Proyectos Hi-Fi

Preamplificador para cápsula de Bobina Móvil SC-M70

Stereo Control (preamplificador) Moving Coil modelo tipo 7 (gama media-alta)
SONY PS-8750.jpg

Este es mi plato SONY PS-8750, no tengo una buena foto, así que use esta de internet.

Si bien cualquier plato tornamesa sirve para oír discos, los verdaderos entusiastas del vinilo saben que la calidad que de sonido que se puede obtener queda severamente limitada en un plato muy básico, por eso existen infinidad de opciones para mejorar la calidad del sonido que se puede recuperar de sus discos favoritos, primero las platos con patas especiales, que permiten ajustar la perfecta horizontalidad del plinto y aislarlo completamente de las vibraciones que se cuelen por la mesa de apoyo, segundo, los tornamesa con plinto rígido y pesado, construidos de un material especial que dado su Módulo de Young permite autoabsorber las vibraciones y no entrar ellos mismos en resonancia, tercero, los sistemas de tracción de bajo roce, el roce o fricción es la que crea el graznido de fondo o rumble típico de los platos malos o mal mantenidos, a esto se agrega la vibración de los sistemas de tracción, cuarto, el motor del plato es de lo mas importante, normalmente es un gran motor síncrono de corriente alterna montado en una base suspendida, en los casos mas extremos se monta separado del plinto o cuerpo del propio plato, quinto, la plataforma giratoria de los buenos platos no solo es de aluminio vaciado a presión y balanceado para que no cabecee, sino que también esta neutralizada su vibración con material absorbente (si como la caja de un altavoz), así es el SONY PS-8750, sexto, el brazo, este es de lo mas importante, de hecho todo el sonido depende de él, debe ser rígido y ligero, su eje de ofrecer una mínima fuerza de seguimiento y su longitud debe ser superior a los 240 mm para garantizar un mínimo ángulo de error de seguimiento, séptimo, la concha, si es blanda el sonido será blando como el plástico, si esta bien diseñada contribuirá con un sonido detallado y cristalino, aunque puede pasarse y sea necesario compensarla con una lámina separadora en entre ella y el cartucho de material blando, octavo, el cartucho, preferiblemente de bobina móvil y con aguja Shibata (pirámide invertida) que encaja perfectamente en el surco que deja la fresa del trono que talla el disco, noveno, el cableado debe ser de primera y no debe contribuir con el ruido de fondo, cosa especialmente importante para los cartuchos de bobina móvil.Audio-Technica-AT-150Sa-MM-Cartridge-with-Shibata-Stylus.jpg

Un apunte especial se merecen las agujas, en los ´80s se avanzo muchísimo; las nuevas agujas con tallados elípticos, hiperelípticos y finalmente las pirámides invertidas de Shibata que se montaron en vástagos o cantilevers cilíndricos reforzados y extremadamente ligeros hechos de berilio.

De entre esta familia de novedades están los cartuchos de bobina móvil (moving coil) que tienen una impedancia de salida bajísima y una masa en movimiento mínima que permiten obtener un sonido cristalino y nítido como otra tecnología no es capaz de lograr.

El problema esta en los cartucho de bobina móvil se comportan eléctricamente diferente de los cartuchos normales de imán móvil y reluctancia variable, se diferencian en dos cosas, la primera es que la impedancia de salida es muy baja, eso en principio es muy bueno, pero a costa de generar una señal muy pequeña, segundo, la señal inducida por un cartucho de imán móvil es de 3 a 9 miliVolts, mientras la señal inducida por un cabezal fonocaptor de bobina móvil es de 80 uVolts a 400 uVolts, es decir, la señal inducida es minúscula, tan pequeña que al conectar un cartucho de estos a la entrada Phono de un Preamplificador/Amplificador Integrado no podrá oírse nada, de hecho la señal es tan pequeña que los contactos bimetálicos como los terminales RCA es un problema, se prefiere que tanto el terminal de salida (macho), como la hembra del amplificador estén bañados en oro para reducir al mínimo el ruido de contacto, los audiófilos mas exigentes preferirán soldar los cables, pues para los cartuchos habrán hasta 7 contactos:

Primero, el contacto entre la propia capsula fonocaptora (el cartucho) y los 4 cables dentro de la HeadShell (la concha) allí habrá un contacto bimetálico.

Segundo, el contacto entre esos mismos cables y el terminal de la concha.

Tercero, el contacto entre los terminales de la concha y los del brazo.

Cuarto, el contacto entre el terminal DIN especial en la base del brazo lector y el plinto del tornamesa.

Quinto, el contacto entre los terminales RCA hembra del plato tocadiscos (los platos buenos como el SONY PS-8750) no tiene empotrados los cables de salida.

Sexto, los terminales RCA de entrada del amplificador.

Séptimo, los terminales de contacto del selector de fuente de señal.

Para poder conducir esa minúscula señal deberá utilizarse un cableado del primera y agregar un bloque de amplificación adicional, este amplificador especial se conecta entre el cartucho moving coil y la entrada Phono normal, este amplificador es muy particular, debe tener un ruido de fondo ínfimo, una impedancia de entrada muy pequeña y una ganancia de unos 20 dB o más.

Un preamplificador Moving Coil es la puerta para acceder al mejor sonido que los sistemas analógicos son capaces de dar, se basa en un circuito muy simple, a veces solo dos transistores por canal, los preamplificados para capsula de bobina móvil son los equipos mas simples que puede tener una cadena de audio seria.

Esencialmente no requieren de altos costos para su implementación, de hecho en Venezuela se podría fabricar un preamplificador MC por solo 20 dólares.

Pero primero hay que rebasar algunas limitaciones.

El sonido que permite un cartucho de bobina móvil es más detallado y claro debido que la masa que debe vibrar para inducir la señal es menor que en un cartucho de imán móvil esto es debido a una simple razon: una bobina de pocas vueltas de alambre es mas ligera que un imán.  La señal que induce un cartucho de bobina móvil es muy pequeña, de hecho es minúscula, es menos señal que la que induce una antena, con lo que el ruido propio del preamplificador puede ser un problema grave, por esta razón se seleccionan componentes de muy bajo ruido propio para que el ruido total de la etapa de amplificación sea el menor posible.

El voltaje inducido en las bobinas de una capsula MC es muy pequeño, probablemente no mas de 300 microVoltios por lo que en el diseño del preamplificador se debe considerar indispensable piezas con menos de 1 uVolt de ruido, afortunadamente la impedancia sobre la que se induce la señal es muy baja, así es posible utilizar circuitos que tienen muy bajo ruido en voltaje a costa de un alto ruido en corriente.

¿Como es el preamplificador de bobina móvil mas simple?

Preamplificador para cartucho de bobina móvil del amplificador integrado Pioneer SA-900.

pioneer-sa-900-mc-pream

Ya el viejo amplificador Pioneer SA-900 tope de serie de 1.970 en su tiempo tenía un modesto preamplificador para bobina móvil, corresponde con un esquemático muy sencillo; el amplificador esta formado por un transistor NPN de bajo ruido por canal (probablemente el mejor que se podía conseguir en aquella época), quedaba dispuesto en base común, esta configuración (en la que el transistor aparece patas arriba) se consigue una muy baja impedancia de entrada, luego el amplificador integrado Yamaha CA-1000 de 1.973, incluía también un preamplificador para las capsulas de bobina móvil, muy parecido al esquema básico de Pioneer, para mejorar el desmpeño agregaron un adaptador de impedancias en emisor común (el segundo transistor) desde el que se cierra un lazo de retroalimentación negativa (C463, R467 y R469), es obviamente es mas sofisticado.

Yamaha CA-1000 MC Preamp.PNG

Preamplificador MC del amplificador integrado Yamaha CA-1000.
¿En cual esquema base trabajaremos?

Pero no nos basaremos en ninguno de estos esquemas; el amplificador integrado Sansui A-80 tiene un preamplificador para capsulas moving coil muy básico, pero nos sirve perfectamente para comenzar, la idea de Sansui con este equipo, el A-80 era ofrecerle a sus clientes mas modestos la oportunidad de comprar un equipo con funciones avanzadas que solo se reservaban para los equipos de alta gama, así el A80 tiene meters, tiene un servo control en DC para la etapa de potencia, incluso tenia el loudness variable de Yamaha, el tuner T-80 también tenia un servo control para el drift del oscilador local para FM (AFT) mas un display digital para la frecuencia de sintonía, cosa que el año anterior solo tenia el tuner TU-919 tope de serie.

Sansui A-80 MC pre.PNG

Este es el esquemático del preamplificador de bobina móvil del amplificador integrado A-80.  Obviamente tiene el diseño mas simple posible, por una cuestión de costos.
Preamplificador fono concepto A.PNGNuestro diseño es muy parecido pero adaptado al transistor Philips 2N5089 que tiene una alta ganancia y bajo ruido, de todas maneras es equivalente al transistor americano 2N4401 que es recomendado en este blog.  Su autor asegura que este transistor no aparece identificado como uno de bajo ruido, pero puede ser usado como tal debido su muy baja resistencia interna de emisor.  Nuestro circuito base es muy simple y se puede probar con los simples (y muy fáciles de conseguir) BC-548, BC-549, 2N3904.  El segundo transistor también debe ser de bajo ruido y puede ser el mismo 2N5089, pero solo es importante que tenga una alta ganancia, así, el BC337 o mejor el BC338 son muy apropiados también.

¿Como funciona nuestro preamplificador?

preamplificador-fono-concepto
El primer transistor es el amplificador de transconductancia, es decir, transforma variaciones de corriente en variaciones de voltaje, el segundo transistor es un convertidor de impedancia, y su trabajo es crear una fuente de voltaje de baja impedancia desde la cual tomar el lazo de retroalimentación negativa que mitigará la distorsión de la etapa y permitirá fijar la ganancia en los 20 dB necesarios.

Nuestro circuito tendrá una distorsión armónica par que puede resultar agradable para ciertas grabaciones, sobre todo las que tiene pocos instrumentos como los cuartetos de cuerda o los solos de violonchelo, pero para otro tipo de música lo que se obtendrá será distorsión por intermodulación.  Para reducir la distorsión armónica par se debe hacer al circuito completamente simétrico, eso permitirá cancelar la distorsión par, dejando solo la distorsión impar.  No es la mejor solución, pero resuelve un problema, la distorsión armónica impar habrá que removerla de otra manera.

¿Como reducir la distorsión armónica par?

Los amplificadores con transistores se basan en dispositivos alinéales, que tienen un comportamiento diferente a ambos lados de la recta de carga, así se creara un cantidad de distorsión armónica par, es decir que crea armónicos pares, cónsonos con la música, la cantidad de distorsión depende de la cantidad de señal que se maneje, en el caso de amplificar la señal de una capsula de bobina móvil estamos hablando de unos 200 microVoltios de entrada y 2 miliVoltios de salida, es en realidad una señal muy pequeña; una solución es que las alinealidades sean compensadas simétricamente, en la practica es disponer de un circuito espejo que compense la diferencia y linealice la ganancia.
Preamplificador fono de baja distorsion armonica.PNG
Para hacer al circuito simétrico simplemente lo copiamos pero con transistores de polaridad contraria, los dos transistores sobre la tierra son NPN (positivos) los que estan en el infierno (bajo tierra) son negativos o tipo PNP de este modo se atenuaran mutuamente las distorsiones creadas por cada rama y se tendrá un sonido ligeramente mejor.  Pero hay otro efecto, al tener dos transistores amplificando simultáneamente la señal de la entrada ocurre que el ruido de ellos en voltaje se distribuye y disminuye, mientras los ruidos en corriente se suman, pero dado que ese ruido se manifestará sobre una impedancia muy baja, resultará ser un ruido muy pequeño y sobre este truco se basan todos los preamplificadores moving coil.

En el lazo de retroalimentación hemos colocado un resistor que fijará la ganancia en 20 dB (10 veces) que logrará que un cartucho moving coil que induce 250 uVolts termine dándonos 2,5 miliVolts, que corresponde con la sensibilidad nominal de la entrada Phono de la mayor parte de los amplificadores; en el lazo de retroalimentación y en la entrada insertamos un capacitor de pequeño valor (en este caso solo 1000 picoFarads) para limitar la banda útil de la etapa a 80 KHz de manera que las señales de radio no interfieran con la señal de la capsula del tornamesa.

¿Como reducimos el ruido de fondo?

Con un solo transistor de entrada tendremos una relación señal sobre ruido base de 60 dB (1.000 veces), 60 dB es una relación señal/ruido respetable y comparable con la S/R de un Open Reel y no esta mal, pero para música orquestal como el Bolero de Maurice Ravel que tiene un rango dinámico muy grande esos 60 dB no son tantos, pero sucede que cada vez que dupliquemos la cantidad de transistores en la entrada ganaremos 3 dB mas, así con dos (2) transistores en la entrada (en paralelo) ganaremos 3 dB de relación señal/ruido, que es ganar casi nada, pero si multiplicamos por 2 la cantidad de transistores de nuevo ganaremos otros 3dB de relación S/R, en este caso llegaríamos a los 66 dB que es el equivalente de un deck de cassettes con Dolby B, es importante que la contribución de ruido del resto de los componentes sea la menor posible, de este modo debemos considerar cambiar los comunes resistores de carbón por otros de película metálica que tienen un ruido menor.

preamplificador-fono-de-bajo-ruido

Un paso adelante, con 8 transistores de bajo ruido como los Philips tipo NPN modelo 2N5089 y tipo PNP modelo 2N5087 lograremos alcanzar los 72 dB de señal sobre ruido, lo que es equivalente de un deck de cassettes con Dolby C y esta cerca de la relación S/R típica de un plato tornamesa.  Por ejemplo el plato tornamesa SONY PS-X50 tiene una S/R de 75 dB; así que podemos considerar que nuestro preamplificador ya tiene un desempeño tan bueno como el que vale la pena implementar, de todas maneras debemos agregar los resistores de película metálica y capacitores electrolíticos especiales de bajo ruido para el paso de la señal, especialmente en la entrada.

El problema es que los transistores bipolares no pueden simplemente ponerse en paralelo, hay que emparejarlos, eso se hace agregando resistores en los emisores, solución que logra que queden polarizados con corrientes semejantes, por contra agrega ruido indeseable; nuestro circuito logra una ganancia en lazo abierto de 43 dB, considerando el efecto de la carga de baja impedancia que es el lazo de retroalimentación, eso le deja un margen de ganancia a nuestro amplificador de unos escasos 20 dB, pero dado que la señal es minúscula en este circuito el punto de operación no se desplaza y la distorsión será muy parecida a la ideal que pronosticara el modelo analítico del simulador.

¿Como reducir la distorsión armónica total?

La mejor manera de tener una baja distorsión armónica total es diseñar un circuito cuya distorsión característica en lazo abierto sea muy baja, y utilizarlo en lazo cerrado con la menor ganancia posible, pero eso solo es útil si la ganancia en lazo abierto es mucho mas grande que la ganancia que se utilizará, es decir que el margen de ganancia sea grande, por ello buscaremos que nuestro pequeño circuito tenga la mayor ganancia sin agregar etapas; agregamos dos autoelevadores Bootstrapping al bloque de ganancia en tensión, eso hace que la carga se parezca a una fuente de corriente (sin introducir ruido) y la ganancia sea mayor; ahora llegamos a los 47 dB de ganancia en lazo abierto, también hacemos que todos los resistores por donde pasa la señal mas pequeña sean de film metálico y los capacitores de paso los dejamos en paralelo con capacitores cerámicos o de Styrol.  Este truco es de Sansui, desde el amplificador integrado AU-999 hasta la familia Definition como el AU-717, en el simulador no tiene ningun efecto, en la practica si.

Preamplificador Phono BootStrapping.PNG

Este circuito amplificará una señal de unos 200 uVolts y no tiene un gran rechazo al ruido de la fuente de alimentación, las fuentes de alimentación siempre están contaminadas del ruido de la frecuencia de la red eléctrica, para fuente de alimentación clásica con un transformador, un puente rectificador de onda completa y un banco de filtros con capacitores tendremos un tono de fondo de 120 Hz (red de 60 Hz) mas sus armónicos.  Este ruido debe ser atenuado, así que agregaremos al amplificador dos redes Ripple Reject (rechazadores de rizado).  Estas redes estarán formadas por los resistores de 220 Ohms y los capacitores de 330 uFarads.

Preamplifier Moving Coil Closed loop gain.PNG

El primero lo insertamos dentro del propio amplificador, usando como puente los propios transistores convertidores de impedancia de salida, el segundo filtro para el ripple lo implementamos aparte con dos transistores mas, uno para la línea de alimentación positiva de +32 Volts y otro para la línea de alimentación negativa de -32 Volts.

Preamplificador Phono Bobina Movil Lazo abierto 2.PNG

Con el circuito completo mostramos como están polarizados en corriente y voltaje cada nodo y también vemos el efecto positivo de los autoelevadores que empujan la ganancia hasta los 47 dB, casi duplicamos la ganancia y así lograremos aumentar el margen de ganancia y lograremos como consecuencia reducir la distorsión armónica.

preamplificador-phono-bobibna-movil-distorsion

Finalmente la distorsión armónica par baja al 0,10 % a 1KHz y la distorsión armónica impar es de 0,27 % a 1 KHz que se corresponde con la teoría de este circuito, es decir, que la disotrsión armónica par será muy pequeña pues ha sido cancelada o muy atenuada, mientras que la distorsión armónica impar depende de la retroalimentación negativa, así que podemos considerar que el diseño es muy bueno; claro dentro del contexto que es un circuito muy simple y de bajo costo.

Preamplificador Moving Coil Definitivo.PNG

Finalmente este es el esquemático final, la entrada debe tener al ser implementado capacitores especiales de Tantalio de bajo ruido, la mayor parte de los resistores deberán ser de película metálica, los transistores para baja señal estan indicados en el propio esquemático, los capacitores electrolíticos en la línea de alimentación deben ser de baja ESR (resistencia interna en serie), el circuito debe quedar dentro de una caja de metal cerrada que funcione como Jaula de Faraday, la fuente de alimentación debe proporcionar el voltaje indicado con el menor ripple posible; nos ha quedado muy parecido al preamplificador moving coil del amplificador integrado Sansui AU-919.

Sansui AU-919 MC preamp.PNG

Esquema del preamplificador para capsula de bobina móvil del amplificador integrado Sansui AU-919.

Si desea ensayar el circuito comuniquese con nosotros por cualquier duda.

 

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