Фантомное питание для микрофонов: характеристики и подключение

Содержание

Некоторые микрофоны, обычно использующиеся в студиях, работают без проводов. Но для этого им требуется фантомное питание.

Что это такое?

Фантомное питание используется для работы конденсаторных и электретных микрофонов. В этом случае питание поступает по тем же кабелям, что и звук. Такое напряжение обычно составляет 48 В. Однако не стоит путать их с обычными компьютерными интерфейсами – их питание имеет номинал 5 В. Это питание тоже называют фантомным, однако оно не имеет ничего общего с профессиональной техникой.

Устройство подпитывает микрофон, и его работа схожа с работой конденсатора, с той лишь разницей, что, вместо обкладки конденсатора, работает мембрана микрофона.

Куда встраивается?

Такие источники чаще всего встраиваются в приемные устройства. Ими могут быть микшерные пульты, микрофонные предусилители и другие подобные аппараты. Однако в некоторых случаях фантомное питание может быть не предусмотрено изготовителем, или же необходимо питание намного ниже, например, 24 или 12 В. Тогда нужно приобрести фантомное питание отдельно, при этом использование его должно быть сквозным. Другими словами, его нужно подключить к микрофону, а выход из блока – к приемному устройству.

Если питание приобреталось отдельно, то следует знать, что оно должно крепиться в любом удобном и доступном месте, поскольку устройство имеет кнопку, при помощи которой фантомное питание можно включить или выключить.

Покупка фантомного питания также необходима в том случае, если человека не устраивает качество того элемента, что уже встроен в оборудование. Возможно, что имеющееся питание издает гул, или появляются неприятные шумовые эффекты. Обычно такие проблемы имеют место в дешевом оборудовании.

Сам блок обычно питается от батарей либо аккумуляторов, и в нем должен присутствовать встроенный НЧ-фильтр, который и отвечает за отсутствие низкочастотного гула. В обычных конденсаторных микрофонах питание используется и для поляризации.

А также стоит отметить, что такие микрофоны могут подключаться к порту XLR.

Как сделать своими руками?

Чтобы получить напряжение питания 48 В, используется отдельный трансформатор либо DC/DC-преобразователь. При использовании батареек полезно знать тот факт, что большинство микрофонов работает с напряжением менее 48 В. Для наглядности можно попробовать напряжение 9 В, постепенно увеличивая его до необходимого. Однако стоит помнить, что звук микрофона будет отличаться от того, что должен быть по умолчанию. В рассматриваемом случае достаточно 5 батареек – этого будет достаточно для обеспечения питания микрофону.

При использовании батареек необходимо закоротить их конденсатором, чтобы не было шумового эффекта. Можно установить конденсаторы номиналом 0,1 мкФ и 10 мкФ параллельно батарейкам.

Ниже рассмотрен пример того, как сделать блок фантомного питания своими руками, точнее, схему, по которой он будет работать.

Чтобы реализовать необходимую схему, понадобятся стабилизация и фильтрация помех, с чем отлично справляются линейные стабилизаторы LM317. Однако для этого потребуется переменное напряжение 32 В. Использование трансформатора выше 24 В оправдано, однако этого элемента может не оказаться под рукой. В этом случае на помощь придет умножитель на 4, выполненный на конденсаторах и диодах. А также стоит отметить, что выбор такого направления обоснован наличием общей для входа и выхода точки, которая является минусом. Благодаря этому схема значительно упрощается, к тому же налицо экономия денежных средств на покупке трансформатора.

Если посмотреть внимательно на схему ниже, то на ней четко видно, что общий ноль (стабилизатор LM317) или умножитель на 4 включен по стандартной схеме. VD2 – стабилитрон – защищает микросхему от перепада напряжений между входом и выходом. Этот перепад возможен в процессе заряда конденсатора С7 или некорректной установки R5 и является кратковременным. В этом случае происходит шунтирование микросхемы, тем самым предотвращается ее выход из строя.

Обратное напряжение необходимо выбирать не более 35 В, однако слишком маленькое – также нежелательно. Это необходимо для сохранения диапазона регулировки и стабилизации (особенно важно в том случае, когда трансформатор будет выдавать напряжение более 12 В). В нашем варианте нужный параметр выходного напряжения стабилизатора (48 В) можно выставить при помощи R5.

С1-С4 совместно с VD1-VD4 образуют умножитель на 4. Для снижения фона далее находится двойная фильтрация: фильтр второго порядка (R1C5) и фильтр-стабилизатор на LM317. После микросхемы предусмотрен конденсатор С7 – это необходимо для предотвращения самовозбуждения схемы.

Резистором R5 необходимо задать подстроечное выходное напряжение. Резисторы R4 и R5 должны быть довольно мощными, поскольку в процессе работы они будут нагреваться. Номинал для R4 – 0,25 Вт, для R5 – 0,5 Вт.

Ниже представлена модифицированная схема. Здесь используется блок питания в качестве отдельного устройства. Фантомное питание в этом случае подается через ограничивающие резисторы R6 и R7 на сигнальные клеммы устройства (для конденсаторных микрофонов с XLR-разъемом это контакты 2 и 3, 1 – общий). Сигнал подается через разделительные конденсаторы С8 и С9 уже непосредственно на принимающее устройство.

Чтобы фон по питанию отсутствовал либо был минимальным, следует отрегулировать схему подстроечным резистором R5. В этом случае необходимо добиться того, чтобы фон был минимальным, а мощность – максимальной.

Линейный стабилизатор может работать как фильтр только в том случае, если на нем падает напряжение, которое будет равно амплитуде пульсации.

В этой схеме резисторы делителя не имеют точного номинала, поскольку это позволяет подстраиваться под различные трансформаторы (от 10 до 16В).

Блок фантомного питания 48V представлен в следующем видео.

Продолжение перевода статьи Powering microphones (copyright Tomi Engdahl 1997-2012). Часть2

6. Фантомное питание в профессиональной аудиотехнике

Существует только один вид подключения микрофонов, известный как фантомное питание. Спецификация фантомного питания приведена в DIN45596. Изначально было стандартизовано питание в 48 вольт (P48) через резисторы 6,8кОм. Значение номиналов не столь критично как их согласованность. Она должна быть в пределах 0,4% для хорошего качества сигнала. В настоящее время стандартизировано фантомное питание на 24 (P24) и 12 (P12) вольт, но применяется оно гораздо реже чем питание на 48 вольт. Системы, использующие более низкое напряжение питания используют резисторы меньшего номинала. Большинство конденсаторных микрофонов могут работать в широком диапазоне напряжения фантомного питания. Питание 48 вольт (+10%…-20%) по умолчанию поддерживается всеми производителями микшерных пультов. Существует оборудование, которое использует более низкое напряжение фантомного питания. Чаще всего это напряжение составляет 15 вольт через резистор 680 Ом (подобное, например, используется в портативных звуковых системах). Некоторые беспроводные системы могут использовать еще более низкое напряжение питания, от 5 до 9 вольт. Фантомное питание в настоящее время является наиболее распространенным методом питания микрофонов из-за его безопасности при подключении динамического или ленточного микрофона ко входу с включенным фантомным питанием. Единственная опасность заключается в том, что в случае короткого замыкания кабеля микрофона, или при использовании микрофона старой конструкции (с заземленным выводом), через катушку начнет течь ток, который повредит капсюль. Это хороший повод для регулярной проверки кабелей на короткое замыкание, а микрофонов на наличие заземленного вывода (чтобы случайно не включить его во вход под напряжением). Название «фантомное питание» пришло из сферы телекоммуникаций, где фантомная линия представляет собой передачу телеграфного сигнала с использованием земли, в то время как речь передается по симметричной паре.

6.1 Фантомное питание вида P48, P24 и P12

Создание чистого и стабильного напряжения 48 вольт является задачей сложной и дорогостоящей, особенно когда имеются только батарейки типа крона 9 вольт. Отчасти из-за этого большинство современных микрофонов способны работать с напряжением в диапазоне от 9-54 вольт.

6.2 Фантомное питание электретных микрофонов

Схема ниже (Рис.19) самый простой способ подключить электретный микрофонный капсюль к балансному входу микшерного пульта с фантомным питанием 48 вольт.

Учтите, что это лишь самый простой способ «пришпандорить» электретный микрофон к пульту. Подобная схема работает, но имеет свои недостатки, такие как высокая чувствительность к шуму фантомного питания, не балансное подключение (склонна к помехам) и высокое выходное сопротивление (нельзя использовать длинные кабели). Эта схема может быть использована для проверки капсюля электретного микрофона при подключении к микшерному пульту с помощью короткого кабеля. Также при использовании этой схемы шумы переходных процессов (например при включении или отключении фантомного питания, при присоединении к микшерному пульту, а так же отключении от него) имеют очень большой уровень. Другой недостаток этой схемы в том, что она не симметрично загружает питающую цепь фантомного питания. Это может сказаться на работоспособности некоторых микшерных пультов, особенно старых моделей (в некоторых микшерных пультах входной трансформатор может закоротить и сгореть, в этом случае пины 1 и 3 замыкаются через резистор 47Ом). На практике эта схема работоспособна при использовании с современными микшерными пультами, но она не рекомендуется для проведения реальной записи, либо всякого другого применения. Гораздо лучше использовать схему с балансным подключением, она значительно сложнее, но намного лучше.

6.3 Симметричная схема подключения электретного микрофона

Выход этой схемы (Рис.20) симметричный, и имеет выходное сопротивление 2кОм, благодаря чему ее возможно использовать с микрофонным кабелем длинной до нескольких метров.

Емкости в 10мкФ, которые включены на выход пинов Hot и Cold, должны быть высококачественными пленочными конденсаторами. Их номинал может быть уменьшен до 2,2мкФ если входное сопротивление предусилителя 10кОм или более. Если вы по какой-то причине используете вместо пленочных конденсаторов электролиты, то следует подбирать конденсаторы рассчитанные на напряжение более 50В. Кроме того, в параллель им необходимо включить пленочные конденсаторы в 100нФ. Конденсаторы, включаемые в параллель со стабилитроном должны быть танталовыми, но при желании совместно с ними можно использовать пленочные конденсаторы в 10нФ Подключаемый кабель должен быть двужильным экранированным. Экран припаивается к стабилитрону и не припаивается к капсюлю. Распиновка стандартная для XLR  разъема. Источник: PZM Modifications web page by Christopher Hicks.

6.4 Улучшенная схема подключения электретного микрофона к фантомному питанию

Эта схема (Рис.21) обеспечивает меньшее выходное сопротивление чем схема рассмотренная выше (Рис.20):

В качестве биполярных PNP транзисторов могут использоваться BC479. В идеале они должны быть подобраны максимально одинаковыми, с целью минимального уровня шума и согласованности усиления. Имейте ввиду, что напряжение между коллектором и эмиттером может достигать 36В. Емкости в 1мкФ должны быть высококачественными пленочными конденсаторами. Схема может быть улучшена путем добавления конденсаторов номиналом 22пФ параллельно резисторам 100кОм. Для минимизации собственного шума резисторы номиналом 2,2кОм должны быть точно подобраны. Источник: PZM Modifications web page by Christopher Hicks.

6.5 Внешний блок фантомного питания

Это схема (Рис.22) внешнего блока фантомного питания, используемого с микшерными пультами, у которых фантомного питания нет:

Источник питания +48В заземлен на землю сигнальную (пин 1). Напряжение +48В может быть получено с использованием трансформатора и выпрямителя, с помощью батареек (5 штук по 9В, итого 45В, которых должно быть достаточно),  либо с использованием DC/DC преобразователя, питаемого от батареи. Между сигнальными проводами и землей должны быть по два стабилитрона на 12В, включенные спина к спине, чтобы не допустить импульс в 48В через конденсаторы на вход микшерного пульта. Резисторы, номиналом 6,8кОм, следует использовать высокоточные (1%) для уменьшения уровня шума.

6.6 Получение напряжения +48В для фантомного питания

В микшерных консолях напряжение фантомного питания обычно получают используя отдельный трансформатор, либо DC/DC преобразователь. Пример схемы, использующей DC/DC преобразователь можно найти на http://www.epanorama.net/counter.php?url=http://www.paia.com/phantsch.gif  (схема одного микрофонного предусилителя от PAiA Electronics). Если вы используете батарейка, то возможно вам будет полезно знать, что множество микрофонов, требующих фантомное питание, прекрасно работают и с напряжением меньше 48В. Попробуйте 9В, а затем увеличивайте его до тех пор, пока микрофон не начнет работать. Это гораздо проще, чем использовать DC/DC преобразователь. Однако необходимо помнить, что звучание микрофона, запитанного от меньшего напряжения, может сильно отличаться, и это следует учитывать. Пять батареек по 9В обеспечат питание 45В, которого должно хватить любому микрофону. Если вы используете батарейки, закоротите из конденсатором, чтобы ограничить звуковой тракт от их шума. Для этого можно использовать конденсаторы на 10мкФ и 0,1мкФ в параллель с батарейками. Также батарейки могут использоваться с резистором на 100Ом и конденсатором на 100мкФ 63В.

6.7 Влияние фантомного питания на подключаемый динамический микрофон

Подключение динамического микрофона двужильным экранированным кабелем ко входу микшерного пульта с включенным фантомным питанием не приведет ни к каким физическим повреждениям. Так что с наиболее популярными микрофонами проблем быть не должно (если они правильно распаяны). Современные динамические микрофоны с балансным подключением сконструированы таким образом, что их подвижные элементы не чувствительны к положительному потенциалу, получаемому от фантомного питания, и они прекрасно работают. Множество старых динамических микрофонов имеют центральный отвод, заземленный на корпус микрофона и экран кабеля. Это может привести к короткому замыканию фантомного питания на землю и спалить обмотку. Легко проверить так ли это в вашем микрофоне. С помощью омметра проверяется контакт между между сигнальными выводами (2 и 3) и землей (вывод 1, либо корпус микрофона). Если цепь не разомкнута, то не используйте данный микрофон с фантомным питанием. Не пытайтесь подключить микрофон с не балансным выходом ко входу микшерного пульта с фантомным питанием. Это может привести к повреждениям оборудования.

6.8 Влияние фантомного питания на другое аудио оборудование

Фантомное питание в 48В это достаточно высокое напряжение, по сравнению с тем, с которым обычно работает обычное аудио оборудование. Необходимо быть очень внимательным и не включать фантомное питание на входах, к которым подключено оборудование, не предназначенное для этого. В противном случае это может привести к повреждению оборудования. В особенности это касается оборудования потребительского класса, подключенного к пульту через специальный адаптер/конвертер. Для безопасного подключения используется трансформаторная развязка между источником сигнала и входом пульта.

6.9 Подключение профессиональных микрофонов к компьютерам

Типичные компьютерные аудио интерфейсы обеспечивают питание напряжением лишь 5В. Зачастую это питание носит название фантомного, но следует понимать, что оно не имеет ничего общего с профессиональной аудио техникой. Профессиональным микрофонам, как правило, требуется питание 48В, многие из них будут работать и с напряжением от 12 до 15 вольт, но бытовая звуковая карта не сможет обеспечить и этого. В зависимости от бюджета и технической подкованности, вы можете либо перейти на использование бытовых микрофонов, либо самостоятельно изготовить внешний блок фантомного питания. Можно использовать как внешний источник напряжения, так и встроенный в компьютер блок питания. Как правило, каждый компьютерный блок питания имеет выход +12В, так что остается лишь подключить его правильном образом.

7. T-powering и A-B powering

T-powering новое название того, что ранее называлось A-B powering. T-powering (сокращение от Tonaderspeisung, так же рассмотренное в стандарте DIN45595) было разработано для использования в портативных устройствах, и до сих пор широко распространено в звуковом кинооборудовании. T-powering в основном используется звукооператорами в стационарных системах, там, где требуется использовать длинные микрофонные кабели. T-powering обычно имеет напряжение 12В, подаваемое на балансную пару через резисторы на 180Ом. Из-за разности потенциалов на микрофонном капсюле, при подключении динамического микрофона через его катушку начнет течь ток, что негативно скажется на звучании, а спустя какое-то время приведет к повреждению микрофона. Таким образом к данной схеме могут быть подключены микрофоны, специально предназначенные для питания по технологии T-powering. Динамические и ленточные микрофоны при подключении будут повреждены, а конденсаторные скорее всего не будут работать должным образом. Микрофоны, использующие T-powering, с точки зрения схемотехники представляют собой конденсатор, и, следовательно, препятствуют протеканию постоянного тока. Преимуществом технологии T-powering является то, что экран микрофонного кабеля не обязательно подключать с обоих концов. Эта особенность позволяет избежать появления земляной петли. Схема подключения микрофона, питаемого по технологии T-powering от внешнего источника, к микшерному пульту с симметричным входом, приведена на рисунке ниже (Рис.23):

Примечание: схема придумана на основе знаний, полученных при изучении технологии T-powering. НА ПРАКТИКЕ ЭТА СХЕМА НЕ ПРОВЕРЯЛАСЬ.

8. Другая полезная информация

Микрофоны с балансным выходом можно использовать при подключении к не балансному входу, делая соответствующую разводку (это частая практика). Микрофоны с не балансным выходом, соответственно могут быть включены в симметричный вход, но никаких преимуществ это не дает. Не симметричный сигнал может быть преобразован в симметричный с помощью специального устройства — Di-Box.Tomi EngdahlПеревод статьи Powering microphones (copyright Tomi Engdahl 1997-2012). Часть 1

Фантомное питание для микрофона: основы для повторения схемы

Фантомное питание для микрофона: капсюль электретного микрофона аналогичен тем, которые использовались в телефонах, кассетных магнитофонах и компьютерах. Этот элемент, фактически, является конденсатором с определенным фиксированным зарядом. Звуковое давление двигает диафрагму, вызывая изменения емкости. Это движение создает переменное выходное напряжение при очень высоком выходном сопротивлении источника. Сток внутреннего МОП-транзистора капсюля нагружен внешним резистором (Рисунок 1).

Низкий импеданс выхода

Резисторы R₁ и R₂ обеспечивают соответствующее выходное сопротивление и питание от источника 10 В. Основные характеристики этого простого капсюля превосходны, но для того, чтобы соответствовать профессиональным стандартам фантомного питания для микрофона, он требует дальнейшей обработки сигнала.

На выходе микрофона с фантомным питанием формируется низкоомный дифференциальный сигнал. Низкий импеданс выхода обеспечивает простой буфер на микросхеме IC₁. Инвертор с единичным усилением на микросхеме IC₂ получает питание от выхода IС₁. Смещением для неинвертирующего входа IC₂ служит хорошо отфильтрованное выходное напряжение микросхемы IC₁. Сдвоенный усилитель IС₁/IС₂ был выбран из-за его низких шумов и низких искажений. R₆ и R₇ предназначены для защиты от емкости длинной линии, радиочастотных помех и бросков напряжения, возникающих при «горячем подключении» к источнику фантомного питания.

Для исключения попадания постоянного напряжения фантомного питания на линии аудиосигнала на выходах усилителя включены разделительные конденсаторы С₂ и С₃. Размах выходного дифференциального напряжения ограничен уровнем примерно 2 В пик-пик, что обусловлено неспособностью источника питания обеспечить выходные токи операционных усилителей при более высоких напряжениях. Однако этот уровень является достаточным, поскольку он соответствует пределам линейного диапазона капсюля.

Читайте также:  Трехфазный источник питания на базе AV-ресивера

Источник фантомного питания 48 В

Микрофоны с фантомным питанием получают энергию для своих активных цепей от приемного конца схемы через те же провода, по которым передается звуковой сигнал. Источник фантомного питания 48 В подключается к обеим сигнальным линиям через резисторы R₁₀ и R₁₁ сопротивлением 6.8 кОм. Такое подключение позволяет микрофону с низким выходным сопротивлением передавать дифференциальный сигнал переменного тока при относительно «мягкой» импедан-сной характеристике источника фантомного питания. Питание на микрофон подается с сигнальных линий через резисторы R₈ и R₉. Стабилитрон D₁ регулирует питание микрофона и усилителя.

Кроме того, эти резисторы обеспечивают мягкую импедансную характеристику симметричной линии. Вы можете разместить микрофон в сотнях футов от источника фантомного питания и усилителя приемной стороны и при этом получить превосходные характеристики. На приемной стороне используется мало-шумящий инструментальный усилитель IC₃, состоящий из трех внутренних операционных усилителей. Его конфигурация и лазерная подгонка номиналов резисторов обеспечивают отличный коэффициент подавления синфазных сигналов (CMR).

Подавление шумов и фона

Высокий CMR подавляет шумы и фон шины питания, имеющие одинаковые амплитуды на обеих сигнальных линиях. Хотя низкий шум (1нВ/√Гц) и не нужен для микрофонов с высоким уровнем выходного сигнала, подобных тем, который описан здесь, он необходим для профессиональных ленточных и электродинамических микрофонов со слабыми выходными сигналами. Микрофоны этих типов являются строго пассивными электромеханическими генераторами и не нуждаются в источнике питания.

Фантомное питание для микрофона получило такое название оттого, что эти типы микрофонов «подвешены» на 48 В. Выпускаемые электретные капсюли имеют различные размеры и физические конфигурации. В частности, они могут быть как всенаправленными, так и направленными (с кардиоидной диаграммой направленности). Направленные капсюли имеют сзади вентиляционное отверстие; для получения надлежащих характеристик их следует устанавливать так, чтобы обеспечить свободный доступ как спереди, так и сзади.

Читайте также:  15А 100В изолированный полумостовой драйвер

Фантомное питание для микрофона и директ бокса 48V

Материалы по теме 1. Datasheet Panasonic WM-034CY 2. Texas Instruments INA163 3. Datasheet Texas Instruments OPA2227

Используемые источники:

• https://stroy-podskazka.ru/mikrofony/fantomnoe-pitanie-harakteristiki-i-podklyuchenie/
• http://voitrec.blogspot.com/2016/11/pitanie-mikrofonov2.html
• https://usilitelstabo.ru/fantomnoe-pitanie-dlya-mikrofona.html