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Progetto preamplificatore compressore per chitarra e basso elettrico
1 - Caratteristiche del preamplificatore compressore per chitarra elettrica
Quello che progetteremo sarà un preamplificatore compressore basato su uno schema classico con meno componenti possibile.
Tutta la parte analogica è con valvole termoioniche, alcuni componenti ausiliari sono basati su semiconduttori al fine di ridurre la complessità e il costo.
In linea di massima un preamplificatore compressore è un circuito che varia il guadagno in funzione del segnale applicato all'ingresso diminuendolo quando è eccessivo in relazione all'ampiezza del segnale.
Questo ha come effetto secondario un incremento notevole del sustain ovvero della capacità di allungare il lasso temporale entro cui il suono è udibile prima di esaurirsi.
Questo circuito è progettato per essere direttamente collegato allo strumento o introdotto nella linea degli effetti.
Lo progetteremo per funzionare con un segnale in ingresso di 100mVpp ma ampiamente adattabile grazie al potenziometro in ingresso.
Un preamplificatore di questo tipo deve avere le seguenti caratteristiche:
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Avere una discreta amplificazione per segnali di basso livello e una bassa amplificazione per segnali di livello più alto.
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Avere possibilmente una bassa microfonicità .
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Avere al minimo una banda passante da 80Hz a 12Khz che corrisponde alla risposta in frequenza della maggior parte di questi strumenti anche tenendo conto delle armoniche e dei battimenti.
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Avere una relativamente bassa impedenza in uscita per renderlo interfacciabile con la maggior parte degli amplificatori e mixer.
Utilizzeremo anche in questo caso un triodo.
2 - Progettazione preamplificatore per chitarra elettrica: primo stadio
Prima di tutto occorre scegliere un triodo adatto all'amplificazione di un segnale alto che abbia una bassa amplificazione.
Fra le valvole commerciali la più comunemente utilizzata è il doppio triodo Ecc91 caratterizzato da un coefficiente di amplificazione di 38.
Di seguito le caratteristiche che ci interessano per la progettazione del circuito.
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Nell'immagine a destra estratta da un datasheet Mullard mostra visivamente i collegamenti interni della valvola, come potete vedere i catodi sono raggruppati in un unico elemento. Questo condizionerà il progetto, non essendo possibile trattare i catodi separatamente. E' possibile tuttavia polarizzare le griglie a potenziali negativi diversi utilizzando questo schema di seguito:
Nel disegno sopra l'esempio pratico di polarizzazione delle due griglie di controllo a potenziali diversi in una valvola doppio triodo a catodo unico.
Il potenziale di riferimento della prima griglia è dovuto alla posizione del trimmer R2 mentre per la seconda griglia il potenziale è dato dal valore di R2 non parzializzato.
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Nell'immagine sopra le caratteristiche anodiche di una valvola ecc91 prese da un datasheet Mullard. A destra la retta di carico con il punto di lavoro che vogliamo utilizzare.
Tenendo in considerazione il segnale da amplificare polarizzeremo la griglia oltre -4V (il segnale non riuscirà mai a renderla positiva).
Questo ci permette di mantenere molto alta l'impedenza di ingresso.
Ma facciamo un po' di calcoli per il primo stadio:
Nella figura sopra a destra si vede per che avere una corrente anodica di 2,5mA occorre una tensione anodica di 125V.
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Tenendo conto che la stessa tensione deve cadere sulla resistenza di carico la tensione di alimentazione dovrà essere di 250V.
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La resistenza Rk per produrre una caduta di tensione di 5,5V dovrà essere Vk=Ia*Rk quindi Rk=Vk/Ia=5,5/0,0025=2200 Ω (dove Vk è la tensione fra griglia di controllo e catodo, Ia è la corrente anodica, Rk è la resistenza da mettere fra catodo e massa). tenendo conto che la corrente che passa su Rk è il doppio (quella di tutte e due le sezioni della valvola) la resistenza definitiva dovrà essere la metà , quindi 2200/2=1100 Ω.
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Rc dovrà essere (Vcc/2)/Ia oppure Vrc/Ia=100.050 Ω=100KΩ circa, dove Vcc è la tensione di alimentazione del circuito, Vrc è la tensione che cade in regime statico sulla resistenza di carico (Rc).
Come vedete nulla di più facile.
Ma vediamo lo schema del preamplificatore.
Possiamo dividere lo schema nei seguenti blocchi per meglio comprendere i vincoli di progetto.
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P1=Potenziometro per dosare il segnale in ingresso. Determina con C1+R1+LDR l'impedenza di ingresso.
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C1+R1+LDR= filtro passa alto in ingresso. Contribuisce a determinare la banda passante per quello che riguarda la frequenza di taglio inferiore e l'impedenza di ingresso. Ponendo per R1 un valore di 100KΩ, la frequenza di taglio si calcola Ft=1/(2*PI*R1*C1) dove Ft è la frequenza di taglio del filtro e PI è pigreco. C1 va calcolato in modo che la frequenza di taglio sia il più bassa possibile. Con il valore indicato 100nF la frequenza di taglio è 15,9 Hz.
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R2=Rk calcolata precedentemente.
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C2=Occorre che abbia una capacità abbastanza alta per stabilizzare la tensione ai capi di R2 che funge da generatore per la tensione di riferimento di griglia controllo. Vista la bassa tensione in gioco possiamo tranquillamente mettere 100uF 25V. La costante di tempo R2-C4 è data da T1=R2xC4=0,22 Secondi. Più che sufficiente tenendo conto che se la minima frequenza riproducibile fosse 20Hz il tempo fra una sinusoide e la successiva sarebbe di 1/20=0,05 Secondi.
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R3=Rc anche questa calcolata in precedenza
3 - Progettazione preamplificatore compressore per chitarra elettrica: secondo stadio
Il secondo stadio è un amplificatore esattamente uguale al primo stadio, quindi:
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C3=100nF
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R4=1MΩ
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R5=100KΩ
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C4=100nF
Per quello che riguarda il compressore funziona su un principio ampiamente collaudato e di sicura efficacia.
Quando il segnale arriva ad un certo livello porta in conduzione il transistor NPN tr1 che accende il diodo led di un foto-accoppiatore la cui resistenza LDR è collegata sul circuito di ingresso in un partitore che varia la porzione di segnale che viene mandata all'amplificatore.
Più il diodo led si accende, più il valore resistivo di LDR si abbassa e più il segnale in ingresso viene ridotto.
Il foto-accoppiatore nel mio caso è stato costruito utilizzando una resistenza LDR e un diodo led verde, il tutto racchiuso in un tubetto di plastica nera completamente isolato dalla luce ambiente.
Il diodo led è stato scelto verde perché corrisponde alla lunghezza d'onda a cui l'LDR è più sensibile, quindi possiamo utilizzare una corrente minore per accendere il led.
Ma analizziamo nel dettaglio il componente utilizzato.
Si tratta di un LDR del tipo GL5528 caratterizzato da una resistenza che varia in funzione della luce con un comportamento schematizzato le grafico a sinistra.
Utilizzeremo un led da 5mm non troppo prestazionale e sottoalimentato, l'LDR è molto sensibile e alla distanza a cui sono posti il led e l'LDR il led a piena potenza è in grado di emettere migliaia di Lux.
Come vedete il suo valore varia da 35 a 100KΩ per 1Lux fino a 2-4KΩ per una luce di 100Lux. Dopo 10 secondi di buio il valore di resistenza dell'LDR arriva a 1MΩ.
Il grafico come vedete da un range di valori per ogni intensità luminosa, l'LDR ha un comportamento variabile influenzato dallo stato precedente, una specie di isteresi.
Il tempo di reazione di questo specifico componente è dell'ordine dei 20-30mS.
 | Il grafico come vedete da un range di valori per ogni intensità luminosa, l'LDR ha un comportamento variabile influenzato dallo stato precedente, una specie di isteresi. |
Essendo R1=100KΩ il valore del segnale in uscita dal partitore riferito all'ingresso va dal 50% a 1 Lux fino al 2% a 100Lux, quindi un grande intervallo di regolazione.
4 - Progettazione preamplificatore compressore per chitarra elettrica: circuito di controllo del guadagno
Questo circuito è composto da Tr1, il led e la relativa rete di polarizzazione. La soglia di intervento è determinata dalla tensione di polarizzazione diretta del diodo D3 e della giunzione Base-Emettitore di Tr1. Quindi indicativamente 1,2Vp, quindi il sistema inizierà ad intervenire per tensione del segnale di uscita di 2,4Vpp. Superata la soglia di conduzione la resistenza R7 determina la corrente di base di Tr1. Come transistor Tr1 ho utilizzato un BC171 che è caratterizzato da un guadagno di corrente per piccoli segnali superiore a 100 (hfe), va bene qualsiasi transistor NPN con caratteristiche di guadagno simili. Tenendo conto che sul led dovrà circolare una corrente molto bassa diciamo 1mA per avere una simile corrente di collettore sulla base dovrà scorrere una corrente di 1/100=0.01mA. Poi poniamo il massimo livello di uscita a 2Vp, quindi la tensione che cadrà sulla resistenza sarà di 2-1,2=0,8V. Quindi R7 sarà 0,8/0,00001=80KΩ. R9 invece servirà solo per limitare la massima corrente che passerà nel led, che accetta come massima corrente 20mA. Quindi (12-0,7)/0,02=565Ω. R8 è una resistenza di pull-down che serve per portare a massa la base del transistor in assenza di segnale in ingresso. In genere si utilizza un valore di 1MΩ. Il gruppo D1-D2-R6 serve per fare in modo che il condensatore C4 non si carichi attraverso il diodo D3 e la giunzione BE del transistor. Il valore di R6 deve essere uguale a R7. Per D1 e D2 si utilizzano del generici diodi al silicio, ad esempio gli 1N4001, ne utilizzeremo solo la soglia di conduzione diretta.
Quindi riassumendo:
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