gestrichelt). (Linien in Abb. 2) vom erforderlichen Wert (durchgezogene Linie) 3 dB nicht überschreitet. Bei Frequenzen über 2 kHz geht eine Abnahme der Lautstärke von 80 auf 60 Phon mit dem Auftreten einer Krümmung der 60 Phon-Kurve bei einer Frequenz von 5 kHz mit einer Steigung von 3 dB pro Oktave einher. Bei einer weiteren Abnahme der Lautstärke bis zur Hörschwelle (Hintergrundstufe 3) verschiebt sich die Wendefrequenz von 5 auf 3 kHz, während sich die Steigung der Kurven praktisch nicht ändert. In diesem Frequenzbereich kann der Hintergrund der Kurve 3 durch den Frequenzgang der in Abb. 4a gezeigten RC-Schaltung angenähert werden. Die Werte der Widerstände R1 und R2 sind die gleichen wie in der RC-Schaltung. in Abb.3a dargestellt. Eine Änderung des Widerstands R2 führt nicht zu einer Verschiebung der Wendefrequenz f2 (Abb. 4b).
Damit die Erhöhung der Lautstärke von 60 auf 80 Phon nicht mit einem Anstieg höherer Audiofrequenzen einhergeht, muss die RC-Schaltung für eine Frequenzkompensation beim maximalen Übertragungskoeffizienten sorgen, was durch Nebenschluss des Widerstands R2 mit einem Kondensator C2 erreicht werden kann eine Kapazität, bei der die Zeitkonstanten T2 = R1C1 und x3 gleich =R2-C2 wären. In diesem Fall geht die für die Lautstärkeregelung notwendige Verringerung des Widerstands R2 mit einer Verringerung der Zeitkonstante T3 und einer Verschiebung der Grenzfrequenz der RC-Schaltung (f3=1/2nR2-C2) zu einer höheren Frequenz einher Bereich, während die Wendefrequenz f2 unverändert bleibt, was den erforderlichen entsprechenden Frequenzgang der RC-Schaltung mit gleichen Lautstärkekurven im Frequenzbereich über 2 kHz gewährleistet. Ein Beispiel für die praktische Umsetzung einer dünnkompensierten Lautstärkeregelung ist in Abb. 5 dargestellt [4, 5]. Die Widerstände der darin enthaltenen Widerstände und Kondensatoren können anhand der folgenden Beziehungen berechnet werden:
Um eine Überbrückung des R5-C5-Stromkreises zu vermeiden. Der an den Ausgang des Reglers angeschlossene NF-Verstärker muss eine große Eingangsimpedanz und eine kleine Eingangskapazität haben. Dies kann insbesondere nach der Spannungsfolgerschaltung am Operationsverstärker mit Feldeffekttransistoren am Eingang erfolgen. Die Ausgangsimpedanz des vor dem Regler angeschlossenen Verstärkers muss 20-mal kleiner sein als der Widerstand R2. Die variablen Widerstände des dünnkompensierten Lautstärkereglers müssen verdoppelt werden. In unserem Fall werden ihre Funktionen von den Fotowiderständen R4, R5 übernommen und der Widerstand R10 dient als Einstellorgan. Stromänderung durch eine Glühlampe HL1. Die zur Lautstärkeregelung verwendeten Fotowiderstände SFZ-1 verfügen über eine hohe Geschwindigkeit (Zeitkonstante - weniger als 0,06 s) und den erforderlichen Widerstandsänderungsbereich. Glühlampe (Subminiatur) – NSM (6,3 V x 20 mA). der Strom durch ihn variiert innerhalb von 6 ... 18 mA. Fotowiderstände werden in der Nähe der Glühlampe platziert und der gesamte Regler ist in einem undurchsichtigen Metallschirm untergebracht. Abbildung 5 zeigt eine Zweikanalsteuerung für einen Stereoverstärker. Dabei ist es notwendig, Fotowiderstände paarweise in verschiedenen Kanälen auszuwählen, damit sich ihre Widerstände beim Wechsel im Bereich von 104 auf 106 Ohm um nicht mehr als 20 % unterscheiden. Andernfalls macht sich beim Ändern der Lautstärke ein Kanalungleichgewicht bemerkbar. Die Stereobalance wird durch den Widerstand R9 innerhalb von ±6 dB eingestellt. Die Kondensatoren C7 und CB beseitigen Rascheln und Knistern, die durch variable Widerstände entstehen. Der Stellwiderstand R10 muss eine lineare Regelcharakteristik haben. Festwiderstände – mit einer Widerstandsabweichung vom Nennwert von nicht mehr als ± 5 %. Kondensatoren C1. C4, C5 – Papier MBM, der Rest – Keramik. Die Kapazität des Kondensators C6 hängt von der Kapazität der Installation und der Eingangskapazität des Verstärkers ab, der an den Ausgang des Lautstärkereglers angeschlossen ist. Glühlampen müssen von einer stabilisierten Stromquelle gespeist werden. Bei der Einstellung des Reglers geht es darum, die Linearität des Frequenzgangs bei Kn = 0 dB sicherzustellen (durch Auswahl von C6) und die Identität seiner Frequenzgangfamilie in verschiedenen Kanälen des Stereoverstärkers bei unterschiedlichen Lautstärkepegeln zu überprüfen. Ein weiteres Beispiel für einen Regler ist in Abbildung 6 dargestellt. Es verwendet zwei variable Widerstände mit einer linearen Widerstandsabhängigkeit vom Drehwinkel der Achse (Gruppe „A“). Für einen Stereoregler müssen Sie zwei variable Doppelwiderstände verwenden. Eine solche Lösung verursacht keine besonderen Probleme bei der Einstellung der Balance, wenn auf dem Panel, auf dem beide Widerstände installiert sind, Lautstärkepegelskalen angebracht sind.
Der Versuch, einen Vierfachwiderstand zu verwenden, stößt auf große Schwierigkeiten; Erstens ist es ein sehr seltener „Vogel“ in unserer Gegend, zweitens weisen seine Widerstände große Widerstandsschwankungen auf und drittens ist zusätzlich ein Balanceregler erforderlich, was den gesamten Aufbau nicht vereinfacht. Die Streuungen der Widerstände der Doppelwiderstände sind für diese Schaltung durchaus akzeptabel. Wenn die Doppelwiderstände einen unterschiedlichen Widerstandswert haben, müssen die Kapazitäten der Kondensatoren gemäß den angegebenen Verhältnissen neu berechnet werden. Die Widerstände R3 und R5 dienen dazu, den Anstieg tiefer Frequenzen außerhalb des Audiobereichs zu stoppen. Wenn sich die Schieberegler der variablen Widerstände in der oberen Position befinden, beträgt die Verstärkung des Reglers -6 dB. Der Einstellbereich bei einer Frequenz von 2 kHz beträgt 80 ... 85 dB. Abweichung vom geforderten AMX - nicht mehr als ±2 dB. wenn der Lastwiderstand des Reglers größer als 1 MΩ ist und die Lastkapazität weniger als 50 pF beträgt. Kondensatoren C1. C3. C5 - Film, der Rest - Glimmer. Einstellung des Reglers – ja, keine Einstellung! Und zum Schluss möchte ich sagen, dass wenn Sie nur laute Musik hören, ein Pegelregler mit einem Regelbereich von 10 ... 15 dB ausreicht. Aber wenn Sie den Charme leiser Musik spüren möchten, als käme sie aus dem nächsten Park, dann bauen Sie diesen Lautstärkeregler ein, Sie werden es nicht bereuen! Literatur
Autor: I. Pugachev, Minsk
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Kommentare zum Artikel: Boris Im Text nach den Abbildungen 4 und 5 gibt es Ungenauigkeiten in der Notation und den angegebenen Werten von Widerständen und Zeitkonstanten.
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