Rod Elliott, октябрь 2021, перевод с английского
Все, кто связан с аудио, знают о фантомном питании, которое также иногда называют P48, поскольку напряжение источника составляет (или должно составлять) 48 В постоянного тока. Термин «фантомное» происходит от отсутствия какого-либо встроенного источника питания (например, батареи), и питание подается как бы по волшебству. Конечно, никакой магии здесь нет, просто инженерная мысль. Стандарт P48 был впервые применен компанией Neumann (очень известным немецким производителем микрофонов) и был разработан в 1960-х годах. По слухам, Норвежская вещательная корпорация (NBC) сообщила Neumann, что их новый микрофон того времени должен использовать фантомное питание 48 В [ 1 ].
48 В постоянного тока – это очень распространенное явление, так как оно является источником питания для всей телефонной системы, и всегда обеспечивалось большой батареей из 24 последовательно соединенных свинцово-кислотных элементов. Однако, чтобы вы не подумали, что фантомное питание изначально получалось от телефонного блока батарей, это не так. Телефонная система работает с отрицательным питанием, а положительное заземлено. Это было сделано для того, чтобы минимизировать коррозию в случае попадания воды в систему (на аноде образуется кислород, который в мгновение ока разъест проводку). Предположительно, у NBC не было таких проблем, и они использовали более «традиционное» отрицательное заземление.
В 1960-х годах был достигнут большой прогресс в области «полупроводниковой» электроники, и обеспечить питание 48 В постоянного тока в микшерном пульте или вещательной студии стало просто и относительно недорого. С момента своего появления P48 постоянно используется. Сейчас он стандартизирован в DIN 45596 и используется во всем мире. Существуют и альтернативные варианты: P12 (12 В постоянного тока) и P24 (24 В постоянного тока), но оригинал (IMO) по-прежнему остается лучшим. Входные цепи фантомного питания всегда балансные, но питаемое оборудование может использовать небалансные выходы или просто балансировку импеданса. На практике все они работают одинаково хорошо.
Принято считать, что микрофоны должны всегда использовать балансное подключение, однако на практике это не всегда так. Небалансное подключение обычно работает просто отлично, потому что микрофоны – это плавающий источник (в 99,9 % случаев нет заземления). Однако ни одна студия или живая съемочная группа никогда не будет использовать небалансные соединения (например, простой коаксиальный кабель, имеющий внутренний проводник и экран), потому что профессиональные микрофоны всегда подключаются в балансном режиме. Наличие двух типов XLR-кабелей (балансного для подключения оборудования и небалансного для микрофонов) стало бы логистическим кошмаром и почти гарантировало бы использование неправильного кабеля. Стандартизация кабелей избавляет от множества проблем.
48 В – не единственное напряжение питания, существует три его разновидности. P48 является наиболее распространенным и обеспечивает напряжение +48 В с максимальной мощностью 240 мВт (ток короткого замыкания 14 мА). Другие стандарты менее распространены, а 24 В и 12 В являются «санкционированными» вариантами (IEC 61938:2018). Как обычно бывает со стандартами, за документацию нужно платить.
Три «официальных» стандарта показаны выше. Одна из проблем заключается в том, что при напряжении ниже 48 В сопротивление питающей сети ниже, что затрудняет управление нагрузкой электроникой. Хотя при более низких напряжениях доступен больший ток, это может оказаться бесполезным, поскольку обычно предполагается, что устройство, рассчитанное на работу при напряжении (скажем) 12 В, не будет повреждено (и будет нормально работать) при использовании более традиционного и широко распространенного фантомного питания 48 В. Должно быть совершенно очевидно, что если что-то предназначено для работы только с фантомным питанием P12, оно будет подключено к оборудованию, подающему фантомное питание P48. Если оно не работает – это одно, но вы будете совершенно справедливо очень раздражены, если это убьет схему. Обратите внимание, что я добавил «Рабочий ток», который не указан в стандартах. На практике он также сильно варьируется, но я рекомендую использовать именно эти значения.
Если продукт разработан для P48, он может не работать (или работать очень плохо), если поставляется с P24 или (что еще хуже) P12. В идеале стандарты – это просто стандарты. Иметь три разных «стандарта», использующих один и тот же принцип и один и тот же разъем, – это безумие. Если предлагаются альтернативные варианты, они должны использовать другой разъем, если только продукт не может нормально функционировать при любом из напряжений питания (и сопротивлений питания). Это редкость, но возможно.
1. Основы P48
Любая система P48 должна рассматриваться как единое целое. Каждая часть зависит от других, и приведенный ниже обзор охватывает основные компоненты. Во-первых, источник питания необходим для получения постоянного напряжения +48 В, используемого конечными устройствами, которые обычно являются микрофонами, но могут быть и блоками DI (прямой инжекции), позволяющими подключать инструменты на сцене непосредственно к микшерному пульту. Микрофонный предусилитель неизменно имеет регулируемый коэффициент усиления, так что уровень каждого сигнала может быть установлен относительно других (это одна из задач звукорежиссера).
Микрофонный кабель не требует пояснений, но также является причиной многих неисправностей (у микрофонных кабелей очень тяжелая жизнь). Контакт 1 разъема XLR всегда является «землей» и соединяется с экраном кабеля, причем всегда с обоих концов. Контакт 2 считается «горячим», и при небалансных (или балансных по импедансу) цепях сигнал подается на контакт 2. Контакт 3 – «холодный», и в некоторых случаях он может быть заземлен оборудованием. При «настоящем» балансном подключении на вывод 3 подается сигнал, который является инвертированной копией сигнала на выводе 2. Эффективный уровень сигнала при таком подключении удваивается.
Поскольку рисунок 1.1 упрощен до крайности, ниже будет подробно рассмотрена каждая из функций, за исключением микрофонного предусилителя. Существует бесчисленное множество вариаций, но одна из наиболее важных функций (схема защиты микрофонного предусилителя) будет рассмотрена. Даже в этом случае существует множество вариантов, но тот, что показан на рисунке, адаптирован из проекта ESP и, как известно, работает очень хорошо. Она обеспечивает такой уровень защиты, который гарантирует, что микрофонные предусилители переживут большинство ситуаций (но не все – некоторые неисправности могут уничтожить все в сигнальном тракте).
Поскольку постоянный ток подается на оба сигнальных проводника через резисторы одинаковой величины, он воспринимается как сигнал общей фазы и не влияет на звук. Если допуск резистора питания недостаточно высок, подавление синфазного сигнала нарушается, поэтому гул и шум (наиболее распространенные шумы, подаваемые в балансные кабели) ослабляются не так хорошо, как должны. То же самое относится и к микрофону или DI-боксу – он также должен подавать равную нагрузку на обе сигнальные линии. Вопреки мнению, сигнал не обязательно должен присутствовать на обоих проводах, и «псевдобалансная» электроника часто встречается в микрофонах, даже в моделях высокого класса. Важен импеданс, а не напряжение. Если импеданс обеих сигнальных линий не одинаков, гул и другие шумы будут улавливаться кабелем.
2. Ограничения
Ничто не обходится без ограничений и компромиссов, и P48 – не исключение. Не стоит позволять внешнему оборудованию потреблять столько тока, сколько ему хочется, поскольку неисправный провод или оборудование могут привести к серьезным повреждениям. В некоторых ранних микшерах для обеспечения постоянного тока использовались трансформаторы с центральной обмоткой, но центральная обмотка никогда не подключалась напрямую к источнику фантомного питания. Вместо этого он подавался через резистор, чтобы ограничить ток в условиях неисправности. Подача тока на центральную обмотку гарантирует, что трансформатор не подвергается воздействию постоянного магнитного поля, поскольку две обмотки аннулируют поток. В противном случае сердечник трансформатора мог бы насытиться, что привело бы к серьезным искажениям.
В электронных балансных микрофонных предусилителях трансформатор не используется, а из-за стоимости даже «средних» микрофонных трансформаторов в большинстве оборудования используется дифференциальный предусилитель, подключаемый непосредственно к микрофонному разъему. Стандартное сопротивление питания составляет 6,81 к, выбранное по двум причинам. Во-первых, указание 6,81k требует, чтобы резисторы имели допуск 1% – вы не можете купить резисторы 6,81k с допуском 5%. Другая причина – чистый компромисс. Более низкие значения будут нагружать микрофон, снижая его выходной уровень и увеличивая шум, а более высокие значения не смогут обеспечить достаточный ток для питания какой-либо полезной электроники.
В большинстве приборов сейчас используются резисторы 6,8k, поскольку они легко доступны с допуском 1%, чего не было в 1960-70-х годах. Для постоянного тока эти два резистора включены параллельно, поэтому общее ограничительное сопротивление составляет 3,4 кОм, что позволяет получить общий ток короткого замыкания 14 мА. Если внутренняя схема микрофона (или другого оборудования с фантомным питанием) требует 10 В для нормальной работы, то максимальный доступный ток составляет 11 мА. Доступный ток для любого рабочего напряжения легко рассчитывается. Расчетный ток до 10 мА обычно безопасен, и это дает удаленной схеме максимальное напряжение питания 14 В.
Довольно скудный ток означает, что схема должна быть маломощной, чтобы она могла работать от имеющегося напряжения и тока. Это означает, что конструктор должен быть достаточно умным, чтобы обеспечить минимальное потребление тока наряду с хорошими характеристиками, достаточными для конкретного применения. Высокоомные цепи не потребляют много тока, но они шумные из-за теплового шума резисторов и других шумов от полупроводников и т. д. Низкоомные цепи потребляют больше тока и работают тише, но у них может не хватить напряжения для обработки высоких уровней сигнала без клиппирования.
Доступная мощность оборудования P48 может показаться ограничением, но обычно это не проблема. Вам придется жить с минимальным доступным током, а удаленной схеме не придется управлять низкоомной нагрузкой. Большинство микрофонных предусилителей имеют входной импеданс не менее 3 кОм, а дополнительная нагрузка резистором 6,8 кОм (на каждом сигнальном проводе) означает, что общий импеданс достаточно высок, чтобы им можно было легко управлять с помощью относительно простых схем. Вопреки мнению, бытующему в некоторых кругах, микрофоны никогда не должны иметь выходное сопротивление, равное их выходному импедансу.
Часто серьезным ограничением является то, что схемы, использующие фантомное питание P48, не могут быть изолированы от земли. Для микрофонов это не имеет значения, поскольку они являются «плавающим» источником сигнала (ни с чем электрически не связанным). В DI-боксах и тому подобных устройствах между микшером и инструментальным усилителем существует непрерывность заземления, что часто приводит к проблемам с гулом. Иногда можно уменьшить гул до низкого уровня, включив резистор 10-100 Ом последовательно с экраном на удаленном конце. Его следует зашунтировать конденсатором 100nF для заземления радиочастотных помех. Если он включен, следует добавить переключатель, чтобы резистор можно было закоротить, если он не нужен.
3. Реализация питания
Существует несколько проектов ESP, предназначенных для обеспечения фантомного питания, один из самых популярных – Project 96. На рисунке ниже показана общая идея микрофонного входа. Хотя можно обеспечить фантомное питание через ¼-дюймовый стереофонический разъем TRS (tip, ring, sleeve), делать это не рекомендуется. Многие вещи (например, гитары) могут быть подключены к гнезду ¼» (6,35 мм), большинство из которых вообще не рассчитаны на постоянный ток. Хотя в большинстве случаев повреждение маловероятно, оно все же возможно, поэтому P48 обычно доступен только через гнездо XLR, предназначенное для подключения сбалансированного микрофонного провода.
Не все фантомные источники питания включают в себя защитные диоды, но я считаю их абсолютно необходимыми. Вы заметите, что в моей схеме используются диоды зенера, которые могут выдерживать очень высокий мгновенный пиковый ток и зажимать напряжение в худшем случае до ±11 В. Если вы используете оборудование, питающееся от USB (5 В), желательно снизить напряжение на диоде зенера до 3,9 В, чтобы защитить микрофонный предусилитель, который (вероятно) работает от источника питания 5 В.
Существует бесчисленное множество способов обеспечить постоянное напряжение 48 В, используемое для питания микрофонов (или другого оборудования P48). Схема, показанная в Project 96, является хорошо зарекомендовавшей себя конструкцией, а модифицированная версия показана здесь. Многие микрофонные предусилители с питанием от USB для использования с ПК используют небольшой импульсный блок питания. В проекте 193 описана версия с напряжением от 12 до 48 В, способная работать с током до 100 мА (примерно 10 микрофонов). USB-версии более ограничены, поскольку им приходится повышать напряжение с 5 В, не превышая предельного тока USB. Обычно это означает один или два микрофона, потому что стандартный USB-порт может подавать только 100 мА, если он не соглашается на больший ток (до 500 мА) через программное обеспечение.
Важно отметить, что производительность любого источника зависит от трансформатора. Например, если вы используете удвоитель напряжения для получения «сырого» постоянного тока, трансформатор должен обеспечивать мощность, как минимум вдвое превышающую выходную мощность. 48 В при 200 мА – это 9,4 Вт, поэтому трансформатор должен быть рассчитан как минимум на 16 ВА, но есть много преимуществ, если использовать трансформатор мощностью 30 ВА. Пиковый ток намного выше, чем можно было бы ожидать, и это снижает нерегулируемое постоянное напряжение. В двух схемах регуляторов, показанных далее, пиковый ток может достигать 1,7 А при выходе 200 мА. Недостаточно мощный трансформатор приведет к падению нерегулируемого напряжения, и на выходе 48 В могут появиться пульсации.
Показанный источник легко выдает ток более 200 мА и прост в изготовлении. Ему нужен входной сигнал 25 В переменного тока, который подается на удвоитель напряжения (D1, D2 C1, C2). Мостовой выпрямитель будет немного лучше (и обойдется без удвоителя напряжения), но тогда вам понадобится обмотка трансформатора переменного тока на 50 В. В противном случае «странные» напряжения не являются проблемой для микшерного пульта, потому что у него есть специальный источник питания, который может обеспечить все необходимые напряжения при любом токе, который требуется схемам. Большинство микшерных пультов, вероятно, не смогут использовать фантомное питание на всех каналах сразу, но это редко бывает проблемой. Показанная схема легко модифицируется, чтобы обеспечить больший ток, если это необходимо. Чтобы обеспечить надежную работу и низкий уровень шума, входное напряжение ичточника должно составлять не менее 56 В постоянного тока. Выходной шум обычно составляет менее 50 мкВ RMS (в основном остаточный гул 100/ 120 Гц). Его можно уменьшить, увеличив значение C4, но в этом нет необходимости.
Транзисторы, показанные на рисунке, являются примерами, и практически любой прибор с аналогичными характеристиками может быть заменен. Возможно, вам потребуется изменить значение C6 (220пФ), если в схеме наблюдаются признаки нестабильности (радиочастотные колебания). Большее значение уменьшает переходную характеристику и может позволить проникать высокочастотным шумам. При желании можно добавить LC-фильтр («индуктивно-емкостной»), но в этом нет необходимости.
Существуют ИС-регуляторы, которые могут справиться с напряжением (стандартные 3-выводные регуляторы, такие как LM317, не могут!). Хотя использование ИС может быть внешне более простым, чем показанная дискретная схема, всегда есть проблема поиска деталей и возможности найти замену через 10 лет, если ИС выйдет из строя. Дискретную схему всегда можно отремонтировать, особенно если в ней используются общие детали. Многие современные продукты не предназначены для обслуживания, поэтому, если (когда) они выходят из строя, единственным вариантом является замена всего устройства. Недостатком подхода с использованием ИС (по крайней мере, в данном конкретном типе) является то, что для обеспечения регулирования требуется выходной ток не менее 15 мА, поэтому резистор 3,3 к (R3) должен быть рассчитан на 1 Вт.
Микросхема TL783 рассчитана на входное напряжение до 125 В, а выходной ток составляет до 700 мА. Интересно, что в техническом описании не указана максимальная рассеиваемая мощность, но, вероятно, было бы неразумно превышать 20 Вт, даже с хорошим радиатором. Выходное напряжение определяется …
VOut ≅ 1,27 × ( R3 / R2 + 1 ) Получается …
VOut ≅ 1.27 × ( 3.3k / 82 +1 ) ≅ 52.4V Как раз за пределами спецификаций P48
Выходное напряжение обычно отличается от рассчитанного значения, поскольку внутреннее опорное напряжение (номинально 1,25 В, но в техническом паспорте указано как 1,27 В) может изменяться в пределах от 1,2 до 1,3 В. Это означает, что при указанных значениях выходное напряжение на самом деле будет где-то между 49,5 и 53,6 В. При обычном использовании это не вызовет никаких проблем. Что очень необычно, в техническом описании нет упоминания о минимальной разнице вход-выход, но, судя по всему, он должен быть больше 25 В (что означает нерегулируемое питание не менее 75 В). При разнице вход-выход 25 В рассеиваемая мощность при выходе 700 мА составит 17,5 Вт, что при хорошем радиаторе будет вполне приемлемо.
Для повышения напряжения с (скажем) 12В до 48В часто используются небольшие импульсные источники питания. Обычно они нуждаются в фильтрации, поскольку сами блоки питания шумят. Шум находится за пределами звукового диапазона (обычно 50 кГц и более), но он все равно может мешать звуку, создавая артефакты интермодуляции. Во всех без исключения аудиоинтерфейсах USB используются усилители с переключаемым режимом, но они должны усиливать напряжение только от 5 В. Большинство из них требует наличия не менее 500 мА от порта USB хоста, иначе невозможно получить достаточный ток для питания P48 и внутренней схемы.
Вполне ожидаемо, что в большинстве современных источников питания P48 используется импульсный преобразователь (он же импульсный источник питания или SMPS). Существует бесчисленное множество микросхем, которые делают все – регулировка и основной переключающий MOSFET входят в состав самой микросхемы, требуя минимум внешних деталей. Для DIY может быть сложно найти подходящую индуктивность, но в остальном это хорошее решение при условии, что выход хорошо отфильтрован. Миниатюрные модули DC-DC SMPS доступны от ряда производителей, но если вы рассчитываете повысить напряжение с 5 В до 48 В, входной ток преобразователя мощностью 1 Вт составит около 250 мА при выходном 21 мА (этого достаточно для двух источников питания P48). Также следует учитывать проблемы с заменой деталей, и доступные сегодня микросхемы могут быть несовместимы с более новыми версиями. Это означает, что если блок питания выйдет из строя через 5 лет, его придется полностью перепроектировать.
Схема, показанная выше, взята из проекта 193 (Получение фантомного питания +48 от 12 В). Эта схема была полностью протестирована, и все, что вам нужно знать, есть в статье проекта. Она может легко запитать до десяти микрофонов P48, но для обеспечения низкого уровня шума рекомендуется использовать дополнительную фильтрацию. Это показано в статье проекта, и она легко собирается на Veroboard.
Несколько смельчаков использовали умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона (см. «Выпрямители», раздел 7) для получения питания P48, но это (IMO) довольно плохой способ получить требуемое напряжение. Даже при полном пиковом входном напряжении 12 В вам потребуется 7-ступенчатый умножитель, чтобы достичь всего 42 В под нагрузкой (два микрофона). Чтобы получить 48 В при общей нагрузке 20 мА, нужен 9-ступенчатый умножитель, а для поддержания стабильного напряжения необходим зенеровский регулятор. Умножители напряжения хорошо работают с очень малым током, но не подходят для более чем пары миллиампер. Несомненно, эту схему можно заставить работать, но входной ток коммутационной цепи довольно высок, требуется не менее 250 мА от источника 12 В. Небольшой импульсный повышающий источник питания, такой как показан на рисунке 3.4, является гораздо лучшей альтернативой и может питать ту же нагрузку с входным током менее 100 мА.
4.1. Микрофоны
На стороне микрофона (или DI-бокса) существует множество различных способов получения необходимого постоянного тока и питания схемы. Я могу привести лишь несколько примеров, поскольку каждая конструкция будет отличаться от другой. Наверное, будет справедливо сказать, что существует столько же различных реализаций, сколько производителей, и я даже не собираюсь пытаться охватить их все. На конце кабеля с источником сигнала есть две основные проблемы: возможность получить постоянный ток для электроники и наложение звука на постоянный ток. Ни то, ни другое не сложно, но требует определенной изобретательности. Микрофонный предусилитель в каждой схеме упрощен и имеет внутреннюю блокировку по постоянному току и защиту от перенапряжения, как показано на рисунке 3.1.
В каждом случае я использовал электретный микрофонный капсюль, но «настоящие» конденсаторные микрофоны также могут работать от фантомного питания. Обычно они используют очень простой импульсный повышающий преобразователь для подачи поляризующего напряжения на капсюль – обычно от 24 В до примерно 100 В постоянного тока. Некоторые другие микрофоны используют радиочастотный генератор и демодулятор для обнаружения изменения емкости капсюля. Для электретного капсюля эти технологии невозможны и не нужны.
Схема на рисунке 4.1 полностью балансная, а эмиттерные последователи (Q2, Q3) используются для буферизации сигнала и модуляции фантомного питания. Питание берется с коллекторов этих транзисторов. Интерфейсная схема микрофонного предусилителя должна подавать напряжение P48V и изолировать входы предусилителя от фантомного питания. Схема потребляет на удивление мало тока, а ее рабочее напряжение составляет около 19 В. В некоторых случаях для особо чувствительных приложений оно регулируется диодом зенера. На рисунке показан электретный микрофонный капсюль, но источник сигнала может быть любым (например, гитара, бас, клавиатура). Если схема построена не как микрофон, то R1 и R12 можно опустить. В этом случае схема может использоваться как DI (direct injection) блок, позволяющий подключать инструменты непосредственно к микшерному пульту. Обратите внимание, что входной импеданс слишком мал для электрогитары или баса, и потребуется входной буфер, чтобы увеличить импеданс хотя бы до 100 к.
Вторая схема адаптирована из проекта ESP (проект 93, записывающий и измерительный микрофон). В отличие от предыдущей схемы, в этой используется балансировка импеданса, причем импеданс задается двумя резисторами 100Ω и последовательно установленными конденсаторами 100 мкФ. С точки зрения микрофонного предусилителя, это почти идентично «настоящей» балансной схеме, как бы маловероятно это ни казалось на первый взгляд. Постоянный ток поступает от двух резисторов 2,2k (R10, R11), и схема спроектирована таким образом, что способна работать с низким сопротивлением без перегрузки.
Обратите внимание, что это только примеры – идея состоит в том, чтобы показать два разных способа использования фантомного питания для получения источника питания для электроники. Обеспечение P48V – это простота, требующая только блока питания и пары резисторов. Получение постоянного тока для удаленных схем – совсем другое дело, о чем свидетельствуют три показанных примера. Приведенные примеры – далеко не единственные схемы, но они демонстрируют возможные методы.
Если в удаленной схеме используются ОУ, их выходы должны быть защищены от возможного повреждения при подключении «горячего» кабеля (с включенным напряжением P48V) к блоку (D1 и D2). Кабель имеет емкость, и без нагрузки он заряжается до полного напряжения 48 В, а ограничение тока практически отсутствует. Переходный импульс очень короткий, но может легко привести к повреждению, заставляя выход опампа подниматься до +48 В, прежде чем на нем появится напряжение питания. Всем схемам «снятия» постоянного напряжения P48V требуется некоторое время, прежде чем питание станет доступным для схемы. Обычно это всего несколько миллисекунд, но чувствительные схемы могут быть повреждены за микросекунды!
4.2. DI-бокс
Большинство DI-боксов питаются от батарей, поскольку это позволяет разорвать соединение с землей (обычно называемое «поднятием земли») для предотвращения гула, вызванного циркулирующими токами земли. Это не всегда удобно, поэтому некоторые DI-боксы имеют возможность батарейного или фантомного питания. Пару других примеров смотрите в проекте 35. Один из них полностью пассивный и использует трансформатор. Это всегда хорошее решение, но хорошие трансформаторы стоят дорого, а входной импеданс обычно довольно низкий, что делает их непригодными для использования с инструментом без усилителя.
DI-бокс (direct injection) с фантомным питанием имеет несколько ограничений, и самой большой проблемой является подключение к общей земле. В конструкции, показанной выше, резистора 10 Ом (R12, параллельно C6) может быть достаточно для предотвращения гула, но может и не быть. Хотя он показан как необязательный, в большинстве случаев он будет необходим. При желании можно добавить переключатель, который будет замыкать сеть, если устройство окажется без гула.
Потребляемый ток довольно мал, а напряжение зенера увеличено до 24 В, чтобы обеспечить уровень входного сигнала до 2 В RMS. Он может выдержать и больше, но искажения станут проблемой при превышении 2,2 В RMS. Входной импеданс составляет 25 к, что слишком мало для прямого подключения к гитаре, но вполне подходит для линейного выхода усилителя или клавиатуры. Общий коэффициент усиления схемы составляет 1,9, и вы можете использовать регулятор уровня на входе, если ожидается более высокий уровень входного сигнала.
5. Использование батарей
Для фантомного питания можно использовать батарейки. Пять стандартных 9-вольтовых батареек, соединенных последовательно, дают напряжение 45 В (номинальное), что находится в пределах спецификаций P48. Новые батарейки будут измерять около 10 В каждая, что даст 50 В, что также находится в допустимых пределах. Микрофон с фантомным питанием обычно потребляет максимум 10 мА, поэтому последовательного соединения пяти батареек должно хватить как минимум на 25 часов непрерывной работы, а если микрофон потребляет меньше тока, то и больше. Стандартные 9-вольтовые щелочные батарейки имеют емкость около 580 мА/ч, поэтому при разряде 10 мА их хватит на 58 часов работы. Однако при полной разрядке напряжение на батареях снизится примерно до 7,5 В (на каждой), так что вы не сможете работать так долго, как могли бы предположить.
Конечно, можно использовать больше батарей и затем регулировать напряжение, но регулятор должен быть очень маломощным. Что-то вроде схемы на основе ИС на рисунке 3.3 совершенно не подходит, потому что она сама по себе потребляет 15 мА. Для сравнения, схема на рисунке 3.2 потребляет около 6 мА (без нагрузки), что лучше, но слишком много, если бы вы использовали батареи. Ее можно легко переделать, чтобы она потребляла гораздо меньше тока, но это выходит за рамки данной статьи.
Как правило, в ичточнике, работающем от батарей, используется 8 батарей по 9 В (номинальное напряжение 72 В, 60 В при 7,5 В [в конце срока службы] для каждой батареи). В идеале он должен потреблять не более 1 мА или около того без нагрузки. Экстремальная фильтрация не нужна, поскольку батареи довольно тихие (они не шумят), но фильтр легко добавить. Работа от батарей обычно является крайним средством, и при необходимости гораздо дешевле будет использовать перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор и повышающий преобразователь с переключаемым режимом. Первоначальная стоимость выше, но экономия на 9-вольтовых батареях довольно быстро компенсируется, если питание от батареи требуется регулярно.
6. T-питание
Существует еще одна схема «фантомного» питания, разработанная в 1960-х годах, которая называется «T-Power» (она же Tonader, Tonaderspeisung, A-B powering или parallel powering) [ 3 ]. Она совершенно несовместима с питанием от P48, и динамические микрофоны могут быть повреждены при случайном использовании T-power. Источником является постоянное напряжение 12 В, а постоянное напряжение подается между двумя сигнальными проводами. Общая схема показана ниже, но поскольку T-Powering считается устаревшей, я не буду рассматривать ее в деталях.
Во многих отношениях этот метод представляет собой нечто вроде собачьего ужина. Неправильно подключенный кабель может изменить полярность постоянного тока, а поскольку постоянный ток находится между двумя сигнальными линиями, он может повредить динамические или ленточные микрофоны. При коротком замыкании кабель может выдать всего 33 мА, но этого все равно может быть достаточно, чтобы вызвать проблемы с чувствительными микрофонами. Этому не способствует тот факт, что некоторые микрофонные разъемы T-Power были подключены в обратном порядке для старых магнитофонов Nagra, в которых использовалась положительная земля/земля (почти наверняка с использованием германиевых транзисторов).
Типичный микрофон с T-Power может продолжать работать (более или менее) нормально, если экран кабеля разомкнут, что может привести к записи, которая будет признана непригодной для использования при студийном воспроизведении. Способность продолжать работать с открытым экраном в некотором смысле «достойна восхищения», но ее нельзя считать желательной.
7. Компьютерные микрофоны
Микрофоны, используемые с компьютерными звуковыми картами, не используют фантомное питание в традиционном понимании. На кончик 3,175-мм (№/8″) мини-джека TRS (tip, ring & sleeve) подается сигнал с капсюля электретного микрофона, а кольцо через резистор подключается к питанию 5 В для питания самого капсюля. Наконечник и кольцо обычно замыкаются на конце микрофона. Это самое простое из всех соединений, и оно питает только микрофонный капсюль. Почти во всех случаях в нем нет никакой другой электроники.
Подключение и работа этих базовых интерфейсов здесь не рассматриваются, поскольку не имеют отношения к теме. Если вы хотите узнать больше, я рекомендую воспользоваться поиском в Интернете, или вы можете прочитать статью Electret Microphones – Powering & Uses на сайте ESP. В этой статье также рассматриваются многие из приведенных здесь тем, но менее подробно. Гнезда некоторых компьютерных микрофонов стереофонические: наконечник – «левый», кольцо – «правый», а втулка – «земля». Часто нет возможности узнать точно, как подключен ваш компьютерный микрофонный интерфейс, без проведения измерений. Возможно, об этом написано в руководстве, но я бы на это не рассчитывал.
Микрофонный вход часто может работать как вход «линейного» уровня, поэтому вам придется зайти в программное обеспечение, управляющее соединениями «микрофонный вход» и «линейный выход», чтобы настроить его так, как вам нужно. Это также происходит со многими внешними интерфейсами – пока вы не настроите правильные параметры в звуковом контроллере, вы не получите нужных результатов. Такая настройка выходит за рамки данной статьи и здесь не рассматривается.
8. Меры предосторожности и предупреждения
Если вы разрабатываете собственный микрофонный предусилитель с фантомным питанием, у вас может возникнуть соблазн увеличить выходной ток, чтобы удовлетворить потребности конкретного устройства, которое вы хотите запитать. Одним словом, «НЕЛЬЗЯ». Есть риск, что это может повредить другое оборудование, и оно станет нестандартным. Есть веские причины придерживаться стандартных сопротивлений и напряжений, потому что нестандартные «решения» несовместимы с коммерчески доступным (и повсеместно распространенным) оборудованием.
Хотя принято считать, что динамические микрофоны будут работать нормально, если подать на них напряжение P48 (обычно случайно), его следует отключить. Всегда есть вероятность того, что пути утечки внутри микрофона могут вызвать неприятные шумы между звуковой катушкой и корпусом микрофона, и это не служит никакой цели. Некоторые микрофоны очень чувствительны к внешнему напряжению, особенно ленточные. Если они используют трансформатор для повышения напряжения, то с ними все будет в порядке, но хорошая практика требует, чтобы фантомное питание использовалось только тогда, когда оно необходимо.
Операторы и монтажники должны взять за правило не подключать микрофоны с включенным P48. При подключении микрофона к «горячему» микрофонному проводу могут возникнуть большие переходные процессы, которые подвергают риску как микрофон, так и микрофонный предусилитель [ 2 ]. Длинный кабель с проводниками (и конденсаторами связи микрофонного предусилителя), заряженными до 48 В, может выдать значительный пиковый ток, которого может быть более чем достаточно для повреждения микрофона, микрофонного предусилителя или обоих.
Хотя в других местах можно встретить несогласие, если схема P48 закорачивает две сигнальные линии на землю, то в худшем случае ток составит 14 мА (7 мА на каждый сигнальный проводник), что приведет к рассеиванию резисторами 6,8 к менее 400 мВт. Резисторы будут сильно нагреваться, и это может повлиять на их допустимую температуру, но нет практически никаких оснований полагать, что это действительно проблема. При нормальном рассеивании при подаче 5 мА на каждый сигнальный провод (всего 10 мА) в каждом резисторе рассеивается 170 мВт, а для удаленной электроники остается 14 В. Это обычно считается «оптимальным», и во многих усилителях для микрофонных капсюлей с меньшим током используется диод зенера для ограничения внутреннего рабочего напряжения.
Хотя T-питание встречается редко, вы должны знать о нем, особенно если работаете в киноиндустрии. Хотя в большинстве систем сейчас используется P48, вероятность того, что вы с ним столкнетесь, все же есть. Можно было бы надеяться, что такие микрофоны будут использовать разъем Tuchel/ DIN, чтобы исключить возможность их подключения к P48, но многие микрофоны с T-Powered используют XLR, что очень неразумно.
Выводы
Фантомное питание, и в частности 48 В, существует с 1966 года. Изначально оно заменило отдельные блоки питания для микрофонов и доказало свою неоценимую важность для минимизации беспорядка на сцене и в студии. Он обеспечивает простой, безопасный и удобный способ питания удаленной электроники. Микрофоны остаются наиболее распространенными устройствами с питанием от P48, но DI-боксы и даже пьезозвукосниматели для различных инструментов могут быть запитаны так же легко.
Несмотря на то, что некоторые производители перешли на P24 (и еще меньше – на P12), P48 остается доминирующей схемой фантомного питания. Даже производители микрофонных USB-интерфейсов для записи звука на ПК поняли, что если они собираются обеспечить фантомное питание, то оно должно быть 48 В, поскольку многие микрофоны просто не работают с меньшим напряжением. Обеспечение полного 48-вольтового питания не требует дополнительных усилий, и это означает, что совместимость с популярными профессиональными микрофонами гарантирована.
Есть несколько моментов, к которым пользователям нужно привыкнуть (например, выполнять все подключения перед включением питания P48), но даже если вы забудете об этом, оборудование, которое было спроектировано правильно, не пострадает. Да, вы получите очень громкие звуки через мониторы, если фейдер случайно поднимется вверх, но это быстро усваиваемый урок. P48 сейчас настолько распространен, что мало кто из тех, кто имеет отношение к аудио, не знает о нем, даже если не знает, как он работает.
Эта статья является достаточно полной, кроме того, в Интернете можно найти огромное количество дополнительной информации. Однако найти ее не всегда просто, и не всем авторам удается правильно изложить факты. Поиск технически точной информации может оказаться минным полем, поскольку любой может писать онлайновые статьи, и далеко не у всех это получается. К счастью, P48 существует уже достаточно долго, чтобы большая часть информации, которую вы найдете, была довольно близка к реальности, но все же есть некоторые заблуждения и/или ошибки.
Литература
- History Of Phantom Power (iConnectivity)
- The 48 Volt Phantom Menace (Hebert And Thomas, AES5335)
- Powering Microphones (Chris Woolf [PDF])
- Alkaline-Manganese Dioxide Battery Datasheet – (Duracell)
- Cockcroft-Walton Generator (Wikipedia)
