Доработка бюджетного студийного конденсаторного микрофона или нестандартное схемное решение для стандарта фантома 48V, 6.8 кОм/6.8 кОм.

[Павлунчик]

ВНИМАНИЕ! - Данная схема НЕ РАБОТАЕТ с трансформаторным входом. Таковой проектировалась изначально и сознательно.
Вопросы о "пристройке транса" с ТС не обсуждаются.

Хочу поделиться с интересующимися довольно своеобразным схемным решением преобразователя импеданса студийного конденсаторного микрофона. Схема с успехом прошла испытания в десятках студий (любительских и профессиональных). Интересно ваше мнение, пожелания, критика основанная на реальных измерениях или эмуляции.
Идея (кстати родилась в Ташкенте) простая - два повторителя с раздельным питанием от резисторов источника фантома 48V звуковой карты + ПОС "слежения" с выхода усилителя в цепь питания первого каскада посредством двух конденсаторов.
Более полугода шло активное обсуждение этой идеи на другой площадке - где тема называлась "В помощь Самоделкину. "Нерадивый" конденсаторный микрофон зазвучит лучше!", её нетрудно найти в инете. Немало повторивших эту схему, тестов-сравнений, восторженных отзывов, здоровой критики и, куда без них - группа "вечно критикующих но не практикующих". Недавно вышел ролик, где эту схему тестирует один из увлечённых микрофонной тематикой. Естественно не "доктор акустических наук" но треки для сравнения любезно представил за что ему огромная благодарность.
https://www.youtube.com/watch?v=o6fv...ature=youtu.be
Схема -
Полевой транзистор можно выбрать из широкого списка маломощных - K30, 5457,305, 202, 5485 и т.п. Простая настройка - подбор R8 для установки на выходе "3" (он же третий контакт XLR разъёма) постоянного напряжения в пределах 20-21V.
Дроссели - ферритовые бусинки. Хотя можно и без них. Возбуждение схемы на ВЧ не замечалось.



---------- Сообщение добавлено 17:00 ---------- Предыдущее сообщение было 16:54 ----------

Тест в эмуляторе -


---------- Сообщение добавлено 19:09 ---------- Предыдущее сообщение было 17:00 ----------

Тест - коэффициент передачи -



Тест - эффективность компенсации паразитной ёмкости входа (сигнал подаётся на вход через очень малую ёмкость - 0.1 пФ). Как это отражается на КНИ и коэффициенте передачи -



---------- Сообщение добавлено 22:43 ---------- Предыдущее сообщение было 19:09 ----------

Далеко не во всех бюджетных КМ встроен высоковольтный преобразователь (варианты ВП рассмотрим позже) но и без него схема может "оставить" для питания капсюля около 46 Вольт, а вкупе с малыми потерями по передаче, после доработки "нерадивого" мика, мы получим ощутимый прирост чувствительности.
Капсюль обозначен на схеме, как C1.



---------- Сообщение добавлено 23:36 ---------- Предыдущее сообщение было 22:43 ----------

Тест - питание 24V -
Схема, сама по себе, достаточно линейна даже при значительном снижении напряжения питания и превосходно линейна от 40V вплоть до 60V.



По совету уважаемого semimat, для предотвращения резкого броска напряжения на выходе схемы, около 10 Вольт, в момент включения фантомного питания, схема дополняется диодом (1N4148 или аналогом) -



Для обеспечения наиболее плавного и безопасного запуска включать фантомное питание только после подключения устройства. Эта рекомендация относится и к другим КМ с фант.пит. 48В.

[Igor EV]

Гоша, давайте еще про схему
#1115
Насколько я понимаю, проблема шумов является общей для любой схемы преобразователя, в которой есть RC-фильтр на выходе.
Вы пишете, что нужно использовать цепочку 500кОм+1мкФ. Но что будет с капсюлем и полевым транзистором, если произойдет залипание? Заряженная емкость 1мкФ имеет огромную энергию. Там живого места не останется.
Т.е. конденсатор, к которому непосредственно подключен капсюль, должен иметь малую емкость. И резистор должен иметь высокое сопротивление. Но это приведет к увеличению шума. Что делать? Есть мысли?

У меня пока что есть только "фантастическая" мысль - создать такой преобразователь, который не шумит, и которому не нужна на выходе RC-цепочка. Но по-моему это нереально.

Смотрю на схему Rode NT1-A и вижу на выходе преобразователя фильтр - 4.7МОм+0.1мкФ+0.01мкФ. И похоже разработчики не парятся большим кол-вом шумов.

[Павлунчик]

давайте еще про схему

Я бы Вас попросил поставить на затвор 0.1мкФ (как на этой схеме), установить все ёмкости, как на схеме и ещё раз подтвердить, что никаких "бросков" на выходе нет, что напряжение на выходе, после подачи питания, увеличивается плавно и регулируется плавно (при резких изменениях питающего напряжения). 100кОм БЕЗ доп. фильтра обязательно, 100МОм в данном тесте не обязательно, 10МОм и 1МОм желательно.
--------------------
А - и выходной фильтр не нужен для теста.

[Igor EV]

Я бы Вас попросил поставить на затвор 0.1мкФ (как на этой схеме), установить все ёмкости, как на схеме и ещё раз подтвердить, что никаких "бросков" на выходе нет, что напряжение на выходе, после подачи питания, увеличивается плавно и регулируется плавно (при резких изменении питающего напряжения). 100кОм БЕЗ доп. фильтра обязательно, 100МОм в данном тесте не обязательно, 10МОм и 1МОм желательно.

ОК, сделаю через пару часов.

[Павлунчик]

ОК, сделаю через пару часов.

Жаль что у Вас нет 100МОм. Постоянная времени будет другая. Но посмотрим...

[Гоша]

Заряженная емкость 1мкФ имеет огромную энергию. Там живого места не останется.

Давай посчитаем эту огромную энергию и что можно такой энергией сделать.
Q=CU²/2= 40*40*1^-6/2=0,8 мДж. При этом на нагрев пленки уйдет половина энергии, вторая половина нагреет неподвижный электрод.
Удельная теплопроводность С пленки мембраны где-то 1000 Дж/(кг х К).
С=Q/(m*dT), где dT - разность температур при рассеивании энергии Q.
Посчитаем, до какой температуры нагреется пленка в месте залипания при подведении энергии 0,4 мДж.
Положим площадь "залипания" 1*1 мм = 1^-6 м², толщину пленки 10 мкм.
Опуская вычисления, температура пленки в месте контакта повысится на 267 К.
Вроде, дофига.
А теперь посмотрим, может ли эта энергия рассеяться в месте контакта.
В исправной схеме последовательно с капсюлем включен гигаомный резистор. Пусть его номинал составляет 1 ГОм, а сопротивление проводящего покрытия пленки 1 кОм. Итого вся энергия рассеится на резисторе 1 ГОм.
Предположим худшее, что затворный переход пробит.
Тогда последовательно с капсюлем будет включен истоковый резистор 47 кОм. И в месте залипания энергия выделится в 47 раз меньше, следовательно, повышение температуры будет тоже в 47 раз меньше, 267/47 = 5,7 К.
Не думаю, что такое повышение температуры приведет к каким- то изменениям в капсюле.

---------- Сообщение добавлено 16:10 ---------- Предыдущее сообщение было 15:51 ----------

Смотрю на схему Rode NT1-A и вижу на выходе преобразователя фильтр - 4.7МОм+0.1мкФ+0.01мкФ. И похоже разработчики не парятся большим кол-вом шумов.

И правильно делают.
Шум такого фильтра в диапазоне 1Гц...20кГц составляет 90 нВ RMS.
Шум микрофонного усилителя оценочно составляет 1,5 мкВ RMS.
Итого в 16 раз больше.
Шум преобразователя добавит к шуму усилителя 0,016 дБ.
А если частоту снизу ограничить 20 Гц, то шум фильтра будет 20 нВ RMS.
При этом ухудшение с/ш от фильтра составит 0,008 дБ.

[Igor EV]

В исправной схеме последовательно с капсюлем включен гигаомный резистор. Пусть его номинал составляет 1 ГОм

Но у нас ведь не такая схема!
Гляньте на первую схему первого сообщения. В нашем случае капсюль подключен не так, как показано на схеме. Один вывод капсюля подключен напрямую к затвору транзистора, а на второй вывод капсюля подключен заряженный до -55В конденсатор емкостью 1мкФ. То есть нет никакого 1ГОм.

Я бы Вас попросил поставить на затвор 0.1мкФ (как на этой схеме), установить все ёмкости, как на схеме и ещё раз подтвердить, что никаких "бросков" на выходе нет, что напряжение на выходе, после подачи питания, увеличивается плавно и регулируется плавно (при резких изменениях питающего напряжения). 100кОм БЕЗ доп. фильтра обязательно, 100МОм в данном тесте не обязательно, 10МОм и 1МОм желательно.

Сделал. Никаких бросков на выходе нет. Я измерял цифровым прибором ZT-102, который не шибко быстрый, но раза три в секунду измерять успевает. Питание подавал/обрывал прямо на левом выводе R5 (100кОм). Выходное напряжение поднимается/спадает плавно.
R4 у меня был 32МОм (набрал из нескольких резисторов)
R3 - 1.8МОм
Транзистор КП303Е
Конденсатор C3 - дисковый, емкостью 1пФ (подобрал точно).
L1 - 12.6mH
частота - 392кГц
Потребляемый ток 20 мкА
Выходное напряжение -46.9В

Более того, я попробовал убрать C4 (на затворе транзистора). Результат тот же самый. Никаких бросков нет. По-хорошему броски надо бы контролировать стрелочным вольтметром (он более быстрый), но у него малое входное сопротивление.
Мне кажется, броски в этой схеме маловероятны, поскольку резистор R5 (100кОм) + конденсатор C7 (0.1мкФ) не позволяют питанию подняться быстрее, чем стартует генератор. А как только генератор стартовал, полевой транзистор тут же призакрывается.

Шум преобразователя добавит к шуму усилителя 0,016 дБ.

Значит тревога напрасная
А еще тогда вопрос по частоте преобразователя. Схема Павлунчика отлично работает на частотах вплоть до 1мГц, причем потребляемый ток растет не сильно. Имеет ли смысл поднять частоту (600-900кГц) и уменьшить емкости фильтрующих конденсаторов и сопротивления резисторов?

[Гоша]

Один вывод капсюля подключен напрямую к затвору транзистора, а на второй вывод капсюля подключен заряженный до -55В конденсатор емкостью 1мкФ. То есть нет никакого 1ГОм.

Заметьте, к обратносмещенному затвору транзистора.
Его сопротивление оценивается в 10¹² Ом, так что весь ток потечет через резистор 1 ГОм.

---------- Сообщение добавлено 16:39 ---------- Предыдущее сообщение было 16:36 ----------

Имеет ли смысл поднять частоту (600-900кГц) и уменьшить емкости фильтрующих конденсаторов

Если схема работает на таких частотах стабильно - почему нет?

[Igor EV]

Заметьте, к обратносмещенному затвору транзистора.
Его сопротивление оценивается в 10¹² Ом, так что весь ток потечет через резистор 1 ГОм.

А транзистор не пробьется по напряжению? Для этого ведь величина тока не важна.
2N5485 - Gate-Source Voltage -25V max!
NJ450L (схема Rode NT1-A) - Gate-Source Voltage -25V max!

Если схема работает на таких частотах стабильно - почему нет?

Ну мало ли. Логика мне подсказывает, что лучше увеличить частоту, при этом уменьшив емкости и сопротивления. Но это чисто интуитивно. Если противопоказаний нет, тогда так и сделаю.

[Гоша]

А транзистор не пробьется по напряжению? Для этого ведь величина тока не важна.

Так он пробъется (если пробъется) независимо от емкости конденсатора фильтра.
Ток важен.
Пробой напряжением - обратим. Пробой током - катастрофичен. Но ток ограничен резисторами в стоке и истоке, так что теплового пробоя перехода не предвидится.
Я ведь, когда говорил о понижении номинала резистора с одновременным увеличением номинала конденсатора фильтра, имел в виду понижение шума безотносительно того, нужно это или нет. Так сказать, исходя из общих соображений.
Мы же здесь ловим микроамперы и нановольты, так почему бы и не пойти очевидным путем?

[Igor EV]

Так он пробъется (если пробъется) независимо от емкости конденсатора фильтра.
Ток важен.
Пробой напряжением - обратим. Пробой током - катастрофичен. Но ток ограничен резисторами в стоке и истоке, так что теплового пробоя перехода не предвидится.

ОК. В схеме Rode NT1-A на истоке транзистора 7.34В. И судя по всему ток там может быть порядка нескольких миллиампер, поскольку исток подключен к выходу двутактного выходного каскада. Т.е. если на затворе появится напражение большее, чем пробивное Uзи, транзистор гарантированно и необратимо пробьется. Значит, если громко крикнуть в микрофон - ему будет хана

Я ведь, когда говорил о понижении номинала резистора с одновременным увеличением номинала конденсатора фильтра, имел в виду понижение шума безотносительно того, нужно это или нет. Так сказать, исходя из общих соображений. Мы же здесь ловим микроамперы и нановольты, так почему бы и не пойти очевидным путем?

Да, понятно. С точки зрения шума всё хорошо и без уменьшения сопротивлений резисторов

[Гоша]

Т.е. если на затворе появится напражение большее, чем пробивное Uзи, транзистор гарантированно и необратимо пробьется.

Пробъется, если энергии, накопленной в конденсаторе фильтра, будет достаточно, чтобы нагреть кристалл до температуры выше 150 С.
Но это вряд-ли.

[Павлунчик]

Сделал. Никаких бросков на выходе нет.

Спасибо за сотрудничество. Вне эмулятора действительно никаких бросков нет. В эмуляторе есть...
Когда что-то не сходится (эмуляторы не всемогущие) - последнее слово за Практикой.
--------------
Боялся, что возвращение к диодам 1N4148 добавит шум. Оказалось нет. И напряжение на выходе с последними на несколько вольт больше, чем с BAV170.
Если будете разрабатывать печатку под эту схему - сделайте площадки для "1пФ" с минимальным зазором (база Q2 поближе к коллектору Q1). Возможно дополнительная ёмкость не потребуется.

[semimat]

Пробъется, если энергии, накопленной в конденсаторе фильтра, будет достаточно, чтобы нагреть кристалл до температуры выше 150 С.
Но это вряд-ли.

Кроме теплового повреждения существуют и другие механизмы деградации под действием электрических импульсов. Причем, энергия, достаточная для возникновения деградации, в некоторых случаях оказывается очень малой. Вот данные по энергиям, требуемым для деградации электронных компонентов из двух источников.
1. Рикетс Л.У., Бриджес Дж. Э., Майлетта Дж. Электромагнитный импульс и методы защиты: Пер с англ. Под ред. Ухина Н.А. М.: Атомиздат, 1979 г.
Таблица 1. Энергия импульса, требуемая для возникновения деградации в электронных компонентах согласно [1].

2. В.И. Петровский, Ю.Е., Седельников, Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1986 г.
Таблица 2. Энергия импульса, требуемая для возникновения деградации в электронных компонентах согласно [ 2].

Я не знаю, как оценивались эти энергии, но получается, что для p-n перехода полевика достаточно всего от долей до нескольких микроджоулей. При обратном пробое перехода, на нем окажется около 40...50 Вольт, и он может забрать на себя значительную часть энергии конденсатора, которая, как ты посчитал, составляет около 800 мкроджоулей. Спасти может то, что электретная пленка, при её залипании, не пропустит ток в сквозном направлении (если она металлизирована снаружи, как у электретных капсюлей). Правда, я еще читал, что даже если полевики иногда "избегают смерти", то у них может появиться дополнительный шум в виде случайных импульсных всплесков.
Но, наверное, бояться риска повреждения полевика из-за залипания, все-таки, не стоит, именно благодаря изолирующей роли пленки мембраны (при залипании замыкания обкладок не происходит). Иначе бы микрофоны часто повреждались или ухудшали свои шумовые характеристики.

[Igor EV]

semimat, получается никакого выхода нет? Полевой транзистор пробьет при громком звуке (когда капсюль залипнет)?

[shura1959]

Таблица 1. Энергия импульса, требуемая для возникновения деградации в электронных компонентах согласно [1].

Спасибо, очень интересно. Деградация, понятно дело, это не разрушение, а изменение параметров. Не раз ремонтировал переносные сов. магнитофоны, у которых сильно увеличивался шум входного транзистора в УВ, предполагаю - статическое электричество.

[semimat]

semimat, получается никакого выхода нет? Полевой транзистор пробьет при громком звуке (когда капсюль залипнет)?

Я решил дописать в своем посте, что не пробьется. Не благодаря тому, что энергии конденсатора фильта не хватит, а потому, что мембрана сделана из изолятора, и на ней есть только металлизация снаружи. Поэтому при возникновении залипаниия, замыкания обкладок капсюля не произойдет, и транзистор не пробьется. Иначе микрофоны часто выходили бы из строя.

[Павлунчик]

получается никакого выхода нет? Полевой транзистор пробьет при громком звуке (когда капсюль залипнет)?

Одни полевики начинают "трещать" с первого "залипания", другие со сто-первого.
Я неспроста остановился на японце 2SK3557 (6). На первый взгляд "низковольтный", а затвор живучий, как таракан. Применяют с капсюлями под 200V поляризации. Испытайте, попробуйте его "убить"

---------- Сообщение добавлено 00:07 ---------- Предыдущее сообщение было 00:00 ----------

Иначе микрофоны часто выходили бы из строя.

Не часто но бюджетные (с доп. преобразователем) не так уж и редко. Именно по причине пробоя затвора.
Вопрос мутный.

[Гоша]

semimat,
Мембраны металлизированы снаружи. Иначе, как с них снять сигнал? Уж больно хитрая конструкция получится.
Так что все, что мы здесь рассматриваем - из разряда "почему и отчего первым признаком отравления является посинение трупа".
Ежели мембрана замкнута с ЦЭ - капсюлю однозначно конец, разряжай через него конденсатор или нет.
Ясное дело, что термическим пробоем дело не ограничивается. Но всякий раз надо рассматривать условия, при которых пробой развивается.
Возьмем средней паршивости ПТ с начальным током стока 1 мА. Это значит, что сопротивление открытого канала составит единицы килоом.
Сопротивление же перехода, пробитого лавинно (напряжением) составляет доли ома.
Отсюда практически вся энергия будет выделена не в области перехода, а в канале.
Вот из этих 8 мДж в переходе выделятся микроджоули.
Это в том случае, когда отсутствуют иные ограничивающие ток элементы.

[Igor EV]

Испытайте, попробуйте его "убить"

Небольшие трудности, однако: такой полевик нужно еще раздобыть, но еще жальче капсюль, с которым неизвестно что случится при таком эксперименте Но желающие конечно могут попробовать.

[Schertler]

Проект сборки на круглой плате диаметром 50 мм!
Если бы большой электролит 470 мкФ был бы меньшего диаметра, было бы вообще супер ....
Схема прилагается!
Буду рад если поделитесь своими компактными версиями разводки плат такой круглой формы ...