Kondenzatorski mikrofon Swank Frank
(1 May 2012)
ABSTRACT
This condenser microphone project uses the EF13 tube, the capsule typically found in AKG C414XL microphones and a Studer microphone transformer. The schematic is an adaptation of the historical Neumann U47 tube microphone, adjusted to accommodate mid-budget (but still respectable) parts currently available on the market. The dynamic range of the finished microphone is very large, its background noise is negligible and polar pattern adjustment is accurate.
Key words:
condenser microphone, tube, EF13, capsule, Neumann U47
Izrada profesionalnog kondenzatorskog mikrofona je skup i tehnološki zahtjevan projekt, osobito kada želite napraviti mikrofon koji će karakteristikama moći parirati skupim komercijalnim proizvodima čije cijene nerijetko prelaze i 10.000 USD. Takvi se mikrofoni uglavnom sastoje od malo dijelova, od kojih je one najkritičnije nemoguće ili gotovo nemoguće napraviti u kućnoj radinosti, poput mikrofonske kapsule, aktivnog elementa koji služi kao pojačalo i transformator impedancije (uglavnom elektronska cijev), izlaznog transformatora te samog kućišta mikrofona. Uzmemo li za primjer najpoznatiji studijski mikrofon Telefunken/ Neumann U47 (na slici lijevo), po mnogima sveti gral mikrofona, upravo su navedena četiri elementa njegovi najskuplji i iznimno teško nabavljivi dijelovi koji, kako tvrde profesionalci, i određuju njegovu unikatnu kvalitetu (i, naravno, cijenu). Slična je situacija i s drugim cijenjenim mikrofonima, poput AKG-ovog C12 ili Telefunkenovog ELA M 251.
Svrha ovoga projekta nije reproducirati U47 model koristeći modernije, jeftinije i dostupnije dijelove jer, kako stvari stoje, u tome nisu uspjeli ni mnogi iskusniji i imućniji, već napraviti mikrofon koji će svojom kvalitetom opravdati uložen novac, ali i omogućiti daljnje eksperimente s različitim kapsulama i elektronskim cijevima te izlaznim transformatorima različitih dimenzija.
O cijevima, kapsulama i transformatorima
Da bi se postigla ovakva univerzalnost, kućište u prvom redu mora biti dovoljno veliko za prihvat najvećih elektronskih cijevi, zbog čega sam odlučio nabaviti kopiju tijela U47 mikrofona (i time svaka sličnost s U47 prestaje). Tijelo sam kupio putem interneta, na sljedećoj adresi: http://equinoxsystems.net/store/equ47/ (slika desno).
Sljedeći je korak izbor mikrofonske kapsule. Mogućnosti su mnoge, od nabavke originalnih Neumannovih kapsula K47 ili kapsula drugih renomiranih proizvođača (cijene i do 1,000 eura) pa sve do kupovine jeftinih opcija uglavnom kineskog podrijetla, kakve obično nalazimo u mikrofonima cjenovnog ranga od stotinjak dolara. Ja sam za ovaj projekt odabrao kapsulu koju je AKG koristio u mikrofonu C414XL jer mi je cijenom bila pristupačna, a kvalitetom se svrstava u zlatnu sredinu (slika ispod lijevo).
Odabir elektronske cijevi prilično je jednostavan. Cijev VF14, koja se izvorno koristila u mikrofonu U47, ne proizvodi se još od 50-ih godina prošloga stoljeća. Budući da je bila proizvedena u ograničenoj količini, sada ju je gotovo nemoguće nabaviti, a preostali rijetki primjerci dosežu cijenu i od preko 2.000 američkih dolara. Dakle, o njoj ne vrijedi ni razmišljati. Cijevi koje su se najčešće koristile u različitim reinkarnacijama U47 i ostalim kondenzatorskim mikrofonima su UF14, EF14 i EF12, koje danas koštaju od 50 do 200 USD. Cijev koja se također često koristila i koja se također više ne proizvodi je AC701k, ali se još uvijek može nabaviti, iako po prilično nepopularnoj cijeni od oko 500 eura. Osim navedenih, bilo je tu još i niz drugih, jeftinijih varijanti poput EC92, 12AY7 itd. Ja sam se odlučio za cijev EF13 (slika lijevo), koja je slična cijevi EF12, ali za razliku od nje ima mogućnost regulacije pojačanja. No, valja naglasiti da ta karakteristika, regulacija pojačanja, ne da nije nužna, već bi se moglo reći i da je nepoželjna u audio aplikacijama. Pa zašto sam onda uopće izabrao EF13!? Prvo, ovdje se cijev koristi u ekstremoj radnoj točki tako da regulacija pojačanja nije bitna jer ne dolazi do izražaja. Drugo, EF13 je zbog te svoje "mane" jeftinija od EF12. Treće, imao sam veće zalihe EF13 nego EF12. Četvrto, osobno mi bolje zvuči EF13. Peto, gotovo sam perverzno sklon kuriozitetima ovakvoga tipa. :)
Izlazni transformator ima dvije osnovne uloge. Jedna je prilagodba izlazne impedancije elektronske cijevi ulaznoj impedanciji mikrofonskog pojačala, a druga je galvansko i elektrostatsko odvajanje mikrofonskog pretpojačala od samog mikrofona kako bi se izbjegli brum i elektrostatske smetnje. Odnos transformacije obično iznosi od 15:1 do 6:1, ovisno o korištenoj cijevi. Ovdje se mogu koristiti razni transformatori, od više-manje uspješnih klonova originalnih transformatora pa do reverzno spojenih standardnih step-up transformatora koji se koriste u mikrofonskim pretpojačalima, što je upravo rješenje za koje sam se ja odlučio te stoga koristim kvalitetan Studerov mikrofonski transformator spojen u omjer 6:1.
Jedna od prilično važnih odluka jest i izbor načina polarizacije kapsule. Dva najčešće korištena spoja polarizacije kapsule mogu se vidjeti na primjerima Neumannovog stereo mikrofona SM69 (Slika 1) i AKG-ovog C24 (Slika 2).
 Slika 1 |
 Slika 2 |
Kod SM69, niti jedna elektroda kapsule nije spojena na masu te je upravljačka mrežica elektronske cijevi spojena direktno na jednu pomičnu (prednju) ploču kapsule. Nepomične su ploče polarizirane na +60V, dok se polarna karakteristika mikrofona mijenja promjenom polarizacijskog napona stražnje pomične kapsule, u rasponu od 0 do 120V. Za napon od 0V mikrofon ima kružnu karakteristiku, za napon od +60 ima srcoliku karakteristiku, dok za +120V ima karakteristiku u obliku broja osam.
Kod AKG-ovog mikrofona, jedna pomična ploča kapsule (prednja) spojena je na masu, a nepomične su kapsule polarizirane na +60V i preko veznog kondenzatora spojene na upravljačku mrežicu elektronske cijevi. Preostala pomična kapsula je, kao i kod Neumannovog mikrofona, spojena na promjenjivi napon kojim se određuje polarna karakteristika mikrofona. Odlučio sam se za varijantu koju koristi Neumann, za koju se u stručnoj literaturi tvrdi da ima nešto manji šum.
Shema mikrofonskog sklopa i vrijednosti elemenata
Shema kondenzatorskog mikrofona ne predstavlja ništa nova i prikazana je na slici ispod.
Vrijednosti elemenata dane su u prikazanoj tablici:
| R1, R8 | 1 Gohm |
| R2 | 4,7 Mohm |
| R3 | 100 kohm |
| R4 | 1,8 kohm |
| R5, R6 | 2,2 Mohm |
| R7 | 51 Mohm |
| C1 | 1,8 nF MKC |
| C2 | 47 uF/63V + 1,8 nF MKC |
| C3, C4, C7, C8 | 10 nF/250V MKP |
| C5 | 180 nF/250V MKP |
| C6 | 1,35 uF/250V MKP |
| V1 | EF13 |
| TR1 | Studer 1:6 mikrofonski transformator |
Shema ispravljača i praktična izvedba
Elementi su tehnikom p2p (point-to-point) postavljeni na eksperimentalnoj pločici, dok je elektronska cijev elastično pričvršćena pomoću izolatorske spužve za klima uređaje, koja bez problema podnosi radnu temperaturu cijevi. Podnožje za cijev nisam koristio jer ono zauzima prilično mjesta te sam pinove cijevi stoga lemio direktno u sklopu. S obzirom na mali broj pinova, eventualna zamjena cijevi može se lako i brzo izvesti, a izostavljanjem podnožja smanjuje se i mogućnost pojave lošeg kontakta i kvara mikrofona. Uz to, na ovaj se način elektronska cijev može pozicionirati tako da je rešetka što bliže mikrofonskoj kapsuli.
Mikrofon se pomoću 7-pinskog konektora i kabela spaja s ispravljačem koji napaja grijanje cijevi i daje visoki napon potreban za polarizaciju mikrofonske kapsule i anodni napon elektronske cijevi. Ispravljač je smješten u posebnu aluminijsku kutiju (pogledati galeriju), a shema je prikazana u nastavku teksta.
Stabilizirani anodni napon i napon za polarizaciju kapsule dobiva se pomoću stabilizatora IC1 LM783C i pripadajućih elemenata, dok se napon za grijanje cijevi dobiva pomoću stabilizatora IC2 LM317 i pripadajućih elemenata. Stabilizatori su pričvršćeni električki izolirano za dno kutije, koja služi za njihovo hlađenje. Oba sklopa realizirana su na eksperimentalnim pločicama budući da im je izvedba jednostavna a dijelova je malo. Transformator za napajanje ima dva sekundara: 110V/100mA i 10V/1A.
Na prednjoj ploči ispravljača nalaze se XLR konektori za spoj mikrofona i mikrofonskog pretpojačala te 11-položajni preklopnik u funkciji otpornog djelila, kojim se određuje polarna karakteristika mikrofona.
Mjerenja i dojmovi
Prvi mjerni rezultati i slušni testovi pokazali su da je dobiveni rezultat u potpunosti opravdao očekivanja te uloženo vrijeme i novac. Dinamički opseg mikrofona je vrlo velik, njegov pozadinski šum (određen šumom elektronske cijevi) je zanemariv, a podešavanje polarne karakteristike je precizno. Slušni testovi pokazali su, ukratko, da je mikrofon posebno prikladan za snimanje ženskih vokala, gdje daje određenu dubinu i toplinu ("baršunastu kvalitetu") .
U kućnoj radinosti izrazito je teško točno izmjeriti frekvencijsku i polarnu karakteristiku mikrofona. Za to je u pravilu potrebno imati gluhu komoru, skupocjene mjerne mikrofone i precizne izvore širokopojasnog šuma, diskretnih tonova i impulsnih signala.
Ovdje je prikazano jedno mjerenje koje se ipak može napraviti u DIY uvjetima i tako pružiti okvirnu informaciju o frekvencijskoj karakteristici mikrofona. U bliskom polju (near-field), mjernim B&K mikrofonom izmjerena je frekvencijska karakteristika kvalitetnih profesionalnih AKG slušalica. Zatim je ta frekvencijska karakteristika izmjerena ovim kondenzatorskim mikrofonom te je određena normalizirana razlika u mjernim rezultatima mjernog (tj. etalonskog) mikrofona i mikrofona kojega mjerimo. Rezultat je prikazan na donjoj slici.
Slika pokazuje da je frekvencijska karakteristika mikrofona izrazito linearna sve do područja najviše oktave, gdje postoji nadvišenje koje je djelomice rezultat i nepreciznosti u mjerenju. Blago izdizanje u području oko 2kHz te oštrija atenuacija u području 4-6kHz moglo bi objasniti raniji empirijski zaključak da je mikrofon pogodan za snimanje ženskih vokala jer je upravo to sibilantno područje, koje je u mnogim slučajevima potrebno ekvilizirati.
U svakom slučaju, mikrofon je sasvim uspio, od estetskog dojma do slušnih i mjernih rezultata te se bez ustezanja može koristiti i u profesionalnim studijima. S obzirom na fleksibilnost dizajna, projekt samograditeljima otvara i gotovo nebrojene mogućnosti eksperimentiranja s različitim cijevima, kapsulama, transformatorima... a time i prostor za prilagodbe vlastitim specifičnim potrebama i možebitna poboljšanja (ili pak pogoršanja, ovisno o vlastitim (ne)sposobnostima :)).
Galerija
 |
||||
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
|
COPYRIGHT NOTICE
This material is not public domain. It is provided for your personal use only and may not be reproduced, re-distributed, re-transmitted, copied or otherwise used in any form without the express written permission of the author. You may not upload this material to any public server, on-line service, network or bulletin board without the prior written permission of the author.
The use or copying of the contents of this page, in whole or in part, for any commercial purpose is expressly prohibited.