Locatie : www.pa0nhc.nl

Een afbeelding downloaden : "Klik-rechts" op "PDF" en kies dan "Opslaan als".
Print maskers als/in : KLEUR, foto, max. contrast, max verzadiging, afmeting 100% of "origineel".

Doel van dit ontwerp.
Deze schakeling is ontwikkeld om zelf een topkwaliteit condensator microfoon voor 48V fantoom voeding te kunnen maken, met of zonder 25V bias mogelijkheid.
Het te gebruiken condensator element kan een zijn :
1. een kapsel dat 25V bias ("voorspanning") nodig heeft,
2. een hoge kwaliteit elektret kapsel zonder ingebouwde FET.

Voor gebruik van een eenvoudiger elektret kapsel (MET INGBOUWDE FET) : zie Unidirectional floor microphone

    Eigenschappen van de elektronica (belasting 2kOhm, 48V fantoomvoeding):

Class A design, waardoor :
    Hoge maximum onvervormde uitgangspanning +12dBu !
    Zeer geringe 2e harmonische vervorming: beter dan -60dB @ 1kHz/0dBv: 

Optimaal ontworpen FET ingang waardoor :
    Laagst mogelijke eigen ruisniveau
    Grootst mogelijk dynamisch bereik (typ. 118 dB).
    Versterking 0,9x (-1dB).

25V bias voor een condensator element beschikbaar
    zonder storende bias oscillator

DC gekoppelde opamp line driver met :
    zeer goede onderdrukking van brom/ruis / storingen  ( typ. 50dB of beter !)
    Respons 8Hz-43kHz +0/-3dB
    Beveiligd tegen om polen van de voeding spanning
    Korte inschakel stabilisatietijd (< 10s)
    Uitgang impedantie 200 Ohm (8Hz - 43 kHz, naar wens te wijzigen).

    Welk condensator kapsel toepassen ?
Geschikte hoge kwaliteit elektret kapsels zonder ingebouwde FET zijn te herkennen aan een schroef aansluiting als output (zie tekening hieronder). Ze werden aangeboden door "Lingbo Longxing Electronic Company Ltd". De kapsels bezitten een uitgebreide en vlakke frequentie karakteristiek, en werden oa. toegepast in de Behringer C2. Helaas zijn ze niet meer te vinden.

uni-ECM-LX16162W (~Behringer C2)
PDF

Groot membraan condensator kapsels (met of zonder omschakelbare richtkarakteristiek, tot 32mm diameter) worden soms ook aangeboden op eBay of Alibaba.

    Bijzondere onderdelen:
R1 en R2 zijn 6,5x2,5mm axiale 1 GIGAohm (= 1000 MEGohm !) weerstanden. Ze zijn verkrijgbaar bij Digi-Key .

"Ins1" en "ins2" zijn in de print geplaatste keramische isolatoren. Ze garanderen een zeer geringe lekstroom en ruis. 
R1, C1, R2 en T1 moeten ZWEVEND, vrij van de print aan elkaar worden gesoldeerd.
Zeer ruisarme en betaalbare 2SK170 FETs zijn verkrijgbaar op eBay . NB: dure matched pairs zijn niet nodig.

Het principe schema.
Let op: Als een electret element gebruikt wordt, komen R1, R13 en C11 te vervallen.
PDF

    Er zijn 2 print ontwerpen beschikbaar:
1. DUBBELzijdig, smal printje 75,8x17,7mm. Dit past in een 22mm buis waarmee een "pencil" microfoon is te maken.

2. DUBBEL/ENKELzijdig vierkant printje 42x42mm. Voor in een ALU doosje. Geschikt voor de constructie van bv. een boudairy microfoon.

Printontwerp No1 (voor inbouw in metalen 22mm buis).

Dit ontwerp is gemaakt met FREEPCB, een FREEWARE programma, inclusief libraries en autorouter. 
Van harte aanbevolen!

Printontwerp No2, voor inbouw in ALU doosje.

Onderstaande maskers zijn afgebeeld zoals op de PCB fotolaag.
Resolutie = 600DPI.
Afmeting: ca. 42mm x 42mm.

    Als dubbelzijdig printje:
Op een aantal plaatsen aan de bovenzijde van de print zijn gaten bewust niet geïsoleerd. Hier moeten doorverbindingen tussen boven en onderzijde worden gemaakt, door de aansluiting aan beide zijden van de print door te solderen.

Waar mogelijk elke soldeerverbinding aan onderzijde EN bovenzijde doorsolderen. 

    Als enkelzijdig printje:
Het bottom mask is zo ontworpen, dat het ook geschikt is om een enkelzijdig printje mee te maken. Er moet dan één draadbrug (C10->massa) aangebracht worden.

Topsilk PDF	Top mask PDF	Bottom mask PDF

Montage aanwijzingen voor beide printjes:

Waar mogelijk elke soldeerverbinding aan onderzijde EN bovenzijde doorsolderen. 

Het ingangciruit is EXTREEM HOOG OHMIG.
    Daarom:
Het IC zonder voet, direct in de print solderen.
Op beide plaatsen "Ins", een (keramisch) doorvoer isolatortje in de print persen of lijmen.
C1 is wordt "zwevend" op deze twee isolatortjes gemonteerd.
T1 op 5mm hoogte met de source en drain poten in de print solderen.
De gate poot van de FET (haaks) ombuigen, en vrij van het printoppervlak direct aan een isolatortje bij C1 solderen.
Één poot van R2 vrij van de print ombuigen en direct aan het isolatortje en de gate van T1 solderen.
Één poot van R1 vrij van de print ombuigen en direct aan het andere isolatortje "+" solderen.
De "hete" draad van het condensator microfoonkapsel wordt direct aan het isolatortje met R1 gesoldeerd. De "koude" draad van het condensator element wordt aan het massapunt tussen beide isolatortjes gesoldeerd.
Diodes eventueel verticaal monteren.

Maak (na controle van de goede werking) het geheel bestand tegen stoten en vallen:
Alle condensatoren met lijm (Pattex Contactlijm Transparant) op de print mechanisch vast kitten.
(Let op: de aansluitingen van C1 niet lijmen).

Onderdelen bijzonderheden.

In dergelijke kritische ruisarme circuits NOOIT SMD weerstanden en condensatoren toepassen !

Voor C7,8,9 en 10 bij voorkeur electrolytische condensatoren gebruiken GEEN tantalium.

Voor alle overige condensatoren uitsluitend folie condensatoren gebruiken (voor de geringste vervorming en ruis).

Bij voorkeur metaalfilm weerstanden gebruiken voor geringe eigenruis en kleine toleranties (0,1%).

Voor de beste resultaten gebruikt u gepaarde foliecondensatoren. Deze film condensatoren hebben een lagere temperatuur coëfficiënt (optimaal blijvend balancering effect !), geringere eigenruis (verspringen niet in waarde) en veroorzaken geen signaal vervorming bij grote wissel- en gelijk spanningen. Keramische condensatoren wel.

Metaalfilm weerstanden ruisen minder dan koolfilm weerstanden, en hebben bovendien vaak veel kleinere toleranties (tot 0,1%, belangrijk voor R8,9,10,11). 

R1 en R2 zijn uiterst hoogohmige weerstanden van 1 GigaOhm (1000 Mohm !!). Raak deze weersstanden daarom niet met de blote vingers aan ! 

Om een goede weergave van lage frequenties (tot 10Hz) en een zo laag mogelijk stoorniveau te bereiken, is het handhaven van de 500MegOhm ingang impedantie kritisch. Het gate cicrcuit van T1 is dus uiterst gevoelig voor parasitaire lekweerstanden. Daarom worden C1, R1, R2 en gate van T1 NIET in de print gesoldeerd, maar zwevend, vrij van de print, op de (keramische) doorvoer isolatoren i1 en i2 gesoldeerd. Hou ze schoon en droog (geen vingerafdrukken).

De twee opamps in de TL072 zitten op één chip, en hebben daardoor een en exact gelijke (zeer lage) uitgangs impedantie. Dit maakt het eenvoudig een zeer goed uitgang balancering effect te bereiken door simpel weerstanden en condensatoren met zo klein mogelijke tolerantie te monteren. Gebruik 0,1% weerstanden, of selecteer voor de montage van R8/9, 10/11, C5/6, C8/9 deze componenten op zo exact mogelijk gelijke waarde mbv. een goedkope digitale multimeter. 

Controle.

Voor optimaal resultaat moet na de assemblage de volgende spanningen gecontroleerd en eventueel gecorrigeerd worden :

1. De onvervormde maximale wisselspanning aan 2kOhm belasting @1kHz sinus >= 4Vtt.
2. De rust uitgangspanning op IC1-7 dient 5V+-0,3V te bedragen (instellen door R3 te corrigeren).

Door component spreidingen kan de ruststroom van IC1 afwijken. Dit beïnvloed dan de actuele voedingspanningen op C7 en C10.

3. De voedingspanning op C10 dient 25V +- 1V te bedragen. Corrigeer dit evt. door de waardes van R10/11 aan te passen. Let op: R10=R11 +- 1% of beter !
4. De voedingspanning op C7 dient ca. 12V te bedragen. Corrigeer dit evt. door de waarde van R12 aan te passen.

   Design overwegingen.

    Bruikbare FETs en instellingen.
Met de lage uitgang impedantie van de FET als bron impedantie, heeft line driver IC1 een zeer geringe eigenruis.

Het ruisgetal van de eerste halfgeleider (de FET) bepaalt dus het eigen-ruisniveau van de hele schakeling.  

Een zeer ruisarme Jfet is het meest geschikt om als impedantie converter te gebruiken. In plaats van de in het prototype toegepaste 2N4393, heeft een Jfet die speciaal ontworpen is voor low-noise audio versterking de voorkeur. Deze FET moet met een ruisgetal hebben lager dan 5dB @ 1kHz, en op een drain stroom van 1mA ingesteld kunnen worden bij een gate-source spanning van hoogstens -5V. 

De 2SK170 GR bijvoorbeeld heeft een ruisgetal van 0dB, waarmee het eigeruis niveau naar verwachting nog eens ca. 4dB lager wordt dan met een 2N4393.

Mogelijke kandidaten:
BF244a (?)

J310 (?)

2N5417

2SK162
2SK163
2SK170 (!)
2SK523
2SK533

    Optimale instelling van T1.
T1 is als source volger in "Class A" ingesteld met Id=1mA, Ud=12V. Deze instelling bepaalt zijn uitgang spanning Us (ca. 5V), en de DC-instelling van IC1a en b. 

Samen met de voeding spanning op C7 (ca. 12V) is hiermee de maximale onvervormde uitgang spanning van de gehele schakeling bepaald.

Let op: de benodigde negatieve gate spanning van T1 is sterk afhankelijk van het type en de spreiding in de gebruikte Jfet. Als gevolg hiervan kan de uitgangsspanning van T1 afwijken van de gewenste 5V. Meet ter controle de spanning op IC1-7.

Indien nodig moet de spanning op IC1-7 op 5,0V +- 0,5V ingesteld worden door de waarde van R3 aan te passen.
Test dit evt. door R3 tijdelijk te vervangen door een instelpotmeter.

Ook IC1 kan een afwijkende rustroom vertonen, en de spanningen op C10 en C7 beinvloeden.
Indien nodig moeten de spanningen op C10 (25V +- 1V)  en C7 (12V) gecorrigeerd worden door de waardes van R10/11 en R12 aan te passen.

    De line driver (IC1).    
Omdat een goede, gebalanceerde lijntransformator met geschikte transformatieverhouding duur en lastig te verkrijgen is, werd de schakeling bewust met een compromisloze halfgeleider uitgang ontworpen. 

Door in plaats van de gebruikelijke bipolaire transistors, een goedkoop tweevoudig IC met hoge ingang impedantie en lage eigenruis (TL072) toe te passen, kon T1 als pure source volger (zonder drain weerstand, dus met groter uitstuurbereik) ingesteld, en DC-gekoppeld met IC1 worden. Het resultaat is een perfect gebalanceerde uitgang, zeer breedbandig met goede laagfrequente eigenschappen, hoge maximale uitgangspanning, minimale ruis en vervorming. 

De zeer lage, breedbandig exact gelijke uitgang impedantie op beide signaal pennen onderdrukt storingen, die op de microfoonkabel terecht komen, zeer sterk (100x of meer).

    Gevoeligheid.
Er is geen (mogelijk storing veroorzakende) bias oscillator aanwezig. Op C10 is 25Vdc beschikbaar, die als bias (voorspanning) voor een condensator element gebruikt kan worden. Dit is dus de enige spanning waarde die de gevoeligheid van de totale microfoon bepaalt. 

Een hogere voorspanning zou een nog hogere gevoeligheid en lager eigenruis niveau opleveren, maar ook een lagere maxSPL (maximale geluidsdruk die onvervormd kan worden weergegeven). En een extra (mogelijk storende) bias oscillator noodzakelijk maken, die afgeschermd moet worden. 

pa0nhc.