Тонкомпенсированный регулятор громкости: устройство, принцип работы, применение

Что такое тонкомпенсированный регулятор громкости и зачем он нужен в звуковоспроизводящей аппаратуре? Давайте разберемся вместе!

1. Назначение тонкомпенсированного регулятора громкости

Тонкомпенсированный регулятор громкости (ТКРГ) предназначен для выравнивания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) звуковоспроизводящей аппаратуры при изменении уровня громкости. Это связано с особенностями работы человеческого слуха.

При снижении громкости воспринимаемого звука наш слух становится менее чувствителен к низким и высоким частотам. Это подтверждается исследованиями Флетчера и Мунсона, которые получили так называемые кривые равной громкости. Они показывают, что при уменьшении громкости требуется компенсировать ослабление низких и высоких частот для сохранения воспринимаемого тембра.

Без применения тонкомпенсации характер звучания аппаратуры существенно меняется при регулировке громкости. Звук становится "плоским" и теряет низкие частоты. Чтобы этого избежать, в звуковой аппаратуре стали применять ТКРГ.

Впервые идея тонкомпенсации была реализована в 1930-х годах в профессиональных киноустановках. С 1950-х годов тонкомпенсация стала применяться и в бытовой аудиотехнике.

2. Принцип работы тонкомпенсированного регулятора громкости

Рассмотрим принцип работы ТКРГ на примере простейшей схемы:

Здесь входной сигнал поступает на регулируемый делитель напряжения, образованный переменным резистором Р1 и резистором R1. При повороте оси резистора Р1 меняется выходное напряжение - регулируется общий уровень громкости.

Одновременно часть сигнала через конденсатор С1 поступает на дополнительный выход. На этом выходе сигнал проходит через фильтр низких частот, образованный резистором R2 и конденсатором С2. Этот фильтр выделяет низкочастотную составляющую сигнала и подмешивает ее обратно к основному сигналу.

Таким образом, при понижении общего уровня громкости усиливается низкочастотная составляющая, компенсируя частотные искажения слухового восприятия.

В более сложных схемах ТКРГ могут применяться переменные резисторы с несколькими отводами, что позволяет реализовать коррекцию как низких, так и высоких частот.

Существуют пассивные ТКРГ, работающие по рассмотренному выше принципу, и активные - с применением транзисторов или операционных усилителей. Активные схемы позволяют получить более выраженную тонкомпенсацию за счет усиления корректирующего сигнала.

3. Требования к характеристикам тонкомпенсированного регулятора громкости

Для качественной работы ТКРГ должен удовлетворять ряду требований:

Амплитудно-частотная характеристика ТКРГ должна соответствовать кривым равной громкости Флетчера-Мунсона, обеспечивая необходимую степень подъема низких и высоких частот при снижении громкости.
Характеристика ТКРГ должна коррелировать с изменением тембра по регулятору громкости, чтобы сохранялось естественное звучание.
Регулировка громкости должна быть плавной, без "ступенек" при прохождении резистора через точки подключения корректирующих цепей.
Необходима достаточная глубина тонкомпенсации (до 10-12 дБ) в области низких и высоких частот.

Выполнение этих требований позволяет ТКРГ эффективно выравнивать АЧХ звуковоспроизводящей аппаратуры и сохранять неизменное качество звучания при регулировке громкости.

4. Расчет параметров тонкомпенсирующих цепей

Рассчитаем параметры RC-цепей для простейшего пассивного ТКРГ.

Сопротивление резистора R1:

R1 = (0.1 - 0.33) * Рпер

где Рпер - сопротивление переменного резистора.

Сопротивление резистора R2:

R2 = (2 - 10) * R1

Емкость конденсатора С1:

C1 = 1 / (2*π*R1*фв)¹

Емкость конденсатора С2:

C2 = 1 / (2*π*R2*фн)¹

где фв и фн - граничные частоты коррекции ВЧ и НЧ.

Пример расчета при следующих данных:

Рпер = 50 кОм
фв = 10 кГц
фн = 50 Гц

R1 = 0.1 * 50 кОм = 5 кОм

R2 = 5 * R1 = 25 кОм

C1 = 1 / (2*π*5000*10000) = 0.0003 мкФ = 300 пФ

C2 = 1 / (2*π*25000*50) = 0.01 мкФ

Таким образом, подбирая номиналы R и C, можно получить необходимую АЧХ тонкомпенсации.

Тонкомпенсированный регулятор громкости на резисторе без отводов

Рассмотрим схему тонкомпенсированного регулятора громкости, выполненного на обычном резисторе без дополнительных отводов.

Здесь вместо отводов используются дополнительные резисторы и конденсаторы, подключенные к крайним выводам переменного резистора. Это позволяет обойтись без специальных резисторов с отводами.

Принцип работы аналогичный - при повороте резистора Р1 меняется общий уровень громкости, а цепочки R3-С3 и R4-С4 обеспечивают тонкомпенсацию низких и высоких частот соответственно.

Такое решение проще в реализации, поскольку не требует создания отводов на резисторе.

5. Выбор элементной базы для тонкомпенсированного регулятора громкости

При разработке ТКРГ большое значение имеет правильный выбор элементной базы:

В качестве основного элемента следует выбирать переменный резистор с низким уровнем шумов и достаточной мощностью.
Резисторы корректирующих цепей должны иметь стабильные параметры и низкий КСВН.
Конденсаторы подбираются пленочные или слюдяные для минимизации паразитных резонансов.

Грамотный подбор элементной базы позволяет добиться высокого качества тонкомпенсации.

6. Особенности применения тонкомпенсированных регуляторов громкости

ТКРГ применяются в различных типах звуковоспроизводящей аппаратуры:

В транзисторных и ламповых усилителях.
В радиоприемниках и проигрывателях.
В системах звукоусиления и озвучивания.
В магнитофонах, диктофонах и другой звукозаписывающей технике.

При этом могут потребоваться разные схемотехнические решения в зависимости от особенностей конкретного устройства.

7. Тонкомпенсированный регулятор громкости с активной басовой коррекцией

Для улучшения воспроизведения низких частот иногда применяют активную басовую коррекцию. В этом случае сигнал с выхода ТКРГ дополнительно подается на усилитель низких частот, выход которого смешивается с основным сигналом.

8. Тонкомпенсированный регулятор громкости Матюшкина

Интересное оригинальное решение ТКРГ было предложено отечественным изобретателем Матюшкиным в 1970-х годах. Его схема отличалась простотой и эффективностью.

9. Тонкомпенсированный регулятор громкости 100 ком

Регулятор громкости серии "100 ком" с тонкомпенсацией применялся во многих советских бытовых радиоприемниках и магнитофонах.

10. Применение тонкомпенсированного регулятора громкости в ламповом усилителе

В ламповых усилителях часто используют пассивные ТКРГ, поскольку активные схемы могут вносить дополнительные нелинейные искажения. Необходимо учитывать входное и выходное сопротивление ламповых каскадов.

11. Выбор активных элементов для тонкомпенсированного регулятора громкости

При разработке активного ТКРГ большое значение имеет выбор транзисторов и операционных усилителей:

Транзисторы должны иметь высокое быстродействие и низкий уровень шумов.
Операционные усилители нужно выбирать с малым коэффициентом нелинейных искажений.
Желательно применять современную элементную базу для улучшения характеристик.

12. Настройка и тестирование тонкомпенсированного регулятора громкости

После сборки ТКРГ необходимо выполнить настройку и проверку:

Измерить АЧХ при разных положениях регулятора громкости.
Оценить качество тонкомпенсации на слух при воспроизведении музыки.
При необходимости подстроить параметры корректирующих цепей.

13. Типовые неисправности тонкомпенсированных регуляторов громкости

К типовым неисправностям ТКРГ относятся:

Обрыв в корректирующих цепях.
Пробой или утечка электролита в конденсаторах.
Неисправность переменного резистора или отводов.
Выход из строя активных элементов.

При возникновении неисправностей необходимо проверить целостность цепей и исправность элементов.

14. Тонкомпенсированный регулятор громкости с активной басовой коррекцией

Активную басовую коррекцию можно реализовать с помощью отдельного усилителя низких частот, включенного после ТКРГ. Это позволяет еще больше усилить низкие частоты при небольшой громкости.

15. Схемные решения тонкомпенсированных регуляторов громкости

Существует множество схемных решений построения ТКРГ. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Простейший вариант - на переменном резисторе с отводом и RC-цепочками. Позволяет реализовать базовую тонкомпенсацию низких частот.

Более совершенный вариант - на переменном резисторе с несколькими отводами для коррекции и низких, и высоких частот.

Перспективное решение - применение активных элементов, например операционных усилителей, для усиления корректирующих сигналов и расширения возможностей ТКРГ.

В цифровой технике вместо аналоговой схемы тонкомпенсации может применяться цифровая обработка сигнала с соответствующим изменением АЧХ.

16. Совмещение тонкомпенсации с другими функциями

Возможно совмещение функции тонкомпенсации с другими функциями, например:

С регулятором тембра - используются общие корректирующие цепи.
С регулятором баланса - применяется стереофонический ТКРГ.
С эквалайзером - часть звеньев эквалайзера работает как корректирующие фильтры ТКРГ.

Такое совмещение позволяет упростить схему и сэкономить элементы.