2010年7月1日 星期四

Lightspeed Attenuator: 光敏電阻音量控制器

音量控制器就在訊號路徑上,影響不可謂不大。常見的幾種電位器架構,無論可變電阻(VR)、級進電阻、繼電器線路等,都有接觸性的機械構造,是相對不理想的元件,卻偏偏在訊號路徑最重要的位置上,於是成為全系統的瓶頸之一。

音量控制器先天上有這些限制,又不能不用,長年以來,我總是將之歸諸「必要之惡」,而不想花大錢,用繁複的方式處理。高級的可變電阻,大約三四千塊、級進電阻也是差不多價格,說來也不太貴,但是可變電阻算是消耗品,隨著時間老化衰退,所以明知其重要卻一直捨不得花大錢投資。事實上,也很少廠機在音量控制器上投入太多心力。10 萬元級的擴大機,最常用還是藍殼 ALPS;至於 Audio Note Kondo 的 M7,訊號路徑全是銀線、還用上銀箔電容,但也不過採用東京光音平價的導電塑膠電阻 2CP601。因此匆匆五六年下來,一直用著不到一千塊的東京光音 2CP601,告訴自己數十萬的 Audio Note 也不過如此。

不過東京光音 2CP601 確實也不難聽,雖然有個音染,不夠直接,但十分細膩,音色帶著一層薄薄的光澤,相當悅耳。細節和透明度遠勝常見的藍殼 ALPS,又有一股柔軟的貴氣。如果不排斥這種音色,在一兩千元以下實難有更好的選擇。

在 2004 年間,Rogic Pedja 在他的網站上介紹 MAXIM DS1802 IC 音量控制器,我也曾做了一套來試驗。這顆 IC 音控,比當時流行的 TI PGA 2311 等容易使用,內建增量、衰減、靜音的腳位,不必額外的 micro controller 就能使用。那時覺得 DS1802 聲音還不差,但卻談不上十分滿意,大約和 TKD 2CP601 同一個檔次,而 2CP601 還不必吃電。所以最後又繼續回頭使用 2CP601,直到今年才終於對音量控制器走出新的一步。

前陣子承蒙網兄 Coffin 介紹,買了 Lightspeed 光敏電阻音量控制器的 PCB 和元件來玩。光敏電阻(light dependent resistor、LDR)是一種感光元件,感應的亮度越高,阻值就越低,於是可以透過控制光線,間接地控制電阻的阻值。個性 hi-end 廠 darTZeel 已經將光敏電阻電位器用在他們的前級 NHB-18NS 上,我這次採用的是 George Stantscheff 所設計的 Lightspeed LDR Attenuator ,也同樣利用光敏電阻來製作音量電位器。Lightspeed LDR Attenuator 的核心是 Silonex NSL-32SR2 光藕合器,其中每顆光藕合器由一顆 LED 和一顆 LDR 組成,再封裝成不透光的元件。只要改變元件內部 LED 的供應電流,就能改變 LED 的亮度,LDR 的阻值於是相應變化,達成可變電阻的功能。所以,本來輸入訊號直接經過 VR,再送入放大級;如今 VR 只用來控制 LED 的亮度,訊號只會經過 LDR,而不經過任何開關接點等機械裝置,理論上比傳統的電位器更耐用,聲音更純淨。而 LED 端的電路,與訊號端之間透過光藕合,電路完全隔離,又比其他吃電的音量控制架構單純乾淨。原本至為關鍵、極須講究的 VR 則用一般品即可,不必花大錢追求高檔貨,又是一大好處。唯一的問題就是說,LDR 本身的音色如何?到底好不好聽?

收到 PCB 和 Silonex NSL-32SR2 元件之後,我立刻把 Lightspeed Attenuator 裝起來,裝進 First Watt B1 試聽,原本的 VR TKD 2CP601 則用來控制 LED 的亮度。開聲之後,我立刻聽到了非常有特色的聲音。Lightspeed Attenuator 的音色非常透明直接,比 TKD 自然許多,同時有個溫暖柔軟的音色,有點直熱式三級管機的味道,溫潤寬厚,中高頻充滿水份。此外動態很大,頻寬延伸遠勝 TKD,特別是低頻的下沉和力道,非常有魅力。聽了 Lightspeed Attenuator 再回去聽 TKD 2CP601,只覺得 TKD 固然飄逸細膩,但卻是人工的、刻意的美聲,遠不如光敏電阻自然。對我來說,Lightspeed Attenuator 的聲音,唯一的缺點是稍嫌「大港」,我個人並不那麼喜歡大港的走向。

但用 TKD 作 LED 亮度控制時,音量衰減的曲線並不太好用,稍微轉到八點鐘就變得很大聲,類似 Type B(線性曲線)VR 的操作經驗。但這顆 TKD 2CP601 分明是 Type A,之前直接用在訊號路徑上也完全正常,令人疑惑問題何在。後來我改用其他 VR 來控制 LED,諸如電料行所售之百元品、藍殼 ALPS 等,則衰減曲線都十分正常,實在令人不解。

然而,奇妙的是,儘管 Lightspeed Attenuator 的設計者聲稱用了 LDR 音控就不必在乎 VR 的品質,但我卻發現這顆控制 LED 的 VR 仍然會影響聲音。電料行百元的雜牌貨、300 元的藍殼 ALPS、900 元的 TKD 2CP601,聲音都不一樣。雜牌貨聲音最差,乾、硬、毛邊多;ALPS 好上一截,已然相當平衡好聽,但 TKD 卻又更進一步,更為透明柔軟,更有溫潤豐厚的美聲,實在是相當奧妙。不過加上 LDR 之後,聲音確實是提昇的,比 VR 直接放在訊號路徑上來得好,只是能好到什麼程度,還是受到所用 VR 的影響。而且 VR 對 LDR 所帶來的音色,和直接擺在訊號路徑上的音色走向略有不同。例如 TKD 本來並不強調低頻,低頻量感比 ALPS 少上一些。但裝在 Lightspeed attenuator 線路上,低頻卻非常豐厚有力,比 ALPS 裝在相同的位置更為優異。由此可見,經過光藕合之後,VR 對訊號雖然仍有影響,但影響的方式、聲音的個性,與直接在電路上的聆聽經驗不太一致,這真是新的體驗。

總而言之,目前很喜歡 Lightspeed attenuator。雖然裝一套並不太便宜(主要貴在  Silonex NSL-32SR2,配對好的一組要上千元),但仍然比三四千元以上的級進電阻便宜,又有個非常有趣討喜的音色。DIYHiFi.org 上甚至有人以為 LDR 可能有偶次諧波失真,造成特殊的悅耳音色。不過 Lightspeed attenuator 也有一些小缺點,例如光藕合元件昂貴且難配對、需要額外的供電、配上某些 VR 衰減曲線可能不正常、轉到最左邊仍然無法完全靜音、平時最好將電位轉到正中間,以延長 LED 的壽命等等。希望將來這類產品日漸成熟,這些缺點會逐漸改善,從而有更好聲更便宜的 LDR 音量控制器。

DIY Lightspeed Attenuator 的線路圖和教學:
http://diyaudioprojects.com/Solid/DIY-Lightspeed-Passive-Attenuator/

其他資訊請參考 diyAudio 的討論串:
http://www.diyaudio.com/forums/analog-line-level/80194-lightspeed-attenuator-new-passive-preamp.html
http://www.diyaudio.com/forums/group-buys/153388-optical-volume-control-professional-pcb.html

15 則留言:

Paul 提到...

WF兄, 對您的行動力更加佩服. 小弟已經對光敏電阻音量控制
觀望了一兩年了, 到現在還沒真正實作. 能看到您的心得,
真是如獲至寶. 除了您提的缺點以外, 小弟覺得, 最大的問題,
可能還是出在就算是一開始配對好的光敏電阻, 過了一段時間,
LED的光衰曲線每個都不同, 就又變成沒有配對的情形.
這個還是小弟最擔心的地方.

如果您覺得聲音太大港, 有可能是光敏電阻和系統的阻抗
匹配問題嗎? 如果是的話, 串並聯電阻應該可以有相當程度
的改善, 還可以用不同的電阻來調音.

WF 提到...

Paul 兄,原來您對 LDR 已經這麼有研究,真是太好了。我是收到組件之後,才開始研究,對於那幾個長達數十頁的討論,實還未消化完畢。

提出 Lightspeed 線路的 George 只說 LDR 有 25 年的壽命,倒沒有提到衰退的問題,好在 Paul 兄告訴我這個盲點。不知道 LED 衰減幅度和時間有多快,如果能撐上三五年,那屆時再換上一套也還算可以接受。不過照這麼說來,我對 LDR 電位器「耐用」這個評語就要打折扣了。另外我也很好奇 LDR 電位器和級進電阻或其他高價 VR 的比較,可惜手邊都沒有比較高級的 VR 足堪對照。

最後請教一下,不曉得「大港」的音色,要如何透過串/併聯電阻調整呢?小弟之前用過 100K、20K 等不同阻抗的 VR,覺得音色差別不大。現在這個 Lightspeed attenuator 輸入阻抗為 10K,不曉得要從哪下手調整「大港」的問題?

大眼睛 提到...

WF兄,家裡剛好有經營相關產業,或許可以提供您一些意見。LED的光衰要視LED本身的種類、品質、及使用環境而定;一般而言,照明用的高亮度白光LED的"壽命"(衰減30%)都宣稱三萬小時,也有標榜五萬的。而與其他電子零件相似,LED的壽命和工作溫度成反比。不曾玩過lightspeed attenuator,但推斷它用的應該是低功率的LED,本身的發熱量應該很低。而B1的機內溫度應該不高,比起一般燈具的環境要好得多。因此,要使用個三五年,應該不成問題才是。但我對lightspeed attenuator使用的LED及其要求的精確度一無所知,只是憑空猜想,可能還是得詢問原設計者。

對了,WF兄您實在太客氣了。我最近一樣有些事情要忙,也就好一陣子沒有來拜訪。這幾天再找時間好好回覆。

Paul 提到...

WF兄, 小弟只是有興趣, 收集了一些資料而已. 跟您的實作經驗比起來, 根本不算什麼. LED的耐用度應該是無庸置疑, 所以LDR一定也可以用很久. 小弟有疑慮的不是LDR的耐用度, 而是過了一段時間之後, LED光衰所造成的配對問題, 尤其是lightspeed裡面有四個LDR, 配對只會更困難.

小弟看了一下Silonex NSL-32SR2的datasheet, off的時候電阻為1M~5M歐姆. 再去查了一下First Watt B1的電路圖, 建議的VR為25K歐姆. 因此, 小弟猜想, 如果在lightspeed訊號剛進入的地方, 並一個25K歐姆的電阻下地, 這樣才會符合First Watt B1的原設計.

這只是小弟的一個想法, 談不上建議, 還請WF兄多指教.

Richard 提到...

終於看到中文的使用心得,感謝您的分享.

既然效果不錯,我想我有空也來玩看看,我的構想是,配對不是問題,因為假設我用MCU控制LED亮度,每階分別調整,誤差絕對會比買人家挑好的還要準....

coffin 提到...

Nice

LDR的阻值,隨著LED上電,還是會小飄。
不過像我吃粗飽的就不在乎~~

coffin 提到...

BTW,線路設計沒有讓LDR完全off,所以輸入阻抗大約是在10K-20K左右,看你用的LDR阻值。

Paul 提到...

Richard兄, 用MCU控制, 真是高見, 只是技術層次又提高不少, 小弟只能望梅止渴.

Coffin兄, 感謝您的指正. 10K-20K的輸入阻抗, 就跟原來First Watt B1的設計差不多. Pass也說用更大或更小阻值的VR都可以, WF兄也覺得100K和10K差不多. 所以, 大港的聲音, 可能真是來自於LDR的聲音特質, 而不是小弟之前所言的阻抗匹配的問題了.

WF 提到...

Pual 兄,很感謝您費心幫我想調音的辦法。如 Coffin 兄所言,Lightspeed attenuator 那四顆 LED 隨時都在 on 的工作曲間,的輸入阻抗大約是 10K,而 B1 原始的設計確是 25K,我之前試過同品牌同規格的兩種 VR,一顆 100K 一顆 20K,聲音的確略有不同,但差異也不是非常大,20K 比較好一些。

Coffin 兄,Lightspeed 的阻值上電後大約要幾十分鐘才會穩定,要調整左右誤差的話,最好也是等到穩定後進行。不過只要一開始有匹配,左右聲道的誤差其實不太嚴重。不過我很少正襟危坐在皇帝位聽,也是吃粗飽 ^_^

眼睛兄,難怪那位設計者說,平時最好讓音量旋鈕放在中間,以免功率偏重於 series 的 shunt 其中一顆,減少其壽命。他們宣稱可以用 25 年,我想一般電路上的小型 LED 真的是很難壞(我目前還沒看過家中電器 LED 壞掉的),比較擔心的是「雖然能用但聲音衰退」的程度有多明顯。

Richard 兄,我是比較好奇,是否值得花太多成本來搞這 LDR 電位器。老實說 Lightspeed attenuator 聲音雖然不錯,卻不知道有沒有比三五千塊的高級 VR 或級進式電阻更好。現在我這組製作成本大約兩千多塊(包含 TKD 2CP601 的價格),在這個價位表現還不錯,但如果搞得太複雜,是否仍然超值,是否比其他電位器方案更好,就要再確認了。如果有機會我會去買高價電位器來試用再與大家報告其間差異。

又,配對的問題其實沒有想像中麻煩。買現成配好的雖然小貴但配得還不錯,現在只是擔心 Paul 兄提出的,每顆 coupler 衰退的進度不一,可能用一陣子就不那麼 match 了。

上界賀ㄟ歐吉尚 提到...

路過對兄台的文章很有興趣,想請問一下:
如果LED發光不穩定時,音量會否有飄移的狀況發生?正常狀況下,兩聲道應需兩組光耦合元件?若不穩是否常需調整balance?
謝謝!

上界賀ㄟ歐吉尚 提到...

另光敏電阻可以達到0歐姆嗎?那可以使用OP IC做線性放大嗎?

WF 提到...

歐吉尚您好,

Silonex-NSL-32SR2 看來是無法到 0 ohm,詳請可見 datasheet:
http://diyaudioprojects.com/Solid/DIY-Lightspeed-Passive-Attenuator/Silonex-NSL-32SR2-Optocoupler.pdf

我不太了解您說 LED 不穩定的情況是怎樣?是指電源供應不穩定嗎?Lightspeed attenuator 有 5V 穩壓,我聽到目前都很穩定,沒有什麼不對勁之處。

另外,的確,Lightspeed attenuator 這個線路,需要兩組配對的 couplers,就像一般 VR 的運作,一對是 series,一對是 shunt。只要 couplers 有配對好,上電之後再微調過,就一直很穩定(我連續上電使用一週了),目前沒有發現明顯的飄移或不平衡。

最後我不知道您所指的,用 OP-Amps 作線性放大是什麼意思,可以說得更詳細一點嗎?不好意思。

上界賀ㄟ歐吉尚 提到...

我的意思是LED發光會否產生雜訊,當光敏電阻接收此雜訊,電阻會否因此產生不固定的波動?
那就是LDR元件本身的問題了。
謝謝。

WF 提到...

歐吉尚,我想您說得沒有錯,LED 多多少少會有些雜訊串到光敏電阻上。也所以,光敏電阻的音色,會因為所用的 VR 或電源不同而有所變化。

匿名 提到...

豬兄, 本人之前有作過 MCU控制256階音量+響聲控制+靜音控制+4頻道選擇+紅外線控制
早就把可變電組拿掉了,效果是很好, 不過音量是透過RELAY控制,切換過程會發出輕微的雜音, 目前加了切換抑制電路,雜音已經非常小,聽不到了, 承蒙豬兄介紹光敏電阻音量控制器, 如加以改良,並入上述電路,拿掉RELAY,那就完美了, 改天做好了
再與豬兄分響 哈哈!

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