Απλός Συμπιεστής - Περιοριστής

compressor_-_limiter_electronic_board_1
compressor_-_limiter_electronic_board_1compressor_-_limiter_electronic_board_2
4.5 5 2 Product


Η "συμπίεση" του ήχου είναι μια διαδικασία επεξεργασίας του σήματος κατά την οποία περιορίζεται η  ένταση των δυνατών ήχων ή (και) ενισχύεται η ένταση των ασθενών ήχων με σκοπό να περιοριστεί η συνολική δυναμική περιοχή ενός ηχητικού σήματος. Δηλαδή, περιορίζεται - μειώνεται - συμπιέζεται ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη ένταση του ηχητικού σήματος. Κυκλώματα συμπίεσης ηχητικής στάθμης χρησιμοποιούνται ευρέως στη δισκογραφία, στους θαλάμους ηχοληψίας, στη ραδιοφωνία, σε συναυλίες, σε ενισχυτές μουσικών οργάνων.

Εδώ παρουσιάζουμε ένα κύκλωμα συμπιεστή ήχου, το οποίο μπορεί να συμπιέσει το δυναμικό εύρος ηχητικής έντασης οποιουδήποτε αναλογικού σήματος ήχου. Το συγκεκριμένο κύκλωμα δεν ενισχύει τους ασθενείς ήχους αλλά περιορίζει (εξασθενεί) το δυνατό ήχο. Η ταχύτητα αντίδρασης και ο βαθμός συμπίεσης μπορούν να ρυθμιστούν μέσω δύο ποτενσιομέτρων.

Το κύκλωμα πραγματοποιεί ήπια συμπίεση στα σήματα μέσης ηχητικής στάθμης και ισχυρή συμπίεση στα σήματα υψηλής ηχητικής στάθμης. Επομένως λειτουργεί κι ως περιοριστής, δηλαδή περιορίζει τη μέγιστη ένταση του ήχου. Ο περιοριστής είναι στην πραγματικότητα ένας ισχυρός συμπιεστής με γρήγορη ταχύτητα απόκρισης.

Το απλό κύκλωμα του περιοριστή - συμπιεστή σχεδιάστηκε για να χρησιμοποιηθεί σε έναν ραδιοφωνικό σταθμό FM. Επομένως, σχεδιάστηκε να λειτουργεί με σχετικά γρήγορη ταχύτητα απόκρισης δεδομένου ότι στη ραδιοφωνία είναι κρίσιμο ο περιορισμός τη στάθμης του ηχητικού σήματος να γίνεται ταχύτατα, προκειμένου να μη συμβεί υπερδιαμόρφωση στον πομπό. Πιθανή υπερδιαμόρφωση θα μπορούσε να προκαλέσει παρεμβολές στις διπλανές ραδιοφωνικές συχνότητες και να παρενοχλήσει "γειτονικούς" ραδιοφωνικούς σταθμούς.

Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του απλού περιοριστή - συμπιεστή

Το κύκλωμα βασίζεται στο διπλό τελεστικό ενισχυτή TL082. Ο ένας από τους δύο τελεστικούς που περιέχει εσωτερικά το TL082 χρησιμοποιείται ως μετρητής ηχητικής στάθμης κι ο άλλος τελεστικός χρησιμοποιείται ως ενισχυτής ρυθμιζόμενης απολαβής. Ο μετρητής παράγει μία τάση που είναι ανάλογη της ηχητικής έντασης και η τάση αυτή χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της απολαβής του ενισχυτή ρυθμιζόμενης απολαβής. Στην πραγματικότητα, ο μετρητής ηχητικής στάθμης παρέχει αρνητική ανατροφοδότηση που ενεργοποιεί τον περιορισμό της απολαβής του ενισχυτή έπειτα από ένα συγκεκριμένο κατώφλι. Είναι προφανές ότι ο ενισχυτής ρυθμιζόμενης απολαβής είναι ελεγχόμενος από τάση. Το στοιχείο ελέγχου είναι μία ελεγχόμενη από τάση μεταβλητή αντίσταση που υλοποιείται με ένα JFET.

Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του απλού περιοριστή - συμπιεστή
Εικόνα 1. Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του απλού περιοριστή - συμπιεστή

Το IC1-A χρησιμοποιείται ως ένας τυπικός μη αναστροφικός ενισχυτής με ΤΕ. Η απολαβή του μη αναστροφικού ενισχυτή ισούται με 1+[R4/(R3+ rDS)]. Όπου rDS είναι η δυναμική αντίσταση μεταξύ εκροής και πηγής του FET T1. Το FET λειτουργεί στη γραμμική του περιοχή ως μεταβαλλόμενη αντίσταση που ρυθμίζεται από την αρνητική τάση που εφαρμόζεται στην πύλη του.

Το IC1-B είναι ένας τυπικός αναστροφικός ενισχυτή με ΤΕ που δέχεται στην είσοδό του σήμα από την έξοδο του IC1-A και ενισχύει αυτό το σήμα περαιτέρω. Η απολαβή του αναστροφικού καθορίζεται από το λόγο (R10+R11)/R12.

Οι δίοδοι D1 και D2 υλοποιούν έναν ανορθωτή. Οι C8 και η R7 φιλτράρουν και εξομαλύνουν το σήμα του ανορθωτή και υλοποιούν έναν ανιχνευτή ηχητικής στάθμης ο οποίος παράγει μία τάση που είναι ευθέως ανάλογη της ηχητικής στάθμης. Στην πραγματικότητα, η ορθή αναλογία ισχύει μόνο πέραν από ένα συγκεκριμένο κατώφλι που καθορίζεται από την πτώση τάσης στις διόδους.  Η σταθερά χρόνου C8*(R7+R16) καθορίζει και την ταχύτητα απόκρισης του ανιχνευτή και ουσιαστικά είναι και η παράμετρος που καθορίζει την ταχύτητα απόκρισης του συμπιεστή - περιοριστή ή τους χρόνους "επίθεσης" (attack) και "υποχώρησης" (release) του συμπιεστή, όπως συνηθίζεται να αποκαλούνται στην τεχνική ορολογία.

Ο ανιχνευτής ηχητικής στάθμης παράγει μία αρνητική τάση σε σχέση με τη γη, η οποία εφαρμόζεται στην πύλη του T1 και ελέγχει τη δυναμική αντίσταση μεταξύ εκροής και πηγής του FET. Η αντίσταση rDS του FET καθορίζει εν συνεχεία την απολαβή του ενισχυτή μεταβαλλόμενης απολαβής (IC1-A). Όταν η ηχητική στάθμη αυξάνεται, τότε αυξάνεται και η αρνητική τάση που εφαρμόζεται στην πύλη του FET. Η αύξηση της αρνητικής τάσης προκαλεί αύξηση της δυναμικής αντίστασης rDS, η οποία με τη σειρά της περιορίζει την απολαβή του ενισχυτή μεταβαλλόμενης απολαβής και μειώνει την ένταση του ήχου. Πρόκειται ουσιαστικά για αρνητική ανάδραση που περιορίζει την ένταση των ισχυρών ήχων και συμπιέζει τη δυναμική περιοχή του ηχητικού σήματος.

Όπως έχουμε ήδη πει, η σταθερά χρόνου C8*(R7+R16) καθορίζει την ταχύτητα απόκρισης του συμπιεστή, δηλαδή το πόσο γρήγορα αυτός αντιδρά και περιορίζει τους ισχυρούς ήχους. Δεδομένου ότι η R7 είναι ποτενσιόμετρο, η ταχύτητα απόκρισης μπορεί να ρυθμιστεί από αυτό το ποτενσιόμετρο. Εκτός από την ταχύτητα απόκρισης, ρυθμιζόμενο είναι επίσης και το κατώφλι αντίδρασης του περιοριστή, δηλαδή η κατώτατη ηχητική στάθμη από την οποία αρχίζει η ισχυρή συμπίεση - περιορισμός. Το κατώφλι καθορίζεται ουσιαστικά από την απολαβή του αναστροφικού ενισχυτή  IC1-B, η οποία με τη σειρά της μπορεί να ρυθμιστεί από το ποτενσιόμετρο R11. Επομένως, η R11 ρυθμίζει το κατώφλι αντίδρασης του περιοριστή.


Το JFET ως μεταβλητή αντίσταση, ελεγχόμενη από τάση

Ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET), κάτω  από ορισμένες συνθήκες, μπορεί να λειτουργήσει ως μεταβλητή αντίσταση ελεγχόμενη από τάση. Στην πραγματικότητα, μπορούμε να ρυθμίσουμε τη δυναμική αντίσταση  εκροής - πηγής από την τάση πύλης - πηγής. 

Σε ένα JFET, το μέγιστο ρεύμα εκροής - πηγής, IDSS και η ελάχιστη δυναμική αντίσταση, rDS(on), υφίστανται όταν η τάση πύλης - πηγής είναι ίση με μηδέν (VGS = 0). Καθώς η τάση πύλης πηγής αυξάνεται (αρνητικά για JFETs n-καναλιού και θετικά για JFETs p-καναλιού), η δυναμική αντίσταση rDS αυξάνεται. Κατά την αύξηση της αντίστασης, το ρεύμα εκροής μειώνεται έως το σημείο στραγγαλισμού, από το οποίο και έπειτα το FET δεν είναι πλέον αγώγιμο. Κατά το στραγγαλισμό υφίσταται η μέγιστη δυναμική αντίσταση rDS. Η τάση πύλης-πηγής που απαιτείται για το στραγγαλισμό ονομάζεται και τάση αποκοπής και συμβολίζεται με VGS = VGS(off).

Τυπικές χαρακτηριστικές λειτουργίας ενός JFET n-καναλιού
Εικόνα 2. Τυπικές χαρακτηριστικές λειτουργίας ενός JFET n-καναλιού

Στην εικόνα 2 απεικονίζονται οι τυπικές χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας ενός JFET n-καναλιού. Στις περισσότερες εφαρμογές ενισχυτών ή σε κυκλώματα διακοπτών, τα FET λειτουργούν στην περιοχή κορεσμού που σημειώνεται στο διάγραμμα ως Region 2. Υπάρχει όμως και η γραμμική περιοχή λειτουργίας, Region 1, στην οποία μπορείτε να παρατηρήσετε ότι η κλίση των χαρακτηριστικών είναι διαφορετική για κάθε τάση πηγής - πύλης (VGS). Αυτό σημαίνει ότι και η αγωγιμότητα του καναλιού (από την πηγή στην εκροή) είναι διαφορετική για κάθε διαφορετική τάση VGS. Μάλιστα, η κλίση έκαστης καμπύλης παραμένει σχετικά σταθερή για μικρές τιμές της τάσης απαγωγού - πηγής (VDS), δηλαδή, η αγωγιμότητα του καναλιού είναι σχετικά ανεξάρτητη της τάσης VDS για μικρές τιμές της τάσης VDS κι εξαρτάται μόνο από την τάση VGS. Στη γραμμική περιοχή λοιπόν, το FET μπορεί να λειτουργήσει ως μεταβαλλόμενη αντίσταση ελεγχόμενη από τάση αρκεί η τάση VDS να είναι μικρή.

Η τελευταία παρατήρηση είναι ιδιαίτερα κρίσιμη στην περίπτωση του κυκλώματός μας και λαμβάνεται σοβαρά υπόψη προκειμένου να μην υπάρχει παραμόρφωση του ήχου:

Είναι προφανές (από την εικόνα 2) ότι οι χαρακτηριστικές λειτουργίας του JFET καμπυλώνονται καθώς αυξάνεται η τάση VDS προς τη θετική κατεύθυνση και πλησιάζει την τάση στραγγαλισμού. Η καμπύλωση των χαρακτηριστικών σημαίνει ότι μεταβάλλεται η αντίσταση rDS του καναλιού και αυτό μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση σε κυκλώματα όπου το FET χρησιμοποιείται ως αντίσταση ελεγχόμενη από τάση. Αυτό θα συμβεί διότι η αντίσταση του FET δεν θα είναι συνάρτηση μόνο της τάσης πόλωσης VGS αλλά και του σήματος VDS.

Υπάρχουν δύο λύσεις για να αποφευχθεί η παραμόρφωση (η εξάρτηση της αντίστασης rDS από το σήμα του ήχου):

  1. Αν η τάση VDS (τάση του σήματος) διατηρηθεί σε εξαιρετικά χαμηλή στάθμη
  2. Αν εφαρμόσουμε κάποια αρνητική ανάδραση από την εκροή (drain) στην πύλη (gate)

Στο κύκλωμα του απλού συμπιεστή - περιοριστή ήχου χρησιμοποιούμε και τις δύο παραπάνω τεχνικές.

Οι αντιστάσεις R1 και R2 υλοποιούν έναν διαιρέτη τάσης που λειτουργεί ως εξασθενητής. Ο διαιρέτης τάσης εξασθενεί το σήμα εισόδου κατά 33db, προκειμένου η τάση μεταξύ εκροής και πηγής (drain - source) στο T1 να είναι πολύ μικρή κι αυτό να λειτουργεί στη γραμμική του περιοχή. Η επίδραση του εξασθενητή (-33db) ισοσταθμίζεται από την ενίσχυση του μη αναστροφικού ενισχυτή που υπό κανονικές συνθήκες είναι περίπου +33db.

Ο πυκνωτής C6 και η αντίσταση R5 σχηματίζουν ένα δικτύωμα αρνητικής ανάδρασης, οδηγώντας ένα μικρό ποσοστό του σήματος από την εκροή του Τ1 πίσω στην πύλη. Η θετική ημιπερίοδος του σήματος ανάδρασης προκαλεί εξασθένηση της περιοχής φορτίων χώρου κι αυτό προκαλεί αύξηση του ρεύματος εκροής. Η αύξηση του ρεύματος εκροής για συγκεκριμένη τάση εκροής τείνει να γραμμικοποιήσει τις χαρακτηριστικές καμπύλες VGS. Στην αρνητική ημιπερίοδο, το σήμα ανάδρασης προστίθεται στην ήδη αρνητική πόλωση της πύλης και μειώνει το ρεύμα εκροής - πηγής. Η μείωση αυτή του ρεύματος εκροής, γραμμικοποιεί επίσης τις χαρακτηριστικές. Με τη χρήση της αρνητικής ανάδρασης συνολικά, η αντίσταση του καναλιού του FET καθίσταται ανεξάρτητη της τάσης εκροής και εξαρτάται μόνο από την πόλωση τη πύλης, καθόσον δεν προσεγγίζεται το όριο VDS = VGS – VGS(off).

Μέτρηση της απόδοσης του συμπιεστή

Η απόδοση του συμπιεστή μετρήθηκε με τη χρήση ενός παλμογράφου διπλής δέσμης και μιας γεννήτριας ακουστικών συχνοτήτων. Οι μετρήσεις που ελήφθησαν παρουσιάζονται λεπτομερώς στην εικόνα 3. Οι καμπύλες διαφορετικού χρώματος αντιστοιχούν σε διαφορετικές ρυθμίσεις της τάσης κατωφλίου από το ποτενσιόμετρο R11. Η απόδοση του κυκλώματος, τυπικά υπήρξε η ίδια σε όλη την περιοχή συχνοτήτων από 30 Hz έως 50 KHz, ωστόσο, οι μετρήσεις που παρουσιάζονται στην εικόνα 3 αφορούν τη συχνότητα του 1 KHz.

Τυπική απόδοση του απλού συμπιεστή - περιοριστή
Figure 3. Τυπική απόδοση του απλού συμπιεστή - περιοριστή όπως μετρήθηκε στο 1KHz για διάφορες τιμές της τάσης κατωφλίου

 

Κατασκευή του κυκλώματος

Για την εύκολη συναρμολόγηση του κυκλώματος, έχουμε φτιάξει το κατάλληλο τυπωμένο κύκλωμα (πλακέτα). Το τυπωμένο κύκλωμα έχει χαλκό μόνο στη μία του όψη και παρουσιάζεται στην εικόνα 4:

Το τυπωμένο κύκλωμα του απλού συμπιεστή - περιοριστή

Εικόνα 4. Το τυπωμένο κύκλωμα του απλού συμπιεστή - περιοριστή (η όψη του χαλκού)

Όλα τα εξαρτήματα θα πρέπει να κολληθούν στο τυπωμένο σύμφωνα με τον οδηγό συναρμολόγησης της εικόνας 5. Αφού συναρμολογήσετε και δοκιμάσετε το κύκλωμα, ενδέχεται να θελήσετε να να το τοποθετήσετε στο μπροστινό πάνελ κάποιου ενισχυτή ή σε κάποιο άλλο κουτί για να τον χρησιμοποιήσετε ως αυτόνομη συσκευή.

Ο απλός συμπιεστής περιοριστής διαθέτει και μία έξοδο στην οποία μπορείτε να συνδέσετε ένα μικροαμπερόμετρο ή ένα μικρό βολτόμετρο (0-5V) υψηλής εσωτερικής αντίστασης, για να έχετε μία οπτική ένδειξη του βαθμού συμπίεσης του ήχου.  Η ευαισθησία του οργάνου μπορεί να ρυθμιστεί από το ποτενσιόμετρο R8. Ουσιαστικά, το οργανάκι θα δείχνει τη στάθμη του ήχου λαμβάνοντας ένα μικρό ποσοστό του σήματος από την έξοδο του μετρητή στάθμης. Η τάση αυτή είναι αρνητική και είναι ουσιαστικά η τάση που εφαρμόζεται στην πύλη του FET για τον έλεγχο της απολαβής.  

Οδηγός συναρμολόγησης του απλού συμπιεστή - περιοριστή
Εικόνα 5. Οδηγός συναρμολόγησης του απλού συμπιεστή - περιοριστή ήχου

Αν θέλετε να φτιάξετε μία στερεοφωνική έκδοση του απλού συμπιεστή - περιοριστή, θα πρέπει να φτιάξετε δύο πανομοιότυπες πλακέτες - μία για κάθε κανάλι ήχου.  Σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει να προσέξετε να χρησιμοποιήσετε εξαρτήματα υψηλής ποιότητας και χαμηλών ανοχών προκειμένου να έχετε την ίδια ακριβώς απόκριση σε κάθε κανάλι ήχου.

Το κύκλωμα του συμπιεστή απαιτεί συμμετρική τροφοδοσία ±15V. Για καλύτερη απόδοση, είναι καλύτερα να χρησιμοποιήσετε ένα γραμμικό τροφοδοτικό και όχι παλμοτροφοδοτικό που ενδέχεται να έχει θόρυβο. Η κατανάλωση ρεύματος του κυκλώματος δεν υπερβαίνει τα 5 mA.