Simex BA-600/480/150 Modifiointiohje

Pari varoitusta!

1. Luonnollisesti en ota vastuuta jos onnistut rikkomaan Simexisi tällä ohjeella, mutta olen itse tehnyt saman operaation kahdelle yksilölle, eikä kumpikaan ole siitä suuttunut. Muutenkin näitä muutoksia on pidettävä perustiedot komponenttien juottamiseen vaativana. Jos et ole ikinä ennen rakennellut mitään, suosittelen, että käännyt sellaisen henkilön puoleen, jolla on kokemusta komponenttien juottamisesta ja irroittamisesta piirilevyltä.

2. Varoitus liittyy refleksi- tai passiivisäteilijäkotelon käyttöön. Aliäänisuodin katoaa boost-piirin poiston myötä joten sitä suojaa elementin pohjaamiselle ei enää ole. Toistokaista ulottuu lähelle tasajännitettä, luullakseni -3 dB on parin hertsin luokkaa.

Se varoituksista ja asiaan:

Tyypillisimmät muutostarpeet lienevät jotain seuraavista:

• Subsonicin vaihto alipäästöksi, jolloin alipäästösuotimen jyrkkyys kasvaa
• Subsonicin taajuuden / korostuksen muutos
• Alipäästön suotoalueen muuttaminen

Koska olen saanut paljon kyselyitä komponenttiarvojen laskemisesta, olen päättänyt hiukan luistaa alkuperäisestä suunnitelmasta olla suosittelemasta mitään tiettyä modifikaatiota. Esimerkkimodifikaatioita löytyy tämän dokumentin lopusta. Hiukan apua saattaa olla tekemästäni Excel-taulukosta, jolla voi laskeskella taajuusvastetta suotimien osalta, ja kokeilla mitä komponenttiarvojen muutokset vaikuttavat.

Olen myös tutustunut BA-150:n sisuskaluihin äskettäin, joten siitäkin voisin kirjoittaa, jahka ehdin. Kytkentä on jälleen hyvin samantapainen, ainoastaan komponenttireferenssit poikkeavat.

Allekirjoittanut haluaa kiittää Antti Jylkkää BA-480:n alipäästön suodinkomponenttien sijaintikuvan toimittamisesta.

Alkuperäisen boost/subsonic-kytkennän analyysi

Alkuperäinen kytkentä on seuraavanlainen:

Alkuperäinen kytkentä on toisen asteen Sallen-Key-tyyppinen ylipäästö. Texas Instrumentsin sovellustiedote " Analysis of the Sallen-Key architecture " sisältää kytkennän analyysin.

Kytkentä on mitoitettu em. sovellustiedotteen kohtaa 4.2. soveltaen. Kytkennän vahvistus on asetettu ykköseksi, josta saadaan seuraavat merkinnät:
R24 = mR, R23 = R, C13 = C ja C14 = nC. Kytkennässä vakion n arvo on C14/C13, eli n=1. Vastaavasti m = R24/R23, eli m=180k/18k=10. Q-arvo voidaan määrittää vakioiden m ja n avulla:

    sqrt(m*n)   sqrt(10*1)    3.1623 
Q = --------- = ---------- =~ ------ =~ 1.5811
     n + 1        1 + 1         2

Suotimen Q-arvo on tunnetusti sen korostus ominaistaajuudellaan. Simexin suodin korostaa siis 20*lg(1.5811) =~ 4 dB ominaistaajuudellaan.

Ominaistaajuus voidaan laskea sovellustiedotteen perusteella kaavasta

            1                         1
fc = ------------------ = --------------------------- =~ 27.96 Hz
     2*PI*R*C*sqrt(m*n)   2*PI*18e3*100e-9*sqrt(10*1)

Korostuksen huipputaajuus ei ole kuitenkaan sama kuin suotimen ominaistaajuus. Lisäanalyysi on esitetty kirjassa Filter Design For Signal Processing, Lutovac M. D, Dejan, V. T., Evans, B. L., Prentice-Hall, 2001.

Em. kirjan sivulla 145 suotimen korostuksen maksimiarvo saadaan kaavasta (4.20):

               Q                  1.5811
Gpeak = ----------------- = ------------------------ =~ 1.67 => 4.44 dB 
        sqrt(1-1/(4*Q^2))    sqrt(1-1/(4*1.5811^2))

              fc                    27.96 Hz 
fpeak = ----------------- = ----------------------- =~ 31.26 Hz
        sqrt(1-1/(2*Q^2))   sqrt(1-1/(2*1.5811^2))

                                   
f3 = sqrt(fp^2*(1/(2*Qp^2)+sqrt(1-4*Qp^2+8*Qp^4)/(2*Qp^2)-1))

   = sqrt(27.96^2*(1/(2*1.5811^2)+sqrt(1-4*1.5811^2+8*1.5811^4)/(2*1.5811^2)-1))

   =~ 19.38 Hz

                   f^2                                       f^2
G(f)  = ------------------------------- = ------------------------------------------
        sqrt(f^2*(fc/Q)^2+(f^2-fp^2)^2)   sqrt(f^2*(27.96/1.5811)^2+(f^2-27.96^2)^2)

Alkuperäisen alipäästösuotimen analyysi

Alkuperäinen suotimen kytkentä on seuraava:

Kuten myös ylipäästösuotimen tapauksessa, kytkennän vahvistus on 1. Koska kytkennän vastus koostuu potentiometrin ja kiinteän vastuksen sarjaankytkennästä, merkataan Ra = R1+P1a ja Rb = R2 + P1b.

Em. sovellustiedotteen perusteella saadaan tällöin seuraavat relaatiot: Ra=mR, Rb=R, C2=C ja C1=nC. Oletetaan säätö säädetyksi minimitaajuudelle. Potentiometrien P1a ja P1b arvo on 20k ja vastusten R1 ja R2 arvo on 8.2k. Siispä Ra = Rb = 8.2k + 20k = 28.2k. Näin ollen m = 1. Vastaavasti vakion n arvo on n = C1/C2 = 120 nF/82 nF = 1.4634.

Suotimen Q-arvo (kaikissa potentiometrin P1 asennoissa sama) saadaan kaavasta

    sqrt(m*n)   sqrt(1*1.4634)   1.20972
Q = --------- = -------------- = ------- = 0.60486
      m + 1         1 + 1           2

                1                         1
fc_min = ----------------- = -------------------------------- = 56.90 Hz
         2*PI*R*C*sqrt(m*n)  2*PI*28.2e3*82e-9*sqrt(1*1.4634)

                1                         1
fc_max = ----------------- = ------------------------------- = 195.66 Hz
         2*PI*R*C*sqrt(m*n)  2*PI*8.2e3*82e-9*sqrt(1*1.4634)

f3_min = fc_min * Sqrt(1-1/(2*Q^2)+1/2*Sqrt((1-4*Q^2+8*Q^4)/Q^4))

       = 56.90 Hz * Sqrt(1-1/(2*0.60486^2)+1/2*Sqrt((1-4*0.60486^2+8*0.60486^4)/0.60486^4))

       =~ 47.55 Hz

f3_max = fc_max * Sqrt(1-1/(2*Q^2)+1/2*Sqrt((1-4*Q^2+8*Q^4)/Q^4))

       = 195.66 Hz * Sqrt(1-1/(2*0.60486^2)+1/2*Sqrt((1-4*0.60486^2+8*0.60486^4)/0.60486^4))

       =~ 163.52 Hz

                  fc^2
G = --------------------------------
    sqrt(f^2*(fc/Q)^2+(f^2-fc^2)^2)

Subsonic/boostin vaihtaminen 12 dB/okt alipäästöksi

1. Mitoitus

1.1. Päätä ensin mistä haluat alkamaan tuon ylimääräisen 12 dB/okt suodatuksen. Nimitetään tätä taajuutta tunnuksella fc. Q-arvo on helpointa valita 1/sqrt(2):ksi, eli 0.707:ksi joten tällä taajuudella lisäsuotimen vaimennus on -3 dB, ja jyrkkyys kasvaa nopeasti 12 dB/okt arvoon tämän taajuuden yläpuolella. 100 Hz on hyvä oletusarvo, voit kyllä vaihtaa myöhemmin vastuksia, jos se ei tunnu hyvältä.

1.2. Valitse kondensaattorin arvo. Tähän kohtaan joudut palaamaan myöhemmin, jos vastukset tulivat liian pieneksi/suureksi. 100 nF on hyvä lähtöarvo. Nimitetään tätä kondensaattoria tunnuksella C. Tarvitset 3 kpl samanlaista kondensaattoria.

1.3. Laske vastuksen arvo kaavasta

R = 1/(2*pi*sqrt(2)*C*fc)

1.4. Jos vastus R on väliltä 10k - 100k, niin kaikki on hyvin. Muussa tapauksessa jos vastusarvo tuli yli 100k, isonna kondensaattoria, muussa tapauksessa pienennä kondensaattoria. Pyöristä lähimpään saatavaan E12 vastusarvoon. Tarvitset 2 kpl näitä vastuksia. Voit laskea täten saadun suodatustaajuuden kaavalla

f = 1/(2*pi*sqrt(2)*R*C)

2. Komponenttien vaihtaminen

2.1. Irroita kaikki ruuvit suodinpiirilevyn kohdalta vahvistimen "paraatipuolelta".

2.3. Irroita piirilevy siitä mustasta kehyksestä hienovaraisesti puukolla leikkaamalla piirilevyn ja mustan kehyksen välistä. Ellei levy ala irtoamaan, tarkista, että kaikki ruuvit ovat todellakin irti. Levyn pitäisi irrota aika helposti, jos ruuvit ovat irti.

2.4. Paikanna ja irroita komponentit C13, C14, R23 ja R24 piirilevyltä:



Tuolta seutuvilta tarkempi kuva:


Komponentit irroitettuna:

2.5. Juota äsken lasketut vastukset R C13 ja C14 paikalle:

2.6. Juota yksi kondensaattori R24 paikalle sekä kaksi kondensaattoria rinnankytkettynä R23 paikalle:



Kuvassa on käytetty erilaisia kondensaattoreita, mutta niiden nimellisarvot ovat samat, tehkää te siistimmin (älkää tehkö niinkuin minä teen, vaan niinkuin opetan!).

3. Sitten ei kun vaan piirilevy paikalleen ja kuuntelemaan.

Subsonicin korostustaajuuden/voimakkuuden muuttaminen

Komponentit ovat samat kuin alipäästösuotimen tapauksessa.

1.Valitse ensin korostuksen määrä ja taajuus. Mitä suurempi korostus, sitä kapeammalla taajuusalueella se vaikuttaa. Suuri korostus huonontaa myös transienttitoistoa, sitä enemmän mitä suurempi on korostus. Merkataan korostuksen määrää desibeleinä tunnuksella Gpeak_dB ja korostustaajuutta tunnuksella fpeak. Korostusarvon on oltava positiivinen. Erikoistapauksena saadaan 2. asteen butterworth-ylipäästösuodin, jos korostusmäärä on 0 dB (vahvistus Gpeak=1).

2.Lasketaan tarvittava suotimen ominaistaajuus (fc) ja Q-arvo (Qp). Muunnetaan ensin tarvittava korostusmäärä absoluuttiarvoksi:

Gpeak = 10^(Gpeak_dB/20) 

     Sqrt(Gpeak^2+Sqrt(Gpeak^4-Gpeak^2))
Qp = -----------------------------------
                Sqrt(2)

fc = fpeak * Sqrt(1-1/(2*Qp^2))

3. Valitaan kondensaattoreiden arvo C ja lasketaan vastusten R23 ja R24 arvot. Tämä kondensaattori C tulee C13 ja C14 tilalle. Kannattaa kokeilla laskea vastusten arvot oletuskondensaattoreilla, C13 ja C14. Molemmissa modifioimissani yksilöissä kondensaattorit C13 ja C14 olivat arvoltaan 100 nF.

Kondensaattorit kannattaa pitää samanarvoisina, siispä n=1. Täten vakio m määrää Q-arvon:

m = 4*Qp^2

                 1
R = R23 = -----------------
          2*PI*C*fc*sqrt(m)

R24 = m*R

4. Vaihda äskenlasketut komponentit alkuperäisten tilalle.

Alipäästösuotimen modifioiminen

Alipäästöön vaikuttavat komponentit löytyvät erilliseltä säädinpaneelilta, johon myös jakotaajuuden säätö on sijoitettu:



1. Valitse säätöalueen yläraja (-3 dB) f3max, sekä suotimen Q-arvo. Q-arvoksi 0.707 on hyvä lähtökohta. Se tarjoaa hiukan alkuperäistä jyrkemmän vasteen laskun rajataajuuden ympäristössä. Sillä myöskin kondensaattorien arvojen suhteeksi tulee 2, joten toisen konkan saa tehtyä kytkemällä kaksi kondensaattoria rinnakkain. Alkuperäisillä arvoilla maksimisuodatustaajuus on aivan liian korkea, joten säätöalueen pienentäminen kannattaa. Suuremmilla Q-arvoilla vaste alkaa piikittämään ennen rajataajuutta, joten tuosta suuremmaksi arvoa ei kannata nostaa.

2. Valitse kondensaattorin C arvo ja laske ylärajataajuuden perusteella pienin tarvittava vastusarvo. 100 nF on hyvä lähtökohta kokeiluille. Muokkausta rajoittaa se tosiasia, että suotimessa potentiometrin arvo on 20k, joten rajat ovat rajoitetusti muutettavissa. Kondensaattorit C1 ja C2 joutuu vaihtamaan, jos Q-arvoksi valitsee jotain muuta kuin valmistaja, eli 0.605.

Ensin lasketaan tarvittava ominaistaajuus fc, halutulle Q-arvolle ja halutulle -3 dB taajuudelle:

                         f3max               
fc = -----------------------------------------------
     Sqrt(1-1/(2*Q^2)+1/2*Sqrt((1-4*Q^2+8*Q^4)/Q^4))

m = 4*Q^2

                  1
R1 = R2 =  -----------------  
           2*PI*C*fc*sqrt(m)

                1
fc_min = ----------------
         2*PI*R*C*sqrt(m)

f3_min = fc_min * Sqrt(1-1/(2*Q^2)+1/2*Sqrt((1-4*Q^2+8*Q^4)/Q^4)) 

Simex BA-150 / BA-480 / BA-600 osien vastaavuustaulukko

Simex BA-600, BA-480 ja BA-150 ovat suotimien kytkennältään melko samanlaisia. Alipäästösuodin ja subsonic/boost ovat täysin identtisiä. Allaolevasta taulukosta löytyvät osien vastaavuudet.

Subsonic/boost-komponenttien vastaavuustaulukko
BA-600	BA-480	BA-150
C13	C14	C10
C14	C15	C11
R23	R26	R26
R24	R27	R27

Alipäästön komponenttien vastaavuustaulukko
BA-600	BA-480	BA-150
R1	R28	R31
R2	R29	R32
C1	C16	C12
C2	C17	C13

BA-480:n subsonicin komponenttien sijainnista on alla kuva:



Vastaavasti alipäästösuotimen komponentit löytyvät näistä paikoista:

Luultavaa on, että myös BA-300 on melkolailla samanlainen. Käsiini vaan ei ole päätynyt yhtään yksilöä.

R = 1/(2*pi*sqrt(2)*100E-9*100) = 11.2 k 

fc = 1/(2*pi*sqrt(2)*100E-9*12000) = 93.8 Hz

C = 1/(2*pi*28200*sqrt(2)*18) = 221 nF 

fmin = 1/(2*pi*28200*sqrt(2)*220e-9) = 18.1 Hz

fmax = 1/(2*pi*8200*sqrt(2)*220e-9) = 62.4 Hz

Viimeksi päivitetty 5.11.2003

© Janne Ahonen 2002-2003.