Фантомное питание микрофонов: принципы и стандарты

Введение

Ток постоянного тока через микрофонные кабели, их использование в микрофонах.

Другие схемы передачи данных и питания по одному кабелю.

Фантомное питание, в контексте профессионального аудиооборудования, — это постоянный ток, симметрично подаваемый на оба сигнальных провода в сбалансированных микрофонных кабелях, формируя фантомную цепь, для питания микрофонов, содержащих активные электронные схемы. Оно наиболее известно как удобный источник питания для конденсаторных микрофонов, хотя многие активные DI-боксы также используют его. Эта технология также применяется в других областях, где питание и передача сигнала осуществляются по одним и тем же проводам. Фантомные источники питания часто встроены в микшерные пульты, микрофонные предусилители и аналогичное оборудование. Помимо питания схемы микрофона, традиционные конденсаторные микрофоны также используют фантомное питание для поляризации преобразователя микрофона.

История

Призрачное питание впервые было использовано в старых аналоговых телефонных сетях на основе медных проводов с момента появления дискового телефона в 1919 году. Одно из применений в телефонной системе заключалось в обеспечении постоянного тока для передачи сигналов в схемах с усилителями, подключенными через трансформаторы, например, в аналоговых системах передачи линий связи. Первым коммерчески доступным микрофоном с призрачным питанием была модель Schoeps CMT 20, выпущенная в 1964 году по спецификациям французского радио и работающая от 9–12 вольт постоянного тока; при этом положительный полюс питания был заземлен. Предварительные усилители микрофонов магнитофонов серии Nagra IV предлагали такую схему питания в качестве опции на протяжении многих лет, а Schoeps продолжал поддерживать "отрицательное фантомное питание" до прекращения выпуска серии CMT в середине 1970-х годов, но сейчас она устарела. В 1966 году компания Neumann GmbH представила новый тип транзисторного микрофона Норвежской радиовещательной корпорации NRK. Норвежское радио запросило возможность питания от призрачного источника. Поскольку в студиях NRK уже было доступно напряжение 48 вольт для систем аварийного освещения, оно было использовано для питания новых микрофонов (модель KM 84), что и стало происхождением 48-вольтного фантомного питания. Впоследствии эта схема была стандартизирована в DIN 45596.

Стандарты

В "Мультимедийные системы – руководство по рекомендуемым характеристикам аналоговых интерфейсов для обеспечения совместимости" (IEC 61938:2018) Комитета по стандартам Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission Standards Committee) определены параметры подачи питания-фантома для микрофонов. Документом определены три варианта: P12, P24 и P48. Кроме того, для специализированных применений упоминаются два дополнительных варианта (P12L и SP48). Большинство микрофонов в настоящее время используют стандарт P48 (максимальная доступная мощность составляет 240 мВт). Несмотря на то, что системы на 12 и 48 вольт все еще применяются, стандарт рекомендует использовать источник питания на 24 вольта для новых систем.

Техническая информация

Фантомное питание представляет собой фантомную цепь, в которой постоянный ток подается симметрично на две сигнальные линии сбалансированного аудиоконнектора (в современном оборудовании – оба контакта 2 и 3 разъема XLR). Напряжение питания привязано к заземлению коннектора (контакт 1 XLR), который обычно соединен с экраном кабеля или заземляющим проводом в кабеле, или с обоими. Одним из преимуществ фантомного питания при его внедрении было то, что для конденсаторных микрофонов можно было использовать тот же тип сбалансированного, экранированного микрофонного кабеля, который студии уже использовали для динамических микрофонов. Это отличалось от микрофонов с ламповой схемотехникой, большинство из которых требовали специальных многопроводниковых кабелей. При фантомном питании напряжение питания фактически невидимо для сбалансированных микрофонов, которые его не используют, включая большинство динамических микрофонов. Сбалансированный сигнал состоит только из разницы напряжений между двумя сигнальными линиями; фантомное питание подает одинаковое постоянное напряжение на обе сигнальные линии сбалансированного соединения. Это резко контрастирует с другим, несколько более ранним методом питания, известным как "параллельное питание" или "T-питание" (от немецкого термина Tonaderspeisung), при котором постоянный ток накладывался непосредственно на сигнал в дифференциальном режиме. Подключение обычного микрофона ко входу с включенным параллельным питанием вполне могло повредить микрофон. Стандарт IEC 61938 определяет фантомное питание напряжением 48 В, 24 В и 12 В. Сигнальные проводники положительные, и оба питаются через резисторы одинакового номинала (6,81 кОм для 48 В, 1,2 кОм для 24 В и 680 Ом для 12 В), а экран заземлен. Значение 6,81 кОм не критично, но резисторы должны быть согласованы с точностью не хуже 0,1%, чтобы обеспечить хорошее подавление синфазного сигнала в схеме. 24-вольтная версия фантомного питания, предложенная спустя несколько лет после версий 12 и 48 В, также была включена в стандарт DIN и IEC, но не получила широкого распространения среди производителей оборудования. Почти все современные микшерные пульты имеют переключатель для включения или выключения фантомного питания; в большинстве высококлассных устройств это можно сделать индивидуально для каждого канала, в то время как на небольших микшерах один главный переключатель может управлять подачей питания на все каналы. Фантомное питание можно заблокировать на любом канале с помощью разделительного трансформатора 1:1 или блокировочных конденсаторов. Фантомное питание может привести к неисправности или даже повреждению оборудования при использовании с кабелями или адаптерами, соединяющими одну сторону входа с землей, или при подключении к нему оборудования, отличного от микрофонов. Усилители инструментов редко обеспечивают фантомное питание. Для использования оборудования, требующего его, с этими усилителями необходимо подключить отдельный источник питания в линию. Они широко доступны в продаже или могут быть изготовлены радиолюбителями как один из простых проектов.

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.

Кавеат

Некоторые микрофоны предлагают выбор питания от внутренних батарей или (внешнего) фантомного питания. В некоторых таких микрофонах рекомендуется извлекать внутренние батареи при использовании фантомного питания, так как батареи могут корродировать и протекать. Другие микрофоны специально разработаны для автоматического переключения на внутренние батареи в случае отказа внешнего питания. Фантомное питание не всегда реализовано корректно или в достаточном объеме, даже в профессиональных предусилителях, микшерах и рекордерах. Это отчасти связано с тем, что микрофоны первого поколения (с конца 1960-х по середину 1970-х) с 48-вольтным фантомным питанием имели простую схему и требовали небольшого рабочего тока (обычно менее 1 мА на микрофон). Соответственно, схемы фантомного питания, обычно встроенные в рекордеры, микшеры и предусилители того времени, проектировались с расчетом на то, что этого тока будет достаточно. Оригинальная спецификация DIN 45596 для фантомного питания предусматривала максимальный ток 2 мА. Эта практика сохранилась и по сей день: многие схемы фантомного питания на 48 вольт, особенно в недорогом и портативном оборудовании, не могут обеспечить более 1 или 2 мА суммарно без сбоя. Некоторые схемы также имеют значительное дополнительное сопротивление последовательно со стандартной парой резисторов питания для каждого микрофонного входа; это может незначительно влиять на микрофоны с низким потреблением тока, но может выводить из строя микрофоны, требующие большего тока. Конденсаторные микрофоны, разработанные для 48-вольтного фантомного питания в середине 1970-х годов и позднее, часто требуют значительно большего тока (например, 2–4 мА для микрофонов Neumann без трансформаторов, 4–5 мА для серии Schoeps CMC ("Colette") и микрофонов Josephson, 5–6 мА для большинства микрофонов серии Shure KSM, 8 мА для CAD Equiteks и 10 мА для Earthworks). Стандарт IEC устанавливает максимальный допустимый ток 10 мА на микрофон. Если требуемый ток недоступен, микрофон может выдавать сигнал, но не сможет обеспечить заявленный уровень производительности. Конкретные симптомы могут варьироваться, но наиболее распространенным результатом будет снижение максимального уровня звукового давления, который микрофон может обработать без перегрузки (искажений). Некоторые микрофоны также могут демонстрировать пониженную чувствительность (уровень выходного сигнала при заданном уровне звукового давления). Большинство переключателей заземления (ground lift) нежелательно отключают фантомное питание. Для подачи питания на электронику микрофона всегда должен быть путь постоянного тока между первым контактом микрофона и отрицательной стороной 48-вольтового источника питания. Разрыв заземления, которое обычно осуществляется через первый контакт, прерывает этот путь и отключает фантомное питание. Распространено заблуждение, что подключение динамического или ленточного микрофона к входу с фантомным питанием приведет к его повреждению. Существует три возможных причины такого повреждения. Во-первых, неисправность кабеля может привести к повреждению некоторых микрофонов из-за подачи напряжения на выход микрофона. Во-вторых, возможно повреждение оборудования при подключении входа с фантомным питанием к небалансированному динамическому микрофону или электронным музыкальным инструментам. В-третьих, переходный процесс, возникающий при подключении микрофона "на горячую" к входу с активным фантомным питанием, может повредить микрофон и, возможно, предусилитель входа, поскольку не все контакты микрофонного разъема замыкаются одновременно, и возникает момент, когда ток может протекать для зарядки емкости кабеля только с одной стороны фантомного входа. Это особенно актуально для длинных микрофонных кабелей. Считается хорошей практикой отключать фантомное питание для устройств, которые в нем не нуждаются.

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.

Цифровая фантомная мощность

Цифровые микрофоны, соответствующие стандарту AES 42, могут питаться от фантомного питания напряжением 10 вольт, подаваемого на оба аудиоканала и землю. Это питание может обеспечивать ток до 250 мА для цифровых микрофонов. Для предотвращения случайного подключения аналоговых и цифровых устройств может использоваться модифицированный XLR-коннектор с ключом – XLD-коннектор.

Другие технологии питания микрофонов

T-питание, также известное как A B-питание или T12, описанное в DIN 45595, является альтернативой фантомному питанию, которое до сих пор широко используется в сфере профессиональной звукозаписи для кино. Многие микшеры и рекордеры, предназначенные для этого рынка, имеют опцию T-питания. Этот метод считается устаревшим, так как шум источника питания добавляется к выходному аудиосигналу. Многие старые микрофоны Sennheiser и Schoeps используют этот метод питания, хотя новые рекордеры и микшеры постепенно отказываются от этой опции. Существуют адаптерные вставки и специальные блоки питания для микрофонов, работающих от T-питания. В этой схеме 12 вольт подается через резисторы номиналом 180 Ом между "горячим" контактом микрофона (XLR pin 2) и "холодным" контактом микрофона (XLR pin 3). Это создает разность потенциалов в 12 вольт с существенным током между контактами 2 и 3, что может привести к необратимым повреждениям динамического или ленточного микрофона. Питание при подключении (PiP) – это источник питания низкого тока 3–5 В, подаваемый на микрофонный вход некоторых потребительских устройств, таких как портативные рекордеры и звуковые карты компьютеров. Оно также определено в IEC 61938. В отличие от фантомного питания, это небалансный интерфейс с низким напряжением (около +5 вольт), подключенным к сигнальному проводнику с возвратом через корпус; постоянный ток имеет общую цепь с аудиосигналом от микрофона. Конденсатор используется для блокировки постоянного тока в последующих аудиочастотных схемах. Оно часто используется для питания электретных микрофонов, которые не будут работать без питания. Подходит только для микрофонов, специально разработанных для работы с этим типом питания. Повреждение может возникнуть, если эти микрофоны подключены к настоящему (48 В) фантомному питанию через адаптер 3,5 мм – XLR, который соединяет экран XLR с корпусом 3,5 мм разъема. Питание при подключении регулируется японским стандартом CP 1203A:2007. Эти альтернативные схемы питания иногда ошибочно называют "фантомным питанием" и их не следует путать с настоящим 48-вольтным фантомным питанием, описанным выше. Некоторые конденсаторные микрофоны могут питаться от 1,5-вольтовой батарейки, расположенной в небольшом отсеке внутри микрофона или во внешнем корпусе. Фантомное питание иногда используется специалистами в авиации для обозначения напряжения постоянного тока, используемого для питания авиационных микрофонов, которые работают с более низким напряжением, чем профессиональные аудиомикрофоны. В этом случае используется фантомное питание 8–16 вольт постоянного тока последовательно с резистором 470 Ом (номинальным), как указано в стандарте RTCA Inc. DO 214. Эти микрофоны произошли от угольных микрофонов, использовавшихся в первые дни авиации и телефонии, которые полагались на постоянное напряжение смещения на угольном микрофонном элементе.

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.