Jak bezgłośnie przełączać sygnały audio?

W tej rubryce przedstawiane są odpowiedzi na wybrane pytania dotyczące elektroniki, zawarte w komentarzach do postów i filmów, nadsyłane przez Patronów i Mecenasów. Wszystkie możliwości kontaktu podane są na stronie: Zapytaj, odpowiedz.

Dzień dobry Panie Piotrze, około 20–25 lat temu (?) (…) ukazał się pewien układ, był to prawdopodobnie jakiś efekt audio, typu pogłos bądź delay (…) który ukazywał, jak należy podłączyć przełącznik dwupozycjny tak, by przełączając się pomiędzy sygnałami „wet” oraz „dry” (rysunek 1) nie występowało charakterystyczne słyszalne „kliknięcie”. (…) Były tam jakieś kondensatory i rezystory podpięte do masy układu na liniach dry/wet oraz wyjściu (…) Jeśli mógłbym prosić o dwa słowa komentarza w tej sprawie byłbym bardzo wdzięczny. Pozdrawiam. Łukasz

Układ ma służyć do przełączania sygnałów zmiennych (audio), a stuki związane są z napięciami stałymi.

Najprościej biorąc: aby stuków nie było, napięcia stałe na wszystkich trzech wyprowadzeniach przełącznika muszą być identyczne.

Jeżeli jest to klasyczny przełącznik mechaniczny, najłatwiej przełączać sygnały na poziomie masy. Ideę ilustruje rysunek 2, gdzie kondensatory i rezystory zapewniają potencjał 0 V DC na trzech końcówkach przełącznika.

W praktyce może pojawić się problem kondensatorów, a ściślej ich prądów upływu. W układach efektów zapewne będą to kondensatory elektrolityczne. Jeżeli układ elektroniczny efektu byłby zasilany napięciem symetrycznym względem masy, to zgodnie z rysunkiem 3 pojawia się pytanie, jak włączyć „elektrolita” C2?

Chodzi o to, że kondensatory elektrolityczne są biegunowe. Najogólniej biorąc, jeżeli podczas pracy ma na nich występować napięcie stałe, to powinno mieć ono konkretną biegunowość. Jeżeli napięcia stałego nie będzie, a ściślej gdy będzie ono miało wartość zero, to kierunek włączenia jest dowolny. W grę wchodzą też pewne dodatkowe subtelności oraz różnica między kondensatorami elektrolitycznymi zwykłymi – aluminiowymi, a tantalowymi (i ewentualnie polimerowymi), ale to oddzielny temat.

W jakimś stopniu aktualny pozostaje też, zasygnalizowany na rysunku 3, problem dotyczący biegunowości kondensatorów C1 i C3.

Jednak w praktyce kwestia najczęściej dotyczy głównie C2 przy zasilaniu układu napięciem symetrycznym. Wątpliwości co do kierunku włączenia „elektrolita” C2 nie ma, gdy efekt zasilany jest napięciem pojedynczym według rysunku 4.

Biegunowość to jedna sprawa, a druga to fakt, że jeżeli zwykłe aluminiowe „elektrolity” przez jakiś czas pozostają bez napięcia stałego, to wzrasta ich prąd upływu – ulegają tzw. rozformowaniu. Gdy pozostają pod napięciem stałym, to ich prąd upływu jest znikomy, pomijalny, bowiem pod wpływem napięcia stałego następuje swego rodzaju samoregeneracja cieniuteńkiej warstewki dielektryka, którym jest tlenek glinu.

W praktyce może to oznaczać, że jeżeli urządzenie (efekt) przez dłuższy czas nie jest używane, to nawet prawidłowo włączone aluminiowe „elektrolity” mogą ulec większemu lub mniejszemu rozformowaniu. Po włączeniu zaczną się one pomału samoczynnie formować, ale na początku przez jakiś czas mogą przy przełączaniu występować stuki (coraz mniejsze z upływem czasu pracy i formowania „elektrolitów).

Od dawna zamiast klasycznych przełączników mechanicznych i przekaźników stosowane są przełączniki – klucze elektroniczne, najczęściej w postaci specjalizowanych zespołów komplementarnych tranzystorów MOSFET. W tańszych układach często są to popularne klucze analogowe CMOS 4000, głównie 4066, ale też 4051…4053.

Wtedy generalna zasada jest taka sama: aby uniknąć stuków, na wszystkich wyprowadzeniach przełącznika elektronicznego muszą panować identyczne napięcia stałe.

W przypadku przełączników elektronicznych z tranzystorami CMOS w grę wchodzi jeszcze jeden problem: to napięcie stałe na końcówkach powinno być równe połowie całkowitego napięcia zasilania. Pozwoli to na pracę z dużymi sygnałami, a przy mniejszych pozwoli minimalizować zniekształcenia. W przypadku kluczy 4066 zasilanych napięciem pojedynczym na wyprowadzeniach przełącznika ma występować napięcie stałe różne połowie napięcia zasilania i nie jest możliwe przełączanie na poziomie masy. Układy CMOS 4051…53 oprócz VDD i GND (VSS) mają dodatkową, trzecią końcówkę zasilania VEE, co pozwala zasilać je napięciem symetrycznym, a wtedy przełączanie może następować na poziomie masy. To są jednak odrębne zagadnienia, zasługujące na oddzielny artykuł.

W każdym razie, gdyby w układzie z przełącznikiem mechanicznym lub elektronicznym podczas przełączania występowały stuki, należy sprawdzić napięcia stałe na wszystkich wyprowadzaniach w obu położeniach przełącznika.

Uwaga! Należy pamiętać, że woltomierz ma jakąś rezystancję wewnętrzną, która może zafałszować taki pomiar. Zwłaszcza gdy w grę wchodzą niewielkie upływności. W lepszych multimetrach cyfrowych rezystancja wejściowa wynosi 10 MΩ, w najtańszych 1 MΩ, a w miernikach wskazówkowych – jeszcze mniej. To też oddzielny temat: jak zmierzyć napięcie stałe, żeby ani trochę nie obciążyć badanego obwodu.

Gdyby okazało się, że napięcia stałe na wyprowadzeniach przełącznika nie są idealnie jednakowe, trzeba poszukać przyczyn i je usunąć. Jeżeli problemem są zwykłe, aluminiowe „elektrolity”, należałoby je wymienić na lepsze, na przykład tantalowe, a najlepiej na kondensatory stałe, foliowe. Dziś dostępne są stałe, niebiegunowe kondensatory ceramiczne o pojemnościach do 100 µF. W układach efektów można je wypróbować. Jednak generalnie nie są one polecane do toru sygnałowego audio z uwagi na fatalne niektóre parametry i możliwość wprowadzania zniekształceń. To też odrębny temat.

A jeżeli chodzi o różne sposoby przełączania sygnałów audio za pomocą szybkich kluczy elektronicznych, to wyższą szkołą jazdy jest inteligentne przełączanie przy przejściu sygnału audio przez zero. Wyłączenie jednego sygnału dokładnie „w zerze sygnału” i włączenie drugiego toru z maleńkim opóźnieniem dokładnie wtedy, gdy sygnał w tym drugim kanale przechodzi przez zero. Jest to łatwe do realizacji w systemach cyfrowych, a w analogowych takie przełączanie wymagałoby dodatkowych, dość skomplikowanych obwodów pomocniczych. ©

 Piotr Górecki