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Progetto preamplificatore microfonico per microfono dinamico

Il microfono dinamico

Questo tipo di microfono è sostanzialmente l'applicazione inversa di un altoparlante dinamico.
La membrana che viene sollecitata dalla pressione acustica è solidale ad una piccola bobina che si muove in un campo magnetico costante.
La bobina mobile del microfono dinamico non può avere molte spire, deve avere una massa molto piccola per avere una bassa inerzia e poter essere messa in movimento dalle frequenze più alte della gamma audio.
In genere questi microfoni forniscono all'uscita pochi mV.
Da qui la necessità di utilizzare dei preamplificatori particolarmente sensibili e silenziosi per avere poi un buon rapporto segnale/rumore. Questo tipo di microfono, come valori di tensione all'uscita è assimilabile ad un pickup per chitarra elettrica, quindi il preamplificatore può essere utilizzato anche a questo scopo senza modifiche.

Caratteristiche del preamplificatore per microfono dinamico

Quello che progetteremo sarà un preamplificatore basato su uno schema classico con meno componenti possibile.
Un preamplificatore per questo tipo di microfono deve avere le seguenti caratteristiche:

  • Produrre meno rumore possibile, quindi occorre usare una valvola particolarmente silenziosa per avere un buon rapporto segnale/rumore.
  • Avere una grande amplificazione in modo da portare il segnale da pochi mV ad una ampiezza compatibile con l'ingresso di un amplificatore o di un mixer.
  • Avere possibilmente una bassa microfonicità.
  • Avere una banda passante da 50Hz a 15Khz che corrisponde alla risposta in frequenza della maggior parte di questi microfoni.
    In realtà essendo principalmente utilizzati per la voce umana si può, all'occorrenza, limitare ulteriormente l'estensione sugli acuti allo scopo di ridurre ulteriormente il rumore.
  • Avere una bassa impedenza in uscita per renderlo interfacciabile con la maggior parte degli amplificatori e mixer.

La scelta obbligata è il triodo.
E' la tipologia di valvola che produce minor rumore in assoluto.
Inoltre per limitare ulteriormente il rumore il triodo va fatto funzionare limitando la carica spaziale in prossimità del catodo (per approfondimenti leggere la trattazione sul rumore nelle valvole).

Tenendo conto che il rumore equivalente all'ingresso di un triodo in genere non supera il uV (in genere nei casi migliori 0,2 uV) il rapporto fra segnale e rumore in questo caso è superiore a 1000.
Espresso in dB è maggiore di 20log(Vs/Vn)=60dB dove Vs è il valore del segnale espresso in Volt e Vn il valore del rumore espresso in Volt.
Nei casi migliori con un buon microfono e un buon triodo dove Vs=2mV e Vn=0,2uV il rapporto segnale rumore sarà di 80dB.

Progettazione preamplificatore microfonico per microfono dinamico

Prima di tutto occorre scegliere un triodo adatto all'amplificazione di un segnale molto basso che abbia una grande amplificazione.
Fra le valvole commerciali la più comunemente utilizzata è il doppio triodo 12ax7/Ecc83 o la variante russa 6n2p che differisce unicamente per la tensione di alimentazione del filamento.

Caratteristiche anodiche ecc83 philips Caratteristiche anodiche ecc83 philips

Nell'immagine sopra le caratteristiche anodiche di una valvola ecc83 prese da un datasheet Philips.
Tenendo in considerazione il segnale da amplificare è inutile polarizzare la griglia oltre -0,5V (il segnale non riuscirà mai a renderla positiva).
Questo ci permette con una corrente anodica accettabilmente alta di avere una tensione anodica relativamente bassa.

Ma facciamo un po' di calcoli per il primo stadio:

Nella figura sopra a destra si vede per che avere una corrente anodica di 1mA occorre una tensione anodica di 90V.

Come vedete nulla di più facile.
Ma vediamo lo schema del preamplificatore.

schema elettrico preamplificatore per microfono dinamico

Possiamo dividere lo schema nei seguenti blocchi per meglio comprendere i vincoli di progetto.

  • C1+R1= filtro passa alto in ingresso. Determina la banda passante per quello che riguarda la frequenza di taglio inferiore e l'impedenza di ingresso. La frequenza di taglio si calcola Ft=1/(2*PI*R1*C1) dove PI è pigreco. C1 va calcolato in modo che la frequenza di taglio sia il più bassa possibile. Con il valore indicato 1uF la frequenza di taglio è 1,5 Hz. L'impedenza di un microfono dinamico è abbastanza bassa quindi non occorre aumentare troppo il valore di R1.
  • R2=Rk calcolata precedentemente.
  • R3=Rc anche questa calcolata in precedenza
  • C2= condensatore di disaccoppiamento. Con R4 costituisce un filtro passa basso che taglia a 4,8 Hz. R4 deve essere molto minore di R3 per non caricare V1 con una impedenza troppo bassa.
  • R5= resistenza catodica della valvola V2. E' calcolata per fornire una caduta di 1,5V che alla tensione anodica di 180V (V2) determina una corrente anodica di 1mA.
  • C3=condensatore di disaccoppiamento per lo stadio successivo. E' stato scelto di capacità abbastanza grande per non limitare la banda passante.

La prima valvola V1 si comporta come un amplificatore di tensione (guadagno circa 100 volte) mentre la valvola V2 è un adattatore di impedenza per lo stadio successivo.
Il tutto è stato realizzato con un doppio triodo Ecc83.
Tenendo conto di una tensione di 2-5mV che in genere fornisce un microfono dinamico collocato vicino alla fonte del suono (strumento o bocca) la tensione in uscita avrà un valore di 200-500mV.

Tutte le resistenze dissipano una potenza minore di 1/4 di Watt.

Amplificazione e numero di valvole utilizzate

E' sempre meglio utilizzare il numero minimo possibile di valvole, questo per ovvie ragioni di costi (costi diretti per le valvole e indiretti per l'alimentazione e tutti i componenti di supporto) ma sopratutto dove il costo non sia influente, per ragioni di rumore introdotto.
In questo caso abbiamo utilizzato un'unica valvola, un doppio triodo in cui la prima sezione è l'amplificatore vero e proprio e la seconda funge da adattatore di impedenza.
Se il livello del segnale in uscita non basta occorre mettere un terzo stadio amplificatore di tensione lasciando inalterato il primo stadio che garantisce una amplificazione tale che il segnale non possa essere "sporcato" dal rumore della seconda valvola amplificatrice, ne dalle successive.
Mettere due stadi successivi utilizzando la Ecc83 non è opportuno, l'amplificazione sarebbe troppo alta (10.000) quindi è meglio utilizzare una valvola con un guadagno più basso.
Per la prima valvola è fondamentale lavorare sul rumore aggiunto al segnale, mentre la distorsione è trascurabile lavorando su una porzione della retta di carico molto piccola, per le successive diventa più importante mano a mano che il valore del segnale aumenta ed aumenta proporzionalmente l'ampiezza della caratteristica anodica utilizzata.

Considerazioni sull'alimentazione

Essendo il segnale di ingresso molto basso è fondamentale avere a disposizione un alimentatore particolarmente "silenzioso", magari filtrato con un diodo zener con in parallelo un condensatore per eliminare il rumore prodotto da quest'ultimo.

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