Система подмагничивания с током в форме меандра.

Немного теории

            Процесс магнитной записи основан на явлении остаточной намагниченности рабочего слоя магнитной ленты. При прохождении некого малого участка магнитной ленты перед головкой записи, а точнее перед ее зазором происходи плавное нарастание амплитуды сигнала подмагничивания. Сравним период тока подмагничивания с размерами зоны записи. Длина волны тока подмагничивания

L = V / Fп,

где V – скорость движения магнитной ленты, а Fп – частота тока подмагничивания. Для скорости 19,05 см/с и частоты 120 кГц получаем L = 1,6 мкм. При этом зона записи современных головок не сильно больше этого значения. Однако значение остаточной намагниченности, в основном, определяется максимальным значением поля, приложенного к рабочему слою. Следовательно, на качество сигнала будет влиять только вершина напряженности поля в зазоре, а она составляет один порядок с вычисленным значением. Приняв во внимание, что ток подмагничивания имеет форму синусоиды, а пик поля узок, получим, что для разных участков ленты максимальный уровень поля, равный скалярному произведению формы пика на пространственную синусоиду тока подмагничивания в соответствующей фазе, не достигнет полного максимума, а, значит, запись на этом участке произойдет с искажениями. Какие есть пути преодоления этой ситуации. Первый путь – повышение частоты тока подмагничивания. Известно, что по нему пошли многие фирмы, и частота в разных моделях магнитофонов достигает 300..500 кГц. Однако при этом происходит очень много циклов перемагничивания рабочего слоя магнитной ленты при покиданию ею зоны записи, что, вкупе с неравномерностью параметров головки, вибрацией механизма и не идеальностью магнитных свойств ленты приводит к флуктуациям остаточной намагниченности, а значит появлению новых искажений и модуляционных шумов. Другое решение предлагает автор. Для того, что бы фаза тока подмагничивания не влияла на максимальный уровень напряженности поля надо подмагничивать так, что бы форма поля имела прямоугольную форму. А, следовательно, ток (не напряжение, а именно ток) подмагничивания должен иметь форму симметричного меандра. Поскольку головка имеет индуктивный характер сопротивления, то мы ограниченны в возможности такой реализации. С другой стороны нет необходимости так точно выдерживать прямоугольность сигнала, так как магнитный слой имеет доменную структуру и перемагничиванию подлежит домен целиком. Если принять характерный размер домена в 100 нм, то время перехода от одного значения поля к противоположному должно быть не более времени прохождения этого участка и равно 0,5 мкс.

Расчет схемы

Посчитаем, какое напряжение потребуется приложить к ГЗ для времени переключения в 0,5 мкс. Для этого воспользуемся формулой

U = 2 * sqrt(2) * Iп * K * L / t

В этой формуле 2 – поскольку надо изменить ток от минуса до плюса, т.е в два раза больше, sqrt(2) – корень из двух, что бы преобразовать действующее значение тока подмагничивания синусом к амплитудному, L – индуктивность ГЗ, Iп – номинальный ток подмагничивания синусом, t – длина фронта, K – эмпирический коэффициент потерь в сердечнике ГЗ на ВЧ (крутом фронте), примерно равен 1,5. Берем ГЗ 3А24.710 (L=3 мГн, Iп = 4 мА) и получаем 96 В. Что бы иметь зону регулирования берем 20% запас и получаем 120 В. Если попытаться сделать генератор меандра в 120 В и подать от него ток подмагничивания, то потребуется резистор 120 В / 6 мА = 20 кОм. Вспомним, что ГЗ обладает собственной емкостью, и понимаем, что ни чего так не получится, будет стоять страшный звон на колебательном контуре, состоящем из не зашунтированной емкости и индуктивности, а фронты размажутся на RC фильтре. Для достижения поставленной цели я применил ВЧ трансформатор тока. Делаю первичную обмотку со средним отводом и запитываю половинки по очереди. Имеющиеся в моем распоряжении источники питания +5, -15 и +15 В я поделил так. +5 – питание управляющей логики, +15 ток подмагничивания, -15 – схема управления током подмагничивания. Посчитаем параметры трансформатора. Коэффициент трансформации по плуобмоткам равен 120 / 15 = 8. Ток первичной обмотки 6 * 8 = 48 мА. Учтя потери беру некоторый запас до 60мА.

Схема

            Схема системы подмагничивания представлена на Рис.1. Разъем справа на схеме рассчитан на включение в магнитофон Электроника-004 вместо штатного ГТСиП. Назначения контактов:

            На плате установлен еще один 9-и контактный разъем. Через него подается ток подмагничивания и регулировка амплитуды тока подмагничивания. Его контакты отмечены знаком межблочного соединения.

            Я не стал реализовывать монофоническую запись отдельно по каналам, а только стерео по обоим каналам одновременно. Если потребуется, то схему легко доработать для такой коммутации.

            Схема состоит из задающего генератора на кварце Z1. Кварц использован для снижения фазовых шумов, которые при записи преобразовываются в простые шумы. Далее, с помощью D-триггеров, исходный сигнал в 1МГц делится до 125кГц меандра. Конечный делитель для подмагничивания и стирания раздельный на элементах DD5. Для управления аналоговыми ключами используются мощные ТТЛШ элементы 530ЛА12. Схема подмагничивания работает с использованием дифференциального каскада как коммутатора тока от регулируемого источника тока. Параллельная RC цепь в базах дифференциального каскада служит для устранения возбуждения и для нормирования нагрузки логическому элементу, что бы выходной сигнал имел форму чистого меандра.

            В магнитофоне «Электроника 004» есть микрофонный вход, который я заблаговременно ликвидировал. В результате освободился ползунковый регулятор, который теперь использую для регулировки тока подмагничивания. На схеме он обозначен как R2. При включении записи ключ на транзисторе VT1B подает питание на схему регулирования, в результате чего запитываются источники тока. В источнике тока правого канала стоит подстроечный резистор R14, с помощью которого балансируется ток подмагничивания для правого канала. После этого регулировка тока резистором R2 изменяет ток подмагничивания пропорционально в широком диапазоне.

            Схема стирания реализована на транзисторе VT9 (сдвоенном) и трансформаторе T1. С помощью резистора R19 выставляется оптимальный ток стирания равный 55мА. Измерения тока стирания производятся на резисторах R17, R18. При разбалансе надо подобрать номинал конденсаторов C10, C11 по резонансу.

            Так же подлежит изменению схема коммутатора каналов записи. Изменения делаются в обоих каналах одновременно. Для простоты я перечисляю изменения для одного. Номинал R33 – 510 Ом, C4 – остался 4,7 нФ, конденсатор С12 – убирается, индуктивность L1 снимается и заменяется на перемычку по контактам 1 и 6, R27 – снимается, С10 – снимается (переносится к блоку головок, отмечен на схеме как C12 с номиналом 5,6 нФ), параллельно R25  поставить конденсатор 2,2 нФ.

            Так же проведены изменения в схеме УЗ. Выходной конденсатор заменен на неполярный емкостью 22 мкФ. Есть еще много улучшений, но они хорошо описаны в статье «Второе рождение "Электроники - 004"» (http://www.audioworld.ru/DIY/Vinil/elek_01.html). В дополнение к ним я ликвидировал кросс плату блока электроники и развел все необходимое прямыми проводами. Питание я привел напрямую с блока питания (а не через блок управления) на колодку с фильтрующими конденсаторами, а от туда развел звездой по контактам разъемов (в отличие от шинной разводки на кросс плате). Еще, в связи с большим потреблением нового генератора стирания и подмагничивания, я усилил блок питания. В нем добавил еще по 2200 мкФ к C2 и С8. Исправил не правильную разводку выпрямителя для +-15В путем перерезания дорожек от выпрямителя к конденсаторам С2 и С8 и далее к стабилизатору и восстановлением ее в правильном порядке, когда провод от выпрямителя сначала доходит до конденсатора, а от него идет к стабилизатору. Еще на выходе стабилизаторов поднял номинал конденсаторов С6 и С12 до 220 мкФ.

Конструкция и детали

            Логические микросхемы серии 530 можно заменить на 531, 533 на 555, 1533, 1564. В качестве транзисторов VT4,5,7,8 можно использовать высокочастотные транзисторы с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 500 мВт, емкостью коллектора не более 7 пФ и напряжением на коллекторе не менее 50 В. Трансформатор Т1 намотан на кольце К20х10х5 Н2000НМ1. Первичная обмотка состоит из двух полуобмоток по 27 витков, вторичная из 37 витков. Количество витков и тип магнитопровода можно менять в широких пределах с пересчетом по формулам для расчета импульсных трансформаторов. Трансформаторы Т2 и Т3 намотаны на кольцевом сердечнике К10х6х4,5 М1000НМ или М1000НМ3. Первичная обмотка состоит из двух полуобмоток по 25 витков, а вторичная из 200 витков. Первичная и вторичная обмотки не перекрываются. Первичная обмотка занимает треть (120 градусов) на кольце и намотана в четыре провода ПЭЛШО 0,1. По два провода параллельно соединены. Вторичная обмотка намотана тем же проводом постепенным заполнением оставшейся части для минимизации собственной емкости. Около головки записи устанавливается 8-и контактная колодка под пайку, на которой распаяна схема, обведенная пунктирной линией. Провода от вторичной обмотки до ГЗ должны быть минимальной длины, у меня использованы выводы обмотки. Резисторы R20 и R22 служат для подавления звона на проводах и первичной обмотке. Соединительный провода от платы к трансформатором подмагничивания свиты по три для минимизации помех. Резисторы R21 и R23 служат для наблюдения на осциллоскопе формы тока записи-подмагничивания. Еще на схеме отсутствует керамический конденсатор 0,1 мкФ, установленный по питанию около DD1.

            Схема подмагничивания создает много импульсных наводок в тракте воспроизведения. Что бы избавиться от них мне пришлось снять разводку проводов от головок воспроизведения и поставить новые, проведя их другой (правой) стороны. Освободившиеся контакты на разъеме блока головок я использовал для проводов к трансформаторам подмагничивания.

Наладка

            До установки новой системы подмагничивания надо провести все остальные изменения в магнитофоне, отладить тракт воспроизведения, выровнять его АЧХ по измерительной ленте. Если нет измерительной ленты, то ее надо сделать на старом тракте. Перед первым включением платы ГТСиП установите движок R2 в нижнее по схеме положение и отпаяйте выпаяйте резистор R19. С помощью осциллоскопа проверьте работу генератора и наличие управляющих сигналов на затворах VT1A и VT1B. При включенной записи на затворе VT1A должен быть высокий потенциал, а на затворах VT9A и VT9B противофазный меандр частотой 125 кГц. Если все это есть, то впаиваем R19 и настраиваем стирание. Оптимальный ток стирания 55 мА. Больший ток снижает эффективность стирания из-за насыщения кромок зазора ГС. Далее поднимаем движок регулятора тока подмагничивания и наблюдаем амплитуду и форму тока на резисторах R21 и R32. Напряжение должно соответствовать току подмагничивания в 4..6 мА. Форма тока должна быть максимально похожа на меандр, время установления должно быть менее 1 мкс, а лучше около 500 нс. Колебаний быть не должно. Если есть выброс более 10% от амплитуды, то его надо задавить подбором резисторов R20 и R22 для каждого из каналов. Если хорошей формы добиться не удается, то придется перемотать трансформаторы.

Дальнейшая отладка стандартна. Регулировку производят по ровной АЧХ и искажениям. Кривая зависимости коэффициента гармоник от тока подмагничивания имеет два минимума. Первый из них соответствует завышенному току подмагничивания, при котором нельзя обеспечить гладкую АЧХ. Второй минимум расположен при меньших токах подмагничивания. Ток лучше установить на начале подъема в этом минимуме со стороны меньшего тока. После этого выставите гладкую АЧХ регуляторами коррекции записи. Может потребоваться несколько итераций для подбора наилучшего соотношения гармонических искажения на 1 кГц, интермодуляционных искажения на смеси 14 и 15 кГц и гладкости АЧХ.

Результаты

            На Рис.2 показаны спектр гармонических искажений (сиреневый), интермодуляция (синий) до переделки (нижний) и после (верхний) на одной и той же ленте А4411 «Славич» при уровне записи -10 дБ. На рисунке хорошо видно, что спектр гармонических искажений спал гораздо быстрее. К сожалению из-за тог, что намагнитилась ГЗ при проведении работ поднялся уровень второй гармоники и уровень шумов на низких частотах. Впоследствии головка была размагничена и шум исчез. Так же хорошо видно снижение уровня комбинационных частот в IMD тесте почти на 10 дБ. В обоих тестах заметно снижение уровня модуляционных шумов (поднятия вокруг сигнала). На Рис.3 показаны результаты того же теста, но при уровне записи 0дБ. Как видно эффект сохранился и при большом сигнале, но на несколько меньшем уровне. Обратите внимание на снижение уровня ВЧ модуляционных шумов на большом сигнале.  Они видны как поднятие желтой кривой над красной кривой шумов при отсутствии сигнала записи.

            На Рис.4 представлены АЧХ снятые на ленте А4409 «Свема» до и после переделки по правому каналу измеренные на синусоидальном сигнале (внизу) и на розовом шуме (вверху). Как видно удалось выровнить АЧХ. Подъем на высоких частотах соответствует резонансу ГВ со входной емкостью УВ и кабеля (входная емкость в УВ снята).

_________________________________________________________

Сайт Мусатова Константина    Магнитофонные разработки