КОНТАКТНО -РЕЗИСТОРНЬЙ КОММУТАТОР ВХОДОВ

Д.Андронников

Молод, дерзок, но уже закален в звуковых боях. В 1992 г. закончил ЛИАП (Ленинградский Институт Авиационного Приборостроения) - кузницу звуковых кадров Петербурга. С первого года жизни держит в руках паяльник. Хочет сам разработать и создать собственную мощную лампу - ищет спонсора. Родной язык - английский. Знает, как по-японски произносится слово лампа - SHIN KU KAN.

При проектировании усилительной аппаратуры высокого качества, оказывающей минимальное влияние на звуковой сигнал, разработчики зачастую сталкиваются с необходимостью тщательного отбора и проверки схемных решений каждого узла устройства. До недавнего времени такой узел как входной коммутатор, не привлекал особого внимания конструкторов, считаясь второстепенным с точки зрения качества звучания. Однако, на самом деле коммутатор может существенно чхудшить звучание всего аппара-та если при его проектировании и изготовлении не будет принято мер по обеспечению линейности и надежности контактов.
    Опыт разработки усилительной техники привел меня к выводу, что коммутаторы с последовательным включением контакта (электронные ключи в данном аспекте не рассматриваются, как неприемлемые с точки зрения вносимых искажений и помех при коммутации) могут в значительной мере повлиять на звуковой сигнал (к сожалению только в худшую сторону). Попробуем определить из-за чего же может возникнуть такой эффект. Для этого обратимся к типовой схеме трех-входового контактного коммутатора, представленной на рис.1. Звуковой сигнал с выхода источника через один из контактов К1-КЗ проходит на вход усилительного элемента. Собственно контакт в замкнутом состоянии является весьма сложной электрической цепью, содержащей как линейные - контактное сопротивление, R_K так и нелинейные - вентильное сопротивление R_V компоненты.
    Переходное контактное сопротивление R_K - величина весьма нестабильная. Она зависит от силы прижима контактов и площади их соприкосновения, материала и химического состояния поверхностей, температуры и влажности - и может произвольно изменяться в широких пределах (от десятых долей ома до сотен ом). Особенно велики эти изменения, если проходящий через контакты ток очень мал (что обычно и имеет место в коммутаторе входов). Скорость изменения R_K может быть как низкой (малые многочасовые флуктуации), так и высокой ( резкие изменения за время порядка десятков миллисекунд).
    Практически в любом контакте в замкнутом состоянии (в большей степени это относится к контактам на основе меди, серебра, марганца и их сплавов, в меньшей - к золотым, иридиевым, рениевым) существуют паразитные диодные структуры, возникающие из-за окисной пленки или загрязнений, которые зачастую обладают полупроводниковыми свойствами (в 20-е годы этот эффект использовали радиолюбители, собиравшие приемники на основе детекторных элементов из свинца, меди, сурьмы и т.п.). Эти паразитные "диоды" имеют сопротивление в прямом направлении порядка нескольких килоом а в обратном -несколько сотен килоом и включены параллельно сопротивлению R_K, образуя нелинейную компоненту R_V. Она нелинейно зависит от величины и направления протекающего тока.
    Таким образом, сигнал через контакт имеет два пути распространения - через сопротивление R_K - линейное, нестационарное, и R_V - нелинейное, нестационарное, значительное по величине. Не углубляясь в теорию, следует сказать, что, кроме основных, указанных нами источников помех и искажений, существуют и другие, в частности термо-ЭДС контактов и контактная разность потенциалов, но их влияние на звуковой сигнал проявляется в меньшей степени - поэтому ограничимся только констатацией факта существования этих эффектов.
    Значительно ослабить вредное влияние контактов на сигнал можно, применив другую схему коммутации, приведенную на рис.2. При таком построении схемы неиспользуемые входы замыкаются контактами на общий провод , а используемый отключается от него. Сигнал с выхода выбранного источника проходит только через резисторы, искажения и шумы которых значительно (в 10 - 1000 раз) меньше, чем у контактов.
    Сравнение звучания двух схем усилителя с коммутатором по схеме рис.2 с таким же, но с коммутатором по схеме рис.1 на различных музыкальных программах выявило существенные преимущества резисторно-контактного коммутатора. Оно проявилось в лучшей проработке динамики сигнала, отчетливости и слитности музыкальных деталей, свободе звучания.
    К сожалению подобный коммутатор имеет некоторые недостатки - это небольшое входное сопротивление и малый коэффициент передачи. Для трехвходового коммутатора эти величины составляют
    (при R1=R2=R3=R_X и R4=R5=R6=R_Y и R_вх.ус>>R_X , R_Y ):
    R_Bx=R_X+3/2R_Y
    K=( 1/2R_Y ) / ( 3/2R_Y+R_X )
    А для четырехвходового при таких же условиях
    R_Bx=R_X+4/3R_Y
    K=( 1/3R_Y ) / ( 4/3R_Y+R_X )
    В общем случае для N-входового коммутатора можно получить.
    R_Bx=R_X + ( N/(N-1))R_Y
    K=[(1/(N-1))R_Y ] / [(N/(N-1))R_Y +R_X )]
    Несколько слов о выборе величин R_X и R_Y. He рекомендуется выбирать R_X>R_Y из-за значительного уменьшения коэффициента передачи. Оптимальное значение R_Y лежит в пределах R_X Ј R_Y Ј 3R_X
    При таком выборе достигается определенный компромисс между величиной сопротивления в цепи сигнала и снижением коэффициента передачи. Численные значения сопротивлений следует брать минимально возможными с целью уменьшения их теплового шума, но разумеется, не ниже допустимого значения сопротивления нагрузки источников сигнала.
    Из-за существенного ослабления сигнала данную схему не следует применять в пассивном коммутаторе с L-аттенюатором. Напротив, в активном предварительном усилителе применение такого коммутатора в сочетании с L-аттенюатором целесообразно и оправдано. К примеру, если общий коэффициент передачи коммутатора и аттенюатора составляет в режиме наименьшего ослабления (т.е. максимальной громкости) -18дБ, а усиление линейного каскада 28-ЗОдБ, то общий коэффициент передачи усилителя по линейному входу составит 10-12дБ, что является величиной, близкой к общепринятым значениям.
    В качестве примера на рис.3 (см. на след, стр.) приведена схема коммутатора и линейного усилительного каскада, длительное время используемая мною в собственном предварительном усилителе. Если у вас проснется интерес и желание сделать такой же, знайте, что наибольшее влияние на звук оказывают следующие элементы: R1-R9, R11, С2 и СЗ. Для получения наилучших результатов повыбирайте из разных резисторов и конденсаторов, пока не остановитесь на тех, звучание которых вам более всего по душе. В данном случае лучшим советчиком и консультантом может быть только ваш собственный вкус. С целью снижения фона до минимальных значений напряжение анодного питания следует стабилизировать, а цепи накала питать от выпрямителя с емкостью фильтра не менее 10000 мкФ.