Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCBwayPCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias

adambyw 21 Maj 2020 16:44 669 0
  • #1
    adambyw
    Moderator Akustyka
    Wiele modeli mikrofonów do pracy wymaga zasilania, i ogólnie nazywamy je mikrofonami pojemnościowymi. Zasilanie wykorzystywane jest do pracy wewnętrznego przedwzmacniacza oraz do polaryzacji kapsuły mikrofonowej. Samą realizację zasilania mikrofonów dzielimy na trzy rodzaje:

    - Zasilanie baterią
    - Zasilanie poprzez kabel sygnałowy audio
    - Zasilanie zewnętrznym zasilaczem (w dzisiejszych czasach wyłącznie w mikrofonach wyposażonych w lampę elektronową)

    Dla tego najczęstszą przyczyną uznania mikrofonu za niesprawny jest brak zasilania, czy to z baterii czy z kabla.

    Do zasilania mikrofonów kablem sygnałowym stosuje się dwa główne standardy

    - BIAS - przesył niesymetryczny
    - Phantom - przesył symetryczny

    Mikrofony Elektretowe

    Mikrofony elektretowe zapewniają najlepszy stosunek jakości do ceny. Mogą być bardzo czułe, bardzo kompaktowe i mają małe wymagania zasilania. Wykorzystywane są w wielu aplikacjach, zwłaszcza gdzie wymagane są małe gabaryty. Większość mikrofonów w urządzeniach konsumenckich jak telefony, komputery, dyktafony, kamery, czy profesjonalnych jak mikrofony nagłowne, krawatowe to mikrofony z wkładką elektretową.
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias

    Elektret, jest zmodyfikowaną wersją klasycznego mikrofonu pojemnościowego, wykorzystuje zmiany w pojemności spowodowane drganiami mechanicznymi, wytwarzając zmianę napięcia, proporcjonalne do fal dźwiękowych. Zwykły mikrofon pojemnościowy potrzebuje przyłożonego napięcia do okładzin wkładki, natomiast sam elektret ma wbudowany ładunek elektryczny, a potrzebne kilka woltów zasilania służy tylko do zasilenia wbudowanego bufora FET.

    Typowa wkładka elektretowa jest urządzeniem najczęściej z dwoma lub trzema stykami, które po zasileniu napięciem ok 1-9V zużywa standardowo mniej niż 0,5mA. Powoduje to konwersję bardzo wysokiej impedancji samego elementu elektretowego i kabla.
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias
    Tył wkładki

    Rezystor obciążenia definiuje impedancję, i można go dopasować do użytego przedwzmacniacza mikrofonowego. Zazwyczaj jest to 1-10kΩ. Dolna granica jest definiowana przez szumy napięciowe wzmacniacza, a górna przez szumy prądowe wzmacniacza oraz zakłóceń. W wielu przypadkach mikrofon jest zasilany ze źródła zasilania 1,5-5V przez rezystor o wartości kilku kiloomów.

    Ponieważ sama kapsuła elektretowa zawiera mały wzmacniacz buforowy który generuje szumy, to często określa się stosunek sygnału do szumu (S Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias /N ratio, zwykle przy 94dB SPL) lub wartość szumów własnych która jest odpowiednikiem poziomu szumu akustycznego, zwykle około 20-30dB SPL.

    Mikrofony elektretowe potrzebują zasilania ze względu na wbudowany wzmacniacz FET wewnątrz kapsuły mikrofonowej. Napięcie bias powinno być stabilne, ponieważ jego zmiany będą słyszalne w dźwięku z mikrofonu. Jest to częsty problem w mikrofonach podpiętych do laptopów, lub komputerów z mikrofonami na USB, gdzie słabej jakości zasilacz generuje wahania napięć i objawia się to charakterystycznym piskiem w okolicy 3-9kHz (np podczas ruszania myszą).

    Podstawowe układy zasilania mikrofonów elektretowych
    Jest to podstawowy schemat zasilania mikrofonów elektretowych, który można wykorzystać jako ogólne odniesienie w przypadku różnych układów odbiorczych. Impedancja wejściowa jest określona przez R1 i R2. Jeśli pominąć R2, to impedancja wyjściowa jest w przybliżeniu równa rezystancji R1.
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias
    Zasilanie można podać z baterii lub innego źródła napięcia. Dla tego układ ten może być wykorzystany z przedwzmacniaczami przeznaczonymi do mikrofonów dynamicznych. Budując ten układ z baterią, dobrym pomysłem jest dodanie przełącznika odłączającego baterię. Należy też zwrócić uwagę że poziom sygnału wyjściowego tego układu jest zauważanie wyższy od sygnału z typowych mikrofonów dynamicznych, i w przypadku preampu dla mikrofonów dynamicznych należy zmniejszyć wzmocnienie na wejściu mikrofonu.

    Komputery i sprzęt konsumencki
    Firma Creative Labs ze swoimi kartami serii Sound Blaster utrwaliła standard podłączania mikrofonów w komputerach. Złącze mikrofonowe wykorzystuje złącza 3.5mm minijack który ma następujący pinout:
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias
    T - Tip - końcówka - Sygnał Audio
    R - Ring - Pierścień - Zasilanie Bias (+5V poprzez rezystor 2.2kΩ)
    S - Sleve - Obudowa - Masa

    Schemat poniżej w przybliżeniu pokazuje schemat wejścia mikrofonowego typowej karty dźwiękowej komputera i podłączanego do niego mikrofonu elektretowego.
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias
    W tym przypadku w gnieździe zasilanie jest odseparowane od linii audio, co umożliwia podłączenie mikrofonu dynamicznego. W przypadku wejść dla mikrofonów stereofonicznych, lub złącz TRRS dla słuchawek zintegrowanych z mikrofonem nie ma takiej separacji, i linia sygnałowa oraz zasilania jest połączona w gnieździe mikrofonowym:
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias
    Systemy profesjonalne
    Zasilanie bias i wkładki elektretowe w systemach profesjonalnych spotyka się głównie przy systemach bezprzewodowych, oraz małych mikrofonach instrumentalnych. Ze względu na dużą podatność zasilania BIAS na zakłócenia stosuje się kable nie dłuższe niż 3m, następnie konwertuje się sygnał na symetryczny lub radiowy.
    Od strony elektrycznej nie różni się on od podejścia w sprzętach konsumenckich. Niestety w branży systemów bezprzewodowych nie utrwalił się jeden standard wtyków, natomiast można rozróżnić kilka podstawowych grup i złącz:
    Minijack TRS 3,5mm (Rode, Sennheiser)



    TAudio
    RBias
    SMasa


    Minijack TS 3,5mm (Karsect, T-Bone)


    TAudio i Bias
    SMasa


    mini XLR 4P TA-4F (Alto, beyerdynamic, IMG Stageline, JTS, Mipro, Monacor, , Line 6, Shure)




    1Masa
    2Bias
    3Audio Hi-Z (z wysoką impedancją)
    4Rezystor obciążający, zwykle 22kΩ

    Takie połączenie jest bardzo elastyczne i umożliwia podłączenie różnych źródeł dźwięku, np gitary elektrycznej

    mini XLR 3P TA-3F (AKG, DNA, LD Systems, Novox, Proel, Samson, Soundstation, Superlux)



    1Masa
    2Audio
    3Bias


    Oczywiście to nie wszystkie firmy i typy złącz dostępne na rynku polskim, tylko te najczęściej spotykane. Można to jeszcze wspomnieć o złączu Lemo 3P (Sennheiser) czy cH connector (Audio Technica). Proszę wziąć również pod uwagę że podany wyżej pinout może różnić się w zależności od producenta. Zakłada się że napięcie BIAS wynosi 5V, natomiast faktycznie między producentami waha się ono w zakresie 1,5-9V, co w zupełności wystarcza do pracy różnych mikrofonów.

    Phantom
    W połączeniach profesjonalnych w celu zapobiegania zakłóceniom stosuje się połączenie symetryczne, i zasilanie biegnące w w takiej linii mikrofonowej nazywamy Phantom. Detale zasilania Phantom są zawarte w specyfikacji IEC268-15 króra wywodzi się z niemieckiej DIN 45596. Początkowo specyfikowano je na 48 woltów (P48) dostarczanych przez rezystory 6,8k, i ta wartość jest najczęściej używana w sprzętach pro audio. Dokładna wartość rezystorów nie jest zbyt krytyczna, ale dla dobrego działania oba rezystory muszą być dopasowane w zakresie 0,4%. Istnieją również zdefiniowane układy pod napięciem 24 i 12 V (P24 i P12), ale są one rzadziej spotykane niż tradycyjne 48V. Najczęściej w sprzętach budżetowych i instalacyjnych radiowęzłowych. Te układy niższego napięcia wykorzystują niższe wartości rezystancji do zasilania fantomowego, tak by zachować odpowiednią wydolność prądową. Większość nowoczesnych mikrofonów pojemnościowych będzie pracować w szerokim zakresie napięć zasilania Phantom. Zasilanie fantomowe 48V (+10%..-20%) to de facto metoda zasilania mikrofonów wspomagana przez praktycznie wszystkie miksery dźwięku.

    Zasilanie fantomowe jest obecnie najczęściej spotykaną metodą zasilania mikrofonów, ponieważ jest ona bezpieczna jeśli mikrofon dynamiczny (z ruchomą cewką lub wstęga) zostanie przypadkowo lub celowo podłączony do zasilanego kanału mikrofonowego. Niekiedy jest to nieuniknione gdy mikser dźwięku ma globalnie załączane zasilanie phantom, na wszystkie wejścia mikrofonowe na raz. Niebezpieczeństwo występuje jedynie w przypadku zwarcia kabla mikrofonu, lub przy niektórych starych mikrofonach gdzie jeden zacisk cewki połączony jest z masą, i prąd może przepływać przez mikrofon, co może doprowadzić do jego uszkodzenia. Dobrym pomysłem jest sprawdzić kable regularnie pod kątem zwarć, oraz stosować zasadę wyłączania phantom'u dla urządzeń które go nie wymagają.

    Nazwa dla phantom power pochodzi z telekomunikacji: Linia fantomowa to konfiguracja, w której sygnał telegraficzny jest nakładany na zrównoważoną parę, do powrotu wykorzystując masę. Ta sama metoda nadawała się również do zasilania mikrofonów w studiach, więc zastosowano ją również tam.

    Typy zasilania Phantom P48, P24 i P12

    Norma DIN 45 596 definiuje, że zasilanie phantom można uzyskać przy użyciu jednego z trzech standardowych napięć roboczych: 12V, 24V lub 48V.

    Stworzenie czystego zasilania 48V DC jest trudne i kosztowne, zwłaszcza gdy na miejscu dostępny jest tylko akumulator 9V PP3. Częściowo z tego powodu należy zauważyć, że większość nowoczesnych mikrofonów będzie pracować z napięciami w dowolnym miejscu w zakresie 9-54V. Wysokość tego napięcia będzie jednak miała wpływ na MaxSPL, co sporadycznie ale czasami zapisują producenci w specyfikacji.

    Najprostszy układ
    Układ ten jest bardzo prostą metodą podłączenia elektretowej kapsuły mikrofonowej do wejścia symetrycznego miksera zasilanego fantomem (48V) XLR.
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias

    Jest to bardzo prosty "hack" do podłączenia elektretowej kapsuły mikrofonowej do miksera. Układ ten działa, ale ma swoje minusy, takie jak wrażliwość na szumy w zasilaniu Phantom, niesymetryczna transmisja sygnału (podatna na zakłócenia) i wysoka impedancja wyjściowa (nie potrafi prawidłowo zasilić długich kabli). Układ ten może być wykorzystywany do testowania kapsułek elektretowych podłączonych do miksera za pomocą bardzo krótkiego przewodu. Układ ten wytwarza bardzo wysoki poziom trzasków przy podłączeniu/odłączeniu od miksera lub przy włączeniu/odłączeniu zasilania fantomowego. Inną wadą tego układu jest to, że obciąża on linię Phantom w sposób bardzo niewyważony, co może zakłócać pracę niektórych starszych mikserów.

    W praktyce wydaje się, że układ ten działa przynajmniej na nowoczesnych mikserach, ale nie jest poleany do żadnego prawdziwego zastosowania w nagrywaniu czy PA. Układy takie są bardziej skomplikowane, ale działają znacznie lepiej.

    Symetryczny układ Phantom dla wkładki elektretowej
    Układ ten daje sygnał symetryczny i ma około 2kΩ impedancji wyjściowej, co pozwala z powodzeniem na zastosowanie kabla mikrofonowego o długości kilku-kilkudziesięciu metrów.
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias

    Przewód do kapsuły powinien być typu para+ekran. Ekran powinien być podłączony do masy w pobliżu diody zenera i pozostawiony niepodłączony w kapsule.

    Lepszy układ Phantom dla wkładki elektretowej
    Poniższy układ zapewnia niższą impedancję wyjściową od powyższego, przez co lepiej będzie radził sobie z dłuższymi kablami. Taki układ to najczęściej stosowany w przejściówkach bias/XLR, czy we wtykach XLR mikrofonów instrumentalnych.
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias
    Schemat podzieliłem na bloki funkcjonalne.
    1. Zasadniczo jest to stopień wyjściowy, z wydzieloną sekcją zasilania dla wkładek elektretowych
    2. Jest to stopień wejściowy dla wkładek elektretowych z buforem tranzystorowym. Przeznaczony dla mikrofonów z 3 stykami, czyli osobnym zasilaniem. Do tego schematy gniazd 4-6
    3. To przykład podłączenia wkładki z dwoma stykami.

    Wkładka 3 pin do wejścia 2 pin i vice versa
    Jednym z częściej powtarzających się wątków forum to skomunikowanie różnych złącz do siebie. Mikrofonu do komputera czy bodypacku systemu bezprzewodowego. W większości przypadków wystarczy zwykła przejściówka lub zarobienie innego wtyku na kabel. Czasami trzeba będzie polutować 2-3 elementy we wtyku. Producenci w takich przypadkach osadzają malutką płytkę PCB w wtyku.

    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias

    Zasilanie linii mikrofonowej przez Phantom
    Poniższy schemat prezentuje układ zasilania linii mikrofonowej. Taki układ umieszczany jest w przedwzmacniaczach mikrofonowych, lub można go zbudować jako osobny zewnętrzny układ do umieszczenia pomiędzy mikrofonem a przedwzmacniaczem bez Phantom.
    Zasilanie mikrofonów - Phantom i Bias
    Zasilanie +48V lub niższe zgodnie z tabelą rezystancji należy podać względem masy. Można do tego wykorzystać osobny transformator z stabilizatorem, przetwornicę DC/DC czy baterie 9V. 5 baterii 9V w szeregu daje napięcie 45V co jest wystarczające w zdecydowanej większości przypadków. Ale można próbować zasilać już jedną lub dwoma bateriami.

    Czy włączenie zasilania fantomowego może spowodować uszkodzenie mikrofonów dynamicznych?

    Pod warunkiem, że dynamiczne mikrofony są symetryczne i okablowane parą z ekranem zasilanie phantom nie spowoduje żadnych uszkodzeń fizycznych. Nie powinno być więc problemu z większością popularnych mikrofonów dynamicznych z prawidłowym symetrycznym okablowaniem. Nowoczesne mikrofony dynamiczne ze symetrycznymi złączami XLR są tak skonstruowane, że element mikrofonowy jest całkowicie oddzielony od masy, więc podanie napięcia phantom na niego nie wpływa.

    Wiele starszych mikrofonów dynamicznych posiada środkowy zaczep transformatora uziemiony do korpusu mikrofonu, oraz do ekranu kabla. Może to doprowadzić do zwarcia napięcia fantomowego do masy i usmażenia transformatora. Łatwo jest stwierdzić, czy tak jest w przypadku mikrofonu. Omomierz lub kontroler ciągłości pokaże, czy pomiędzy pinem #2 lub #3 a ekranem kabla (pin #1) lub obudową mikrofonu znajduje się rezystancja. Jeśli tak, nie używaj tego mikrofonu z włączonym fantomem.

    Nie próbuj podłączać mikrofonów z złączemi niesymetrycznym do wejścia mikrofonowego przy włączonym zasilaniu fantomowym, ponieważ prąd z zasilacza pahntomowego będzie płynął przez Twój mikrofon i może go uszkodzić.

    Czy zasilanie fantomowe może uszkodzić inne urządzenia audio?

    Zasilanie fantomowe 48V to bardzo wysokie napięcie w porównaniu z napięciami, do których przystosowany jest normalny sprzęt audio. Należy zachować ostrożność i sprawdzać czy nie dostarczasz zasilania fantomowego do wejść, gdzie masz cokolwiek innego niż symetryczne mikrofony lub inne urządzenia przeznaczone do prawidłowej obsługi zasilania Phantom 48V. Podłączenie zasilania fantomowego do sprzętu, który nie jest przeznaczony do obsługi tego urządzenia, może spowodować jego uszkodzenie. W szczególności zagrożone są urządzenia konsumenckie, które są podłączone do wejścia XLR przez jakiś rodzaj adaptera konwertera lub specjalnego kabla. Najbezpieczniejszą opcją przy podłączaniu do wejścia XLR, które ma zasilanie fantomowe 48V, jest użycie transformatora symetryzującego/izolacyjnego audio (di-boxa) pomiędzy źródłem sygnału a wejściem XLR.

    Podłączanie profesjonalnych mikrofonów do komputerów

    Typowe komputerowe karty dźwiękowe, zasilają mikrofon tylko napięciem +5V (karty dźwiękowe PC, Apple Macintosh). Te komputery czasami nazywają to zasilanie napięciem +5V do mikrofonu "phantom power", ale to zasilanie nie jest prawdziwym zasilaniem Phantom jak używane w profesjonalnych mikrofonach (więcej szczegółów w tekście powyżej). Powinno się je nazywać Bias. Profesjonalne mikrofony zazwyczaj potrzebują prawdziwego zasilania phantom, które wynosi zazwyczaj +48V, ale wiele mikrofonów pracuje do +12...15V. Oznacza to, że nie można używać profesjonalnych mikrofonów, które potrzebują zasilania phantom bezpośrednio z karty dźwiękowej komputera.

    W zależności od budżetu i stopnia umiejętności technicznych, można albo przejść do tańszych mikrofony klasy konsumenckiej, użyć profesjonalneg mikrofonu z opcją zasilania bateryjnego lub zbudować prawdziwy interfejs zasilania phantom dla tych mikrofonów. Jeśli planujesz zbudować zasilacz Phantom, można do niego użyć zewnętrznego zasilacza wziąć dla niego napięcie z wnętrza komputera. Praktycznie wszystkie komputery (stacjonarne) posiadają w zasilaczu napięcie +12V (np do zasilania dysków twardych) i to może być wystarczające dla wielu mikrofonów.
  • PCBwayPCBway