Микрофон кабельдері арқылы тұрақты ток және оның қолданылуы

Кіріспе

Микрофон кабельдері арқылы тұрақты ток беру, микрофондарда қолданылу.

Деректер мен қуатты бір кабель арқылы жеткізудің басқа да схемалары.

Фантомдық қуат, кәсіби аудио жабдықтарының контекстінде, балансталған микрофон кабельдеріндегі екі сигнал сымына тең дәрежеде берілетін тұрақты ток электр қуаты болып табылады, бұл фантомдық тізбек құрайды және активті электрондық схемалары бар микрофондарды жұмыс істеуге қосады. Ол негізінен конденсаторлық микрофондар үшін ыңғайлы қуат көзі ретінде танымал, бірақ көптеген активті тікелей қосымшалар да оны пайдаланады. Бұл техника сондай-ақ қуат беру және сигнал беру бір сым арқылы жүзеге асырылатын басқа да қолдануларда қолданылады. Фантомдық қуат көздері көбінесе микшерлік консольдерге, микрофондық алдын ала күшейткіштерге және ұқсас жабдықтарға орнатылады. Микрофонның схемасын қуатпен қамтамасыз етуден басқа, дәстүрлі конденсаторлық микрофондар микрофонның түрлендіргіш элементін поляризациялау үшін де фантомдық қуатты пайдаланады.

Тарих

Фантомдық қуаттандыру алғаш рет 1919 жылы айналмалы телефондық құрылғы енгізілгеннен кейін, мыс сымға негізделген қарапайым телефон байланысы үшін қолданылды. Телефон жүйесіндегі осындай қолданыстардың бірі – трансформаторлы күшейткіштер арқылы, мысалы, аналогтық желілік тарату жүйелерінде, тұрақты ток (DC) сигналды беру жолын қамтамасыз ету болды. Коммерциялық сатылымға түскен алғашқы фантомдық микрофон – 1964 жылы француз радиосының талаптарына сәйкес 9–12 вольт тұрақты ток фантомдық қуатымен жасалған Schoeps компаниясының CMT 20 моделі; осы қуаттың оң полюсі жерге жалғанған. Nagra IV сериялы магнитофондардың микрофондық алдын ала күшейткіштері көп жылдар бойы осы типтегі қуаттандыруды ұсынды, ал Schoeps компаниясы CMT сериясы 1970-ші жылдардың ортасында тоқтатылғанға дейін «кері фантомдық» қуаттандыруды қолдауды жалғастырды, бірақ қазір ол қолданыстан шықты. 1966 жылы Neumann GmbH Норвегияның NRK телерадиокомпаниясына транзисторлық микрофонның жаңа түрін ұсынды. Норвегия радиосы фантомдық қуатпен жұмыс істеуді сұрады. NRK студияларында авариялық жарықтандыру жүйелері үшін 48 вольт қуат болғандықтан, осы кернеу жаңа микрофондарды (KM 84 моделі) қуаттандыру үшін пайдаланылды, және осыдан 48 вольттық фантомдық қуат пайда болды. Бұл жүйе кейіннен DIN 45596 стандарты бойынша стандартталды.

Стандарттар

Халықаралық электротехникалық комиссия стандарттар комитетінің "Мультимедиялық жүйелер – Өзара сәйкестікті қамтамасыз ету үшін аналогты интерфейстердің ұсынылатын сипаттамаларына арналған нұсқаулық" (IEC 61938:2018) микрофонға фантомдық қуат беру параметрлерін белгілейді. Құжатта үш түр анықталған: P12, P24 және P48. Бұған қоса, арнайы қолданыстар үшін екі қосымша түр (P12L және SP48) қарастырылған. Қазіргі микрофондардың көпшілігі P48 стандартын пайдаланады (максималды қол жетімді қуат 240 мВт). 12 және 48 вольттық жүйелер әлі де қолданыста болғанымен, стандарт жаңа жүйелер үшін 24 вольттық қуат беруді ұсынады.

Техникалық ақпарат

Фантомдық қуаттандыру – бұл фантомдық тізбек, онда теңдестірілген аудиоқосылыстың екі сигналдық сымы арқылы тұрақты ток бірдей түрде жіберіледі (қазіргі заманғы құралдарда XLR қосылысының 2 және 3 тіректері). Кернеу көзі қосылыстың жерге қосылған тірегіне (XLR-дің 1 тірегі) сілтеме жасайды, ол әдетте кабельдің қалқанына немесе кабельдегі жер сымына, немесе екеуіне де қосылған болады. Фантомдық қуаттандыру енгізілген кезде, оның бір артықшылығы – студиялар динамикалық микрофондар үшін қолданатын теңдестірілген, қалқандалған микрофон кабелін конденсаторлық микрофондар үшін де пайдалануға болатындығы. Бұл вакуумдық түтікшелермен жұмыс істейтін микрофондардан өзгеше, олардың көпшілігі арнайы көп сымды кабельдерді қажет етеді. Фантомдық қуатпен, кернеу оны пайдаланбайтын теңдестірілген микрофондар үшін көрінбейді, олардың қатарында динамикалық микрофондар да бар. Теңдестірілген сигнал екі сигналдық сым арасындағы кернеу айырмашылығынан ғана тұрады; фантомдық қуаттандыру теңдестірілген қосылымның екі сигналдық сымына бірдей тұрақты кернеуді қояды. Бұл «параллель қуаттандыру» немесе «Т қуаттандыру» (неміс тілінде Tonaderspeisung) деп аталатын басқа, сәл ертерек қуаттандыру әдісінен өзгеше, онда тұрақты ток дифференциалдық режимде сигналға тікелей қосылады. Дәстүрлі микрофонды параллель қуаттандыру қосылған кіріске қосу, микрофонды зақымдауы мүмкін. IEC 61938 стандарты 48 вольт, 24 вольт және 12 вольт фантомдық қуаттандыруды анықтайды. Сигналдық өткізгіштер оң, екеуі де бірдей мәнді резисторлар арқылы беріледі (48 В үшін 6,81 кОм, 24 В үшін 1,2 кОм және 12 В үшін 680 Ом), ал қалқан жерленген. 6,81 кОм мәні аса маңызды емес, бірақ схемада жақсы ортақ режимді жою үшін резисторлардың мәндері 0,1% немесе одан да жақсы дәлдікпен сәйкес болуы керек. 12 және 48 В нұсқаларынан кейін ұсынылған фантомдық қуаттандырудың 24 вольттық нұсқасы DIN стандартына енгізілген және IEC стандартында бар, бірақ ол құрал өндірушілері тарапынан кеңінен қолданылмады. Көптеген қазіргі заманғы микшерлік консольдерде фантомдық қуатты қосу немесе өшіруге арналған қосқыш бар; жоғары сапалы құралдарда бұл әрбір арна үшін жеке басқарылуы мүмкін, ал кішірек микшерлерде бір жалпы қосқыш барлық арналарға қуат беруді басқара алады. Фантомдық қуатты кез келген арнада 1:1 оқшаулағыш трансформатормен немесе тоқтату конденсаторларымен тоқтатуға болады. Фантомдық қуаттандыру, егер кірістің бір жағын жерге жалғайтын кабельдер немесе адаптерлер қолданылса, немесе микрофондардан басқа басқа құралдар қосылса, құралдың жұмысын бұзуына немесе тіпті зақымдауына әкелуі мүмкін. Аспап күшейткіштерінде фантомдық қуат көбінесе болмайды. Осы күшейткіштермен оны қажет ететін құралды пайдалану үшін, желіге жеке қуат көзі қосылуы керек. Олар коммерциялық түрде оңай қол жетімді, немесе электроникамен әуесқойлар үшін жасауға оңай жобалардың бірі болып табылады.

Phantom powering consists of a phantom circuit where direct current is applied equally through the two signal lines of a balanced audio connector (in modern equipment, both pins 2 and 3 of an XLR connector). The supply voltage is referenced to the ground pin of the connector (pin 1 of an XLR), which normally is connected to the cable shield or a ground wire in the cable or both. When phantom powering was introduced, one of its advantages was that the same type of balanced, shielded microphone cable that studios were already using for dynamic microphones could be used for condenser microphones. This is in contrast to microphones with vacuum tube circuitry, most of which require special, multi conductor cables. With phantom power, the supply voltage is effectively invisible to balanced microphones that do not use it, which includes most dynamic microphones. A balanced signal consists only of the differences in voltage between two signal lines; phantom powering places the same DC voltage on both signal lines of a balanced connection. This is in marked contrast to another, slightly earlier method of powering known as "parallel powering" or "T powering" (from the German term Tonaderspeisung), in which DC was overlaid directly onto the signal in differential mode. Connecting a conventional microphone to an input that had parallel powering enabled could very well damage the microphone. The IEC 61938 Standard defines 48 volt, 24 volt, and 12 volt phantom powering. The signal conductors are positive, both fed through resistors of equal value (6.81 kΩ for 48 V, 1.2 kΩ for 24 V, and 680 Ω for 12 V), and the shield is ground. The 6.81 kΩ value is not critical, but the resistors must be matched to within 0.1% or better to maintain good common mode rejection in the circuit. The 24 volt version of phantom powering, proposed quite a few years after the 12 and 48 V versions, was also included in the DIN standard and is in the IEC standard, but it was never widely adopted by equipment manufacturers. Nearly all modern mixing consoles have a switch for turning phantom power on or off; in most high end equipment this can be done individually by channel, while on smaller mixers a single master switch may control power delivery to all channels. Phantom power can be blocked in any channel with a 1:1 isolation transformer or blocking capacitors. Phantom powering can cause equipment malfunction or even damage if used with cables or adapters that connect one side of the input to ground, or if certain equipment other than microphones is connected to it. Instrument amplifiers rarely provide phantom power. To use equipment requiring it with these amplifiers, a separate power supply must be inserted into the line. These are readily available commercially, or alternatively are one of the easier projects for the amateur electronics constructor.

Қақпақтар

Кейбір микрофондар ішкі батареямен немесе (сыртқы) фантомдық қуаттандырумен жұмыс істейді. Мұндай микрофондардың кейбірінде фантомдық қуат қолданылғанда ішкі батареяларды шығарып тастау ұсынылады, себебі батареялар коррозияға ұшырап, химиялық заттарды бөліп алуі мүмкін. Басқа микрофондар сыртқы қуат көзі сәтсіз болған жағдайда ішкі батареяларға автоматты түрде ауысу үшін жасалған. Фантомдық қуаттандыру әрқашан дұрыс немесе жеткілікті деңгейде іске асырылмайды, тіпті кәсіби сапалы алдын ала күшейткіштерде, микшерлерде және жазғыштарда да. Бұл, ішінара, бірінші буынның (1960 жылдардың соңы мен 1970 жылдардың ортасы) 48 вольтты фантомдық конденсаторлық микрофондарының қарапайым схемасы болғандықтан және олар жұмыс істеу үшін аз ток қажет еткендіктен (әдетте микрофонға 1 мА-дан кем), сол кездегі жазғыштарға, микшерлерге және алдын ала күшейткіштерге орнатылған фантомдық қуат схемалары осы ток жеткілікті болады деп есептелген. DIN 45596 фантомдық қуаттың бастапқы спецификациясы ең көп 2 мА ток беруді қарастырған. Бұл практика қазірге дейін сақталған; көптеген 48 вольтты фантомдық қуат схемалары, әсіресе төмен бағалы және портативті жабдықтарда, 1 немесе 2 мА-дан артық ток бере алмайды, бұл олардың жұмысын тоқтатады. Кейбір схемаларда әр микрофондық кіріске арналған стандартты қуаттандыру кедергілеріне қосымша кедергілер тізбектелген; бұл аз ток қажет ететін микрофондарға көп әсер етпесе де, көбірек ток қажет ететін микрофондарды істен шығаруы мүмкін. 1970 жылдардың ортасынан бастап жасалған 48 вольтты фантомдық қуатпен жұмыс істейтін конденсаторлық микрофондар көбінесе әлдеқайда көп ток қажет етеді (мысалы, Neumann трансформаторсыз микрофондары үшін 2–4 мА, Schoeps CMC ("Colette") сериясы және Josephson микрофондары үшін 4–5 мА, Shure KSM сериясының микрофондары үшін 5–6 мА, CAD Equiteks үшін 8 мА және Earthworks үшін 10 мА). IEC стандарты микрофонға арналған рұқсат етілген ең жоғары токты 10 мА деп белгілейді. Егер қажетті ток жеткілікті болмаса, микрофон сигнал шығаруы мүмкін, бірақ ол жоспарланған деңгейде жұмыс істемейді. Симптомдар әртүрлі болуы мүмкін, бірақ ең көп кездесетін нәтиже – микрофонның жүктемесіз жұмыс істей алатын ең жоғары дыбыс қысымы деңгейінің төмендеуі (бұрмалану). Кейбір микрофондар сезімталдығының төмендеуін де көрсетеді (белгілі бір дыбыс қысымы деңгейі үшін шығыс деңгейі). Көптеген жердік тізбектер фантомдық қуатты күйдірудің қолайсыз әсерін тигізеді. Микрофонның 1-ші тірегі мен 48 вольтты қуат көзінің теріс жағы арасында қуат микрофонның электроникасына жеткен жағдайда тұрақты ток ағыны болуы керек. Жердік тізбектің ажыратылуы, әдетте 1-ші тірек, осы ағынды тоқтатады және фантомдық қуат көзін өшіреді. Динамикалық немесе таспалық микрофонды фантомдық қуатты кіріске қосу оның зақымдануына әкелуі мүмкін деген жалпы пікір бар. Бұл зақымдану үш жағдайда болуы мүмкін. Егер кабельде ақаулық болса, фантомдық қуат микрофонның шығысына кернеу түсіру арқылы кейбір микрофондарды зақымдауы мүмкін. Фантомдық қуатты теңгерімсіз динамикалық микрофонға немесе электрондық музыкалық аспаптарға қосса, жабдыққа да зақым келтіруі мүмкін. Микрофонды активті фантомдық қуаты бар кіріске қосып, жылдам қосу кезінде пайда болатын өтпелі құбылыс микрофонға және мүмкін кіріс алдын ала күшейткішінің схемасына зақым келтіруі мүмкін, себебі микрофонның барлық тіректері бір уақытта жанаспайды және фантомдық қуат көзінің бір жағынан кабельдің сыйымдылығын зарядтау үшін ток бірден ағып өтеді. Бұл әсіресе ұзын микрофондық кабельдерде проблема болады. Қажеті жоқ құрылғыларға фантомдық қуатты өшіру – жақсы тәжірибе саналады.

Some microphones offer a choice of internal battery powering or (external) phantom powering. In some such microphones, it is advisable to remove the internal batteries when phantom power is being used since batteries may corrode and leak chemicals. Other microphones are specifically designed to switch over to the internal batteries if an external supply fails. Phantom powering is not always implemented correctly or adequately, even in professional quality preamps, mixers, and recorders. In part, this is because first generation (late 1960s through mid 1970s) 48 volt phantom powered condenser microphones had simple circuitry and required only small amounts of operating current (typically less than 1 mA per microphone), so the phantom supply circuits typically built into recorders, mixers, and preamps of that time were designed on the assumption that this current would be adequate. The original DIN 45596 phantom power specification called for a maximum of 2 mA. This practice has carried forward to the present; many 48 volt phantom power supply circuits, especially in low cost and portable equipment, simply cannot supply more than 1 or 2 mA total without breaking down. Some circuits also have significant additional resistance in series with the standard pair of supply resistors for each microphone input; this may not affect low current microphones much, but it can disable microphones that need more current. Mid 1970s and later condenser microphones designed for 48 volt phantom powering often require much more current (e. g., 2–4 mA for Neumann transformerless microphones, 4–5 mA for the Schoeps CMC ("Colette") series and Josephson microphones, 5–6 mA for most Shure KSM series microphones, 8 mA for CAD Equiteks and 10 mA for Earthworks). The IEC standard gives 10 mA as the maximum allowed current per microphone. If its required current is not available, a microphone may still put out a signal, but it cannot deliver its intended level of performance. The specific symptoms vary somewhat, but the most common result will be reduction of the maximum sound pressure level that the microphone can handle without overload (distortion). Some microphones will also show lower sensitivity (output level for a given sound pressure level). Most ground lift switches have the unwanted effect of disconnecting phantom power. There must always be a DC current path between pin 1 of the microphone and the negative side of the 48 volt supply if power is to reach the microphone's electronics. Lifting the ground, which is normally pin 1, breaks this path and disables the phantom power supply. There is a common belief that connecting a dynamic or ribbon microphone to a phantom powered input will damage it. There are three possibilities for this damage to occur. If there is a fault in the cable, phantom power may damage some mics by applying a voltage across the output of the microphone. Equipment damage is also possible if a phantom powered input connected to an unbalanced dynamic microphone or electronic musical instruments. The transient generated when a microphone is hot plugged into an input with active phantom power can damage the microphone and possibly the preamp circuit of the input because not all pins of the microphone connector make contact at the same time, and there is an instant when current can flow to charge the capacitance of the cable from one side of the phantom powered input and not the other. This is particularly a problem with long microphone cables. It is considered good practice to disable phantom power to devices that don't require it.

Цифрлық фантомдық қуат

AES 42 стандартына сәйкес келетін цифрлық микрофондарға дыбыс өткізгіштері мен жерге 10 вольттық фантомдық қуат берілуі мүмкін. Бұл қуат көзі цифрлық микрофондарға 250 мА дейін қуат бере алады. Аналогтық және цифрлық құрылғыларды кездейсоқ алмастырудың алдын алу үшін, әдеттегі XLR қосқышының модификациясы – XLD қосқышы қолданылуы мүмкін.

Микрофонды басқа да қуаттандыру әдістері

T қуаттандыруы, сондай-ақ A B қуаттандыруы немесе DIN 45595 стандартында сипатталған T12, өндірістік дыбыс саласында әлі де кеңінен қолданылатын фантомдық қуаттандырудың баламасы болып табылады. Бұл нарыққа арналған көптеген микшерлер мен жазғыштарда T қуаттандыру опциясы бар. Бұл әдіс ескірген деп есептеледі, себебі қуат беру кезіндегі шу шығыс дыбыс сигналына қосылады. Көптеген ескі Sennheiser және Schoeps микрофондары осы қуаттандыру әдісін қолданады, бірақ жаңа жазғыштар мен микшерлер бұл опцияны жобалауда. T қуаттандырылатын микрофондарға арналған адаптерлер мен арнайы қуат көздері жасалған. Бұл схемада 180 Ом-дық резисторлар арқылы 12 вольт микрофонның «қызған» терминалына (XLR пин 2) және «салқын» терминалына (XLR пин 3) қолданылады. Бұл 2 және 3 пиндер арасында 12 вольт айырмашылықты тудырады, бұл динамикалық немесе ленталық микрофонға қолданған жағдайда қанағаттандыруға келмейтін зақымдануға әкелуі мүмкін. Plug-in Power (PiP) – портативті диктофондар мен компьютерлік дыбыс карталары сияқты кейбір тұтынушылық құрылғылардың микрофондық кірісінде берілетін 3–5 В төмен ток көзі. Ол IEC 61938 стандартында да анықталған. Бұл фантомдық қуаттан өзгеше, себебі ол теңгерімсіз интерфейс болып табылады, онда төмен кернеу (+5 вольт шамасында) сигналдық өткізгішке қосылады, ал ток қайтарымы қабықша арқылы жүзеге асырылады; тұрақты ток микрофоннан келетін дыбыс сигналымен бірдей. Келесі дыбыс жиілікті тізбектерден тұрақты токты бөгеу үшін конденсатор қолданылады. Ол көбінесе қуатсыз жұмыс істемейтін электрет микрофондарын қуаттандыру үшін қолданылады. Ол тек осы типтегі қуат көзіне арналған микрофондарды қуаттандыруға жарамды. Егер бұл микрофондар 3,5 мм–XLR адаптері арқылы 48 В фантомдық қуатқа қосылса, онда XLR қалқаны 3,5 мм қабықшасына қосылғанда зақымдануы мүмкін. Plug-in Power жапондық CP 1203A:2007 стандартымен реттеледі. Бұл баламалы қуаттандыру схемалары кейде дұрыс емес «фантомдық қуат» деп аталады және жоғарыда сипатталған 48 вольттық фантомдық қуаттандырумен шатастырылмауы керек. Кейбір конденсаторлық микрофондар микрофонның кішкентай бөлімінде немесе сыртқы корпуста орналасқан 1,5 вольттық элементпен қуатталуы мүмкін. Фантомдық қуатты кейде авиация саласындағы мамандар авиациялық микрофондарды қуаттандыру үшін қолданылатын тұрақты ток кернеуін сипаттау үшін қолданады, олар кәсіби дыбыс микрофондарына қарағанда төмен кернеуді қолданады. Бұл жағдайда қолданылатын фантомдық қуат 8–16 вольт тұрақты ток, RTCA Inc. DO 214 стандартында көрсетілгендей, 470 Ом-дық (номиналды) кедергімен бірге. Бұл микрофондар авиацияның алғашқы күндерінде қолданылған көміртек микрофондарынан және телефондардан дамыған, олар көміртек микрофон элементіне қолданылатын тұрақты ток кернеуіне сүйенген.

T power, also known as A B powering or T12, described in DIN 45595, is an alternative to phantom powering that is still widely used in the world of production film sound. Many mixers and recorders intended for that market have a T power option. The method is considered obsolete as power supply noise is added to the output audio signal. Many older Sennheiser and Schoeps microphones use this powering method, although newer recorders and mixers are phasing out this option. Adapter barrels, and dedicated power supplies, are made to accommodate T powered microphones. In this scheme, 12volts is applied through 180ohm resistors between the microphone's "hot" terminal (XLR pin 2) and the microphone's "cold" terminal (XLR pin 3). This results in a 12 volt potential difference with significant current capability across pins 2 and 3, which would likely cause permanent damage if applied to a dynamic or ribbon microphone. Plug in power (PiP) is the low current 3–5 V supply provided at the microphone jack of some consumer equipment, such as portable recorders and computer sound cards. It is also defined in IEC 61938. It is unlike phantom power since it is an unbalanced interface with a low voltage (around +5volts) connected to the signal conductor with return through the sleeve; the DC power is in common with the audio signal from the microphone. A capacitor is used to block the DC from subsequent audio frequency circuits. It is often used for powering electret microphones, which will not function without power. It is suitable only for powering microphones specifically designed for use with this type of power supply. Damage may result if these microphones are connected to true (48 V) phantom power through a 3.5 mm to XLR adapter that connects the XLR shield to the 3.5 mm sleeve. Plug in power is covered by Japanese standard CP 1203A:2007. These alternative powering schemes are sometimes improperly referred to as "phantom power" and should not be confused with true 48 volt phantom powering described above. Some condenser microphones can be powered with a 1.5 volt cell contained in a small compartment in the microphone or in an external housing. Phantom power is sometimes used by workers in avionics to describe the DC bias voltage used to power aviation microphones, which use a lower voltage than professional audio microphones. Phantom power used in this context is 8–16volts DC in series with a 470ohm (nominal) resistor as specified in RTCA Inc. standard DO 214. These microphones evolved from the carbon microphones used in the early days of aviation and the telephone which relied on a DC bias voltage across the carbon microphone element.