fbpx

HFM

artykulylista3

 

Regulacja głośności w urządzeniach hi-fi

1821052017 001Odkąd pamiętam, w czasie spotkań i technicznych dyskusji o wzmacniaczach czy źródłach, przewijało się pytanie: jaka jest możliwie najlepsza, nie degradująca muzyki, metoda regulacji głośności?
Najlepsza? Nie wiem, ale zagadnienie można rozwiązać na wiele dobrych, jak i nieco gorszych sposobów.


Potencjometr obrotowy
Każdy dobrze zna klasyczny potencjometr obrotowy, czyli – inaczej mówiąc –rezystor nastawny albo regulowany dzielnik napięcia. Ma on wbudowane trzy wyprowadzenia, z czego dwa skrajne łączy ścieżka, wykonywana z różnych tworzyw: węgla, cermetu lub drutu oporowego, o stałej rezystancji. Wyprowadzenie środkowe ślizga się po ścieżce, ustalając odpowiedni stosunek pomiędzy pierwszym a drugim, oraz drugim i trzecim. Wartości te, zależnie od położenia, zmieniają się liniowo lub logarytmicznie.
Ze względu na czułość ucha ludzkiego, która nie ma charakteru liniowego, do regulacji głośności stosuje się potencjometry o charakterystyce logarytmicznej. Zapewnia to fizyczne odczucie, że kiedy obracamy gałkę głośności, natężenie dźwięku narasta liniowo.
Wszystko wygląda dobrze, ale do odsłuchu stereofonicznego potrzeba dwóch kanałów, a w przypadku sygnałów symetrycznych – aż czterech. Do takiego zastosowania trzeba użyć podwójnego lub poczwórnego potencjometru, ze ślizgaczami umieszczonymi współosiowo. Ma to swoje wady, które najczęściej dotyczą nierównomierności na początku skali głośności. Kiedy słuchamy z niskim poziomem – jeden kanał gra ciszej. Na tę niedogodność najbardziej narażeni są użytkownicy kolumn o wysokiej skuteczności oraz osoby, które często korzystają ze słuchawek. W tych przypadkach wykorzystuje się bowiem głównie początkowy zakres obrotu potencjometru.

1821052017 002
Swego czasu dostępne były znakomite potencjometry Alps z serii RK40 (Black Beauty) lub inne równie wysokiej klasy. W tej chwili obserwujemy zalew podróbek tzw. „niebieskich alpsów”, czyli popularnej serii RK27. Kupić coś porządnego jest obecnie dość trudno. Z tego względu konstruktorzy i majsterkowicze sięgają po inne rozwiązania. One także mają swoje zalety i wady.

Drabinka rezystorowa
Drabinka rezystorowa – jak sama nazwa wskazuje – to układ zbudowany z rezystorów oraz elementu przełączającego. Podstawową zaletą jest możliwość stosowania bardzo dokładnych komponentów, co praktycznie eliminuje nierówności między kanałami. Wadą – ograniczona liczba kroków, która przeważnie zawiera się pomiędzy 20 a 50.1821052017 002
Opcja ta nie jest również uniwersalna, gdyż zajmuje więcej miejsca niż standardowe potencjometry. Nie nadaje się więc do użytku w sprzęcie o małych gabarytach. Do budowy drabinek należy stosować elementy mechaniczne wysokiej jakości, aby po kilkuset przełączeniach nie pojawił się problem ze stykami.
Ten rodzaj regulacji można realizować na kilka sposobów. Pierwszym, a zarazem najlepszym, jest drabinka szeregowa, choć częściej spotkamy się z angielskim określeniem „Series”. Łatwo wywnioskować, że elementy pasywne są w niej połączone w szereg, tworząc coś na wzór ślizgacza, podobnie jak w klasycznych potencjometrach. Różnica polega na tym, że regulacja odbywa się skokowo, pomiędzy łączeniami rezystorów. Zalety tego rozwiązania to użycie tylko jednego elementu przełączającego na kanał, brak trzasków przy zmianie poziomu głośności, a co najważniejsze – stała impedancja widziana przez źródło, do którego drabinka jest podłączona.
Ostatnią cechę powyższego układu ma także konstrukcja typu Ladder. Różnica polega na tym, że przełącza ona dwa rezystory – wejście-wyjście oraz wyjście-masa. Wadą rozwiązania są trzaski, towarzyszące odłączaniu elementu łączącego wyjście i masę, gdy poruszamy gałką głośności. Jakby tego było mało, układ ten potrzebuje dwa razy więcej rezystorów niż w przypadku topologii szeregowej. 1821052017 002
Ostatnią opcją jest drabinka typu Shunt. Cechuje się użyciem niewielkiej liczby elementów, jak w przypadku układu szeregowego, lecz działa trochę inaczej. Rezystor wejście-wyjście jest ustawiony na stałe, a przełączana jest wartość wyjście-masa. Niedogodność polega na tym, że impedancja widziana przez źródło jest zmienna, co w niektórych przypadkach może negatywnie wpłynąć na jakość dźwięku.
Decydując się na rozwiązanie z drabinką rezystorową, należy koniecznie zwrócić uwagę na jej rodzaj. Najbezpieczniej jest używać szeregowych lub typu Ladder, w których regulacja nie wpływa na impedancję.
Obecnie dostępne są przełączniki mechaniczne ze stykami typu BBM (Brake Before Make) oraz MBB (Make Before Break). Na szczególną uwagę zasługuje drugi z wymienionych typów (MBB). Przy przełączaniu najpierw łączy on kolejny rezystor, a następnie odłącza poprzedni. Niweluje to w znacznym stopniu przerwy w dźwięku, stuki oraz trzaski. Nie wyeliminuje jedynie odgłosów związanych z naturalnym zużyciem styków.1821052017 002

TVC (Transformer Volume Control)
Rozwiązaniem cenionym na równi z drabinkami są przełączniki obrotowe połączone z transformatorem, tzw. TVC (Transformer Volume Control). Zasada ich działania polega na tym, że zmieniając pozycję przełącznika, wybieramy odpowiednie odczepy uzwojenia wtórnego transformatora.
Wadą jest brak możliwości łatwej zmiany wzmocnienia dla danego kroku. Jedyna szansa ewentualnej poprawki to oddanie transformatora do przewinięcia lub w opcji niezbyt optymistycznej – zamówienie drugiego. Dlatego warto przed zleceniem produkcji transformatorów wykonać dokładne obliczenia lub przetestować wartości na najtańszej drabince rezystorowej. Może nie zaoszczędzi to czasu, ale na pewno sporo funduszy.
Jako zalety należy wskazać oddzielenie składowej stałej z układu oraz możliwość zmiany wzmocnienia (gain). Trzeba jednak pamiętać, że zwiększanie wartości wzmocnienia nie pozostaje bez skutków. Regulując pierwotne uzwojenie transformatora, wpływamy na impedancję widzianą przez źródło oraz zawężamy pasmo przenoszenia. O ile zmienią się te wartości, jest kwestią indywidualną. 1821052017 002
Dla przykładu: transformator Sowter 9395 ze wzmocnieniem +6 dB lub +12 dB zawęża pasmo do 10 Hz – 50 kHz, ze spadkiem 3 dB. Są to w dalszym ciągu akceptowalne parametry, lecz w niektórych przypadkach mogą się okazać zbyt wąskie, zwłaszcza w zakresie niskich częstotliwości. Przy korzystaniu z odczepu ze wzmocnieniem 0 dB pasmo sięga ponad 120 kHz (-3 dB), a w niskich częstotliwościach widoczne jest bardzo łagodne opadanie charakterystyki, rzędu -0,5 dB, dopiero przy 5 Hz.
Jest to najdroższa opcja regulowania głośności, gdyż wymaga zakupu dwóch wysokiej klasy transformatorów (około 1000 zł/szt.) oraz porządnego przełącznika obrotowego (500-1000 zł).1821052017 002

Regulacja za pomocą przekaźników
Istnieje jeszcze jeden wariant, zastępujący mechaniczny element obrotowy, zarówno w przypadku drabinek rezystorowych, jak i w regulacji za pomocą transformatora. Mowa o układach przekaźnikowych. Nie jest to rozwiązanie doskonałe, ale na tyle dobre, że niweluje zużywanie się, nierzadko drogich, wybieraków. W momencie uszkodzenia styku dla danego skoku wymieniamy tylko jeden przekaźnik, wart maksymalnie kilkanaście złotych (rzecz jasna, awaria powstanie znacznie później niż w przypadku przełączników obrotowych. Wynika to z faktu, że nie występuje tu ślizgacz, który wyciera, a przez to mechanicznie zużywa styki).
Do obsługi przekaźników wymagane jest sterowanie mikroprocesorowe. Przełączy ono odpowiedni zestyk w momencie poruszenia impulsatorem. Podobnie jak w opisanych poniżej układach scalonych do regulacji głośności, wysyła on do procesora informację, o ile skoków i w którą stronę zostało przekręcone pokrętło regulacji. Na tej podstawie mikroprocesor zarządza pracą przekaźników. Oczywiście, sterowanie możemy wykonać również za pomocą przełącznika obrotowego. Jakość ani rodzaj układu sterowania przekaźnikami nie wpływają na odtwarzany dźwięk. Niedogodnością sterowania za pomocą przełącznika obrotowego będzie ograniczona liczba skoków, a także dodatkowy, niepotrzebny gąszcz przewodów, zwiększający się wraz z liczbą skoków. Pozbawiamy się również możliwości łatwego dodania regulacji głośności pilotem.1821052017 002

Układy scalone
Kolejnym rozwiązaniem są potencjometry w postaci układów scalonych. To nic innego jak zintegrowana i zminiaturyzowana drabinka rezystorowa, sterowana cyfrowo. Zaletą układów scalonych są małe gabaryty oraz znacznie większa liczba kroków, sięgająca często ponad 100. W wielu przypadkach dostępne są też takie funkcje, jak np. wyciszanie sygnału. Wadą jest na pewno trudniejsza aplikacja.
Scalaki często wymagają mikroprocesora sterującego ich pracą. Dodatkowo, trzeba zaprojektować płytkę drukowaną oraz wlutować same układy, przeważnie w technologii SMT (Surface Mount Technology), co odstrasza niektórych amatorów DIY. Ograniczone są również wartości impedancji znamionowej. Zazwyczaj takie rozwiązania stosuje się w urządzeniach tańszych oraz przenośnych, gdzie liczą się gabaryty oraz niska cena.1821052017 002
Za wygodę łatwej i dokładnej regulacji trzeba, niestety, zapłacić jakością odtwarzanego dźwięku. Lecz zdarzają się wyjątki i np. układy Maxim DS1802 można znaleźć w urządzeniach z segmentu cenowego powyżej 50 tys. zł. Nie zmienia to faktu, że nie jest to purystyczne rozwiązanie.

Fotorezystory zamiast potencjometru?

Nie spotkałem się do tej pory z tym sposobem regulacji głośności, co… bardzo mnie zachęciło do zgłębienia tematu. Fotorezystor jest elementem światłoczułym o zmiennej rezystancji. Jej wartość zależy od poziomu natężenia światła, które pada na powierzchnię tego elementu. Sygnał sterujący może emitować np. LED. Fotorezystor oraz dioda muszą być odizolowane od otoczenia, bo tylko tak można wyeliminować wpływ zewnętrznych źródeł światła. 1821052017 002
Układ ma jedną kluczową zaletę – nie zawiera jakichkolwiek styków ani przełączników. Izoluje również galwanicznie sterowanie od toru sygnałowego. Pozwala to zachować wysoką jakość odtwarzanej muzyki, a w przyszłości nie sprawi takich kłopotów jak zużywające się elementy mechaniczne.
Fotorezystory trzeba, niestety, sparować, gdyż – tak jak w przypadku innych podzespołów elektronicznych – zawsze istnieje określona tolerancja od wartości znamionowej. Nie jest to jednak prosta operacja, gdyż parowanie odbywa się w określonych warunkach – w tym przypadku przy użyciu takiego samego natężenia światła. Niestety, elementy te nie są liniowe. W danym punkcie wskażą tę samą wartość, ale w innym może już nie być idealnie. Dlatego wymagają stosowania układów linearyzacji, które zniwelują rozbieżności pomiędzy kanałami czy fazami.
Sterowanie diodą LED jest równie ważne. Od niego zależy, w jakim stopniu zmieni się głośność na wyjściu oraz czy nie wystąpią problemy w stanach nieustalonych. Wszelkie chwilowe, mocniejsze rozświetlenia diody mogą w skrajnych warunkach uszkodzić głośniki. Ten układ trzeba wykonać wyjątkowo starannie. Najlepiej sprawdziłby się tutaj mikroprocesor, który zniwelowałby większość problemów oraz pozwolił zaprogramować dowolną charakterystykę regulacji (np. logarytmiczną). Wszystko wygląda dobrze, ale jest skomplikowane. Brakuje także gotowych rozwiązań dostępnych komercyjnie. Udało mi się dotrzeć jedynie do pojedynczych, wstępnych projektów na forach internetowych.
1821052017 002
Accuphase Analog Vari-gain Amplifier
Na koniec warto wspomnieć o regulacji głośności opracowanej przez firmę Accuphase. AAVA (Accuphase Analog Vari-gain Amplifier) działa w domenie analogowej; sygnał w żadnym miejscu nie jest zamieniany na postać cyfrową. Operacja polega na wstępnej konwersji sygnału napięciowego na prądowy przez 16 układów V/I, o różnych poziomach wyjściowych. Następnie sygnał trafia do 16 przekaźników. Na końcu znajduje się układ wykonujący konwersję prądowo-napięciową (I/V). Wszystkim steruje mikroprocesor, który poprzez wykrywanie położenia gałki potencjometru aktywuje odpowiedni tor sygnałowy.
W tym przypadku mamy do dyspozycji 216 kombinacji, czyli 65536 kroków, co powoduje, że pojedyncza zmiana pozycji jest nieodczuwalna. Zniwelowany jest także problem trzeszczących i nierównych potencjometrów. Rozwiązanie bardzo ciekawe, lecz z inżynierskiego punktu widzenia podejrzewam, że brzmieniowo może nieco ustępować TVC czy dobrej drabince rezystorowej.

Podsumowanie
Reasumując, jeżeli mamy głęboki portfel i odpowiednio pojemną obudowę, kierujmy się w stronę TVC z regulacją przekaźnikową lub mechaniczną najwyższej klasy. W przypadku niskiego budżetu, warto użyć drabinki rezystorowej sterowanej przekaźnikami. Będzie to może rozwiązanie ciut droższe niż najtańsze przełączniki mechaniczne, ale zaoszczędzi w przyszłości nerwów spowodowanych trzaskami, które pojawią się albo od razu, albo po krótkiej eksploatacji.
Najtańszą opcją pozostaje zakup ze sprawdzonego źródła klasycznego potencjometru Alps RK27, ale stanowczo odradzam poszukiwania na popularnych portalach aukcyjnych w kraju czy na świecie.

Albert Krajewski
Źródło: HFM 05/2017

Pobierz ten artykuł jako PDF