級進音量控制器的設計與製作

wensan

級進音量控制器的設計與製作





音響器材絕少不了音量控制器！
音量控制器通常是一個可變電阻，用電阻分壓電路將輸入訊號衰減下來，達到控制音量的目的。
傳統的音量控制器通常是用碳膜或金屬皮膜電阻製作成片狀，以具有彈性的接觸片在片狀電阻上滑動所構成。
如果是二聲道或四聲道的音響，便須要使用雙聯或四聯的聯動型可變電阻才行。
然而自古以來，聯動型可變電阻常有聯動的各個可變電阻分壓比例誤差很大，這種聯動誤差會造成各聲道的音量大小不一致的問題！
為了解決各聲道的音量大小不一致的問題，以前的立體聲音響除了音量控制旋鈕之外，還會加上一個聲道平衡控制旋鈕來解決這個問題。
傳統的音量控制可變電阻所以會發生分壓比例誤差很大，主要是製作技術的精密度上的問題。由於人耳對於音量的大小相對於訊號電壓的大小，大致上是呈對數曲線的對應關係，所以音量控制可變電阻必須使用對數型（A型）可變電阻，而不是線性（B型）可變電阻。在製作上，兩片電阻片的阻值變化不容易控制到完全一致，而 且滑動的接觸片的位置是否精確也是個問題！
另外，傳統的可變電阻還有接觸片在電阻片上滑動，造成電阻片磨損的問題！所以傳統的可變電阻用久了，就算還可以使用，特性上也會變差。

級進音量控制器

基於傳統可變電阻的種種問題，使用開關來取代可變電阻，做為音量控制器是一個很不錯的解決方案。畢竟開關接點的阻抗遠遠小於音量控制的分壓電路的阻抗，就算用久了接點會有些磨損，也只是接點阻抗稍有變化而以，並不至於影響分壓電路的比例。而且用精密的固定電阻做成分壓電路，每一級的分壓比例都可以很精確，完全解決傳統可變電阻聯動誤差的問題。因此就有了級進音量控制器的產生。
通常級進音量控制器是以 23段旋轉式波段開關所構成。



以其電阻的分壓方式，可分成串列型Serial Type、梯子型Ladder Type和分流型Shunt Type。
串列型Serial Type的接法如下圖所示，將電阻一個一個串聯起來，是最簡單、最有效率的一種方式。



梯子型Ladder Type的接法如下圖所示，電阻的排列就像梯子一樣。



然而，旋轉式波段開關的接點排列如下圖所示，



由圖中可看出接點跟接點間難免會有些微的雜散電容存在，這些雜散電容對於串列型Serial Type的接法的影響比對於梯子型Ladder Type的接法的影響來得大些，雖然這一點點的雜散電容對音頻而言，可以說是幾乎沒有影響，但對於追求完美的人而言，會覺得梯子型Ladder Type接法的音質比較好。但梯子型Ladder Type接法的缺點為體積大，兩層聯動的開關只能做成一聲道的音量控制器，要做成二聲道的音量控制器必須要使用四層聯動的開關。梯子型Ladder Type接法所使用的電阻也必須比串列型Serial Type的電阻大好幾倍，譬如以 1/2W電阻做成的梯子型Ladder Type音量控制器，其承受功率只相當於用 1/8W電阻做成的串列型Serial Type音量控制器。
分流型Shunt Type的接法如下圖所示，



分流型Shunt Type的接法雖然體積小，接點間雜散電容的影響也小，但從輸入端看進來，輸入阻抗會隨著波段開關的轉動而大幅變動，這是分流型Shunt Type接法的重大缺點！

梯子型Ladder Type的錯誤接法

下面這個圖是梯子型Ladder Type級進音量電位器的正確接法，



但很多人為了銲接電阻上的方便，將梯子型Ladder Type級進音量電位器的電路接成下面這個圖，



其中的差異在於前一種接法靠近輸入端的分壓電阻跨在兩個連動開關之間，和靠近 GND 的分壓電阻直接連在一起，這種接法必須將電阻擠進兩層連動開關之間，若電阻大一點便擠不進去！

另一種接法靠近輸入端的分壓電阻直接跟輸入端接在一起，不用將電阻擠進兩層兩個連動開關之間，銲接電阻比較方便，但開關接點會有「彈跳」現象(Bounce)，萬一靠近 GND 的接點因為「彈跳」現象而斷開，但靠近輸入端的接點卻連在一起，分壓電路便在這個瞬間呈現最大輸出的狀態！如此會造成在旋轉級進音量電位器時產生「爆音」。
當然有人會說他用這種接法並沒有產生「爆音」，這是運氣好壞的問題！畢竟每一個開關、每一個接點的「彈跳」現象(Bounce)會有些差異，甚至在測接點的「彈跳」現象時，同一個接點每一次測出來的「彈跳」現象也會不同！因此運氣好的就沒有「爆音」的問題，運氣不好的就………
同樣的，下面這個圖是分流型Shunt Type級進音量電位器的正確接法，



下面這個圖是分流型Shunt Type級進音量電位器的錯誤接法，同樣會造成在旋轉級進音量電位器時產生「爆音」。



導線的反射電壓

用波段開關來設計級進音量控制器還有一個問題必須加以解決，那就是導線的反射電壓！
什麼是導線的反射電壓呢？由於任何導線都會有電感量存在，而波段開關就算是先接後斷式的設計，還是會因為「彈跳」現象而使接點在一瞬間呈現斷路的狀態，如果導線中有電流流動而瞬間發生接點斷開的話，導線會因為電感的作用產生很大的反射電壓，就好像汽車的點火線圈利用白金接點來產生可以讓火星塞放電的高電壓的原理一樣！這種現象也會讓級進音量控制器在轉動時發生雜音，如果級進音量控制器有直流電流流過，這種現象會更明顯。這個問題對於梯子型Ladder Type接法會比串列型Serial Type接法來得嚴重！
另外，級進音量控制器之後如果沒有經過交連電容，直接接到放大器的輸入端，當開關接點瞬間斷開、導線的端點呈現浮接Floating的狀態時，放大器輸入的Offset電壓、電流也會瞬間變動，因此也會產生雜音。
要解決這一類問題，必須讓接點瞬間斷開時，導線的端點不會呈現浮接Floating的狀態，因此我將梯子型Ladder Type接法改成輸入與輸出端點即使在接點瞬間斷開時，仍然有電阻將輸入與輸出端點與接地點連接，電路如下圖所示：



上圖的梯子型Ladder Type接法，R47為防止輸入導線浮接Floating而並聯上去的電阻，為了避免大幅影響音量電位器的標稱值，阻值設定在音量電位器標稱值的十倍。而為了防止輸出導線浮接Floating，音量電位器的輸出端直接跟Rout的最後一個電阻R46相連，因此波段開關除了第23段之外，轉到其他的位置時，那個位置的電阻都會跟R46並聯。

分壓電阻的計算

我是用Microsoft Excel來做分壓電阻的計算，計算的圖表如下：



上圖所計算的是10K梯子型Ladder Type接法的分壓電阻阻值。電路圖如下：



下圖是10K串列型Serial Type接法的分壓電阻阻值計算結果和電路圖：





100K的級進音量控制器每個電阻的電阻值為10K的級進音量控制器電阻值的十倍。

級進音量控制器的裝配

為了製作級進音量控制器，我訂製了一批1/2W±1%的金屬皮膜電阻給梯子型Ladder Type級進音量電位器使用，串列型Serial Type級進音量電位器則是使用1/8W±1%的金屬皮膜電阻。
我也跟工廠訂製了一批級進音量旋轉開關，製作成兩層連動開關的接點距離較寬的方式，寬度可以擠進一般的 1/2W 電阻。
開關的旋柄為KQ Shape俗稱18齒的旋柄，這種形狀的柄也可以使用用螺絲鎖的旋鈕，大不了用銼刀將齒跟螺絲接觸的地方磨一磨即可。
市面上大部分的波段開關跟可變電阻都是這種旋柄，所以這種18齒的旋鈕也很多，反而圓柱型的旋柄無法使用18齒的旋鈕，因此我訂製的是18齒的旋柄，可以配合各種旋鈕。柄長是23mm，如果太長可以鋸短一點。



我嘗試了幾種級進音量控制器的裝配方式，研究怎麼焊接裝配比較理想。



上圖這種裝配方式由於1/2W的電阻太長，並不理想。



上圖這種裝配方式蠻容易焊接，只是體積大了一點，比較佔空間。
由於梯子型Ladder Type級進音量電位器被炒作得很熱，所以我先來介紹梯子型Ladder Type級進音量電位器的裝配。
裝配前先搞清楚23段旋轉式波段開關每一段的位置，



上圖中23段旋轉式波段開關卻有24個接點位置，由於機構設計上的限制，編號第24的接點位置是接觸不到的接點。編號第1到第23的接點則對應電路圖中波段開關的接點編號。
下表為梯子型Ladder Type和串列型Serial Type級進音量電位器電阻值列表，因為電阻焊接時必須依序焊接才不容易出錯，所以裝配前最好使用電表歐姆檔測量，將電阻分辨排列清楚，光看電阻的色碼容易誤判。





電路圖中的Rin要先銲在兩層連動開關之間，按照位置編號依序焊接上去。
編號第1的接點位置由於兩層連動開關之間有波段開關共同端的銲片阻擋，所以將位置1的電阻銲在位置第24之後，再用剪下來的電阻引腳當成跳線，將位置24的接點跟位置1的接點連接在一起。



Rin在編號23的位置上並沒有電阻，而是以跳線短路起來。



Rin銲完再依序銲上Rout，注意！編號1的位置上並沒有Rout。






取適當長度的銅線，一端銲在編號1的位置上，然後將Rout的外圍繞一圈，然後焊接起來。



最後如上圖所示，銲上R47便大功告成了。
這種「大車輪」型的梯子型Ladder Type級進音量電位器，我那六歲的兒子很喜歡，不過由於比較佔空間，我改成像下面這個樣子，作法其實和前面所敘述的一樣，只是Rout折了90°而已。




串列型Serial Type級進音量電位器的裝配似乎沒什麼好講的，只是依序在開關的接點與接點之間銲上1/8W電阻而已，只是1/8W電阻的兩支引腳要一起穿過開關的接點會有些勉強，因此1/8W電阻的引腳只有一支穿過開關的接點，另一支引腳只是靠在開關的接點上焊接在一起而已，電阻一個搭一個，稍微傾斜地排成一圈。





串列型Serial Type級進音量電位器的訊號輸入、輸出的接法如上圖的標示。

hz_zhc

文山兄，大作啊！够详细的。看样要加精华贴了。

hz_zhc

文字和配图调整好看起来会更有条理，容易明白。

lixin

学习篇

寂寞之行

要学学的

wensan

10K/100K Ladder Type 音量控制器加工步驟


1.將 23 段旋轉開關由位置 1 順時針轉半圈，約 11~12 格。開關彈片位置不要在位置 1 上，以免彈片的彈力在銲圓銲針時使接點歪掉。


     
2.銲圓銲針，將圓銲針下方連凸起的部分用鉗子夾扁一些，套在開關的接點上，剪一小段銲錫插入圓銲針的洞內，然後用烙鐵加熱，讓銲錫在圓銲針內部熔化，跟開關的接點銲接起來，動作要快以免塑膠融化。位置如下：


3.將開關四層接點靠中間的兩圈接點從孔的中間偏上一點剪斷，位置 1 的接點不剪。


4.銲位置 23 及 OUT 接點的跳線。


5.將所有 Ra 剪成兩端引腳只有 1mm 左右。

                                                                    
6.依序銲上 Ra，位置 1 的電阻銲在位置 24 上，然後銲跳線連接到位置 1 。


7.用電表歐姆檔（10K的 VR 為 20K檔，100K的 VR 為 200K檔），探棒一個夾在圓銲針 IN，另一個夾在圓銲針 OUT，轉動開關，由位置 1 順時鐘轉，測量每一個位置的電阻是否銲好，阻值是否由大到小。

8.照治具上的阻值（100K的 VR 則為治具上阻值的十倍）標示插上 Rb。


9.銅線先在瓶口繞成圓圈，一端折彎，套在治具上，圈住 Rb，銅線折彎的一端則插入治具的洞中。

10.朝外折彎 Rb 的引腳，壓住銅線，將 Rb 銲在銅線上，由於要從外側將電阻引腳剪平，所以儘量銲在內側。

11.翻轉治具，將電阻引腳與銅線剪成和治具齊平。

12.拔出銲好的電阻，將銅線上的電阻引腳從外側剪成和銅線邊緣齊平。


13.套上圓形木片，對準中心點折彎電阻引腳。


14.拆掉圓形木片，套上銲好 Ra 電阻的開關，對準位置銲上。（注意兩圈電阻是對稱的，位置不可弄錯！）

15.折彎的銅線銲在 GND 的圓銲針上。


16.銲上 1/8W小電阻在銅線和 IN 圓銲針上。（10K VR小電阻為100K，100K VR小電阻為1M）

17.用電表歐姆檔接 IN 和 GND 圓銲針，轉動開關測量每個位置的阻值，10K VR每個位置阻值都在 8.9K~9.1K 之間，100K VR每個位置阻值都在 89K~91K 之間。

18.貼上標簽。

19.套上墊圈，所上螺母。

20.完成！！！

WKJ

学习了,买了一个差不多的电位器,正不知怎么接线呢

QQ虫

有机会也要做一个

WKJ

老大帮我看看,这个怎么接线

HIFI1231

好帖，学习了

精品音响

很想做一个，但波段开关不好买，今天看到这篇大作有沟起兴趣了。

丹拿

图文并茂，真不错啊！

wensan

老大帮我看看,这个怎么接线
WKJ 发表于 2009-10-7 07:56

我認為正確的接法應該如我用藍色標示的那樣.


這個23段開關的塑料材質跟我用的不一樣,
不曉得價錢如何? 品質好不好?

mwd

学习了,图文并茂， 好帖!!

cmc

好帖!!!图文并茂,学习了

WKJ

13# wensan

谢谢.我还没装上,也不知好不好

tengkc

好文，学习中。

tiexu

好多字啊，辛苦

zhyhai

教程

woaw

好贴，收藏了。