Protection Subwoofer par Limiteur variable (analogique)

[alka]

Me revoilà avec mon projet de limiteur pour protéger un HP de sub asservi.

L'origine

Mon but est de protéger le HP du sub asservi dans les très basses fréquences. L'asservissement pousse le HP a aller ou il ne veut pas. Et il le pousse fort. Pour gagner quelques Hz de bande passante vers le bas, le besoin de pouissance devient hénaurme. De quoi mettre mon ampli en protection ce qui est rageant car il a besoin de plusieurs minutes de repos avant de redémarrer.

Voici l'allure de la courbe de puissance de mon caisson asservi GT120 dans 30l :



A quelques Hz près entre 20 et 30, la puissance bondit !

La solution habituelle est de mettre un filtre passe-haut , appelé filtre infra. Bien pentu a 30Hz est c'est réglé. C'est simple et efficace mais il a le défaut de couper le signal infra quel que soit son niveau, alors que les infras a faible niveau pourraient rester. Ca manque de subtilité.

Ce serait bien d'avoir un système qui limite dynamiquement le niveau des infras selon la fréquence. Ou, vu autrement, pouvoir réduire dynamiquement la bande passante quand le niveau d'infra basses dépasse un certain seuil et l'élargir si le niveau est bas.

On peut faire ça dans un DSP avec plus ou moins de facilité selon les fonctions disponibles. Voir ce sujet pour le DSPiy.

On peut aussi le faire en sortant la trousse à outils analogique avec de bon vieux composants

Le projet

Me suis inspiré de ce que raconte Rod Eliott iciet surtout la partie Led + LDR (Light Dependant Resistor). Le fameux VACTROL VTL5C4 utilisé dans pas mal de systèmes analogiques pro.
Comme les vactrol sont difficiles a trouver, j'ai fait mon propre Vactrol diy pour quelques centimes. Le vactrol n'est qu'une led accolée a une LDR dans un paté de résine. On trouve des tutos sur internet pour en faire, Rod Eliott aussi en parle.
J'ai fait simple : une led 5mm haute luminosité, de la mousse electrostatique de chaque coté pour bien assombrir, les pattes de la led et de la LDR traversent la pousse, puis de la gaine thermorétractable qui englobe et tient le tout ensemble.

Le principe est simple :
led pas éclairée => la LDR a une résistance très grande (>200K jusqu'à quelques Mohm)
led éclairée => la résistance chute très fortement jusqu'à bien moins que 1k.

Ces systèmes sont appréciées dans le rôle de limiteur depuis longtemps car elles ont une attaque assez rapide et un relâchement plutot lent et une courbure (knee) naturelle. Ca sonne bien parait il.

Schéma et fonctionnement



En entrée, un prélèvement sur le HP. P1 permet de régler le seuil.
Ensuite un filtre passe-bas autour de X1 dont la courbe permet de créer le seuil de détection variable selon la fréquence dont on rêve.
J'ai pas mal simulé pour trouver que Fc=25Hz c'est bien pour mon usage. C'est prévu pour envisager un filtre du second ordre (R2 prend une valeur et C1 en place). On verra si utile.

Le signal atténué (ou pas) par le filtre arrive sur le transistor Q1, directement a travers D1 pour l'ondulation positive et pour l'ondulation négative a travers l'inverseur X2 qui la redresse puis D2 . Les deux se rejoignent sur la base de Q1.

Si la tension en sortie du filtre dépasse le seuil de D1 et D2 (0,6V) + Vbe de Q1 (0,6V) + approche de Vf de la led (1,5V) le transistor Q1 devient passant. La led s'éclaire et la résistance LDR baisse.

Entre P1 et le filtre X1 (Fc, pente) on peut règler le système pour déclencher quand il faut.

Coté signal : il entre dans un pont diviseur variable formé par R5 et la LDR, et en ressort.
- Si seuil non atteint, led éteinte, résistance LDR très élevée => le signal sort du diviseur inchangé. En pratique, la LDR n'a pas une résistance infinie et on perd de l'ordre de 0,1dB.
- Dès que le seuil est attteint, la led commence a être éclairée => le pont diviseur agit comme un atténuateur (baisse de gain). Un peak limiter. Le signal OUT est atténué. En pratique, la résistance de la LDR tombe très vite et l'atténuation est plutot forte, de l'ordre de -12dB.

Bien que la Led et LDR ne soient pas du tout linéaires, le mécanisme d'atténuation qui agit sur le signal est lui purement linéaire. Aucune disto introduite.

Comme le signal_OUT va vers l'ampli, le niveau sonore baisse et donc le prélèvement a l'entrée baisse aussi ce qui fait passer sous le seuil et on se stabilise. C'est une boucle. Et tout ça se fait en rondeur grâce au délai intrinsèques de la LDR.


J'ai fait quelques essais avec le circuit sur plaque d'essai, carte son et oscillo sans ampli ni HP pour l'instant. Ca s'avère plutot précis et efficace. A voir sur un vrai système. A suivre.

Variantes, simulées qui sont a tester :
- filtre second odre ?
- low shelf plutot que filtre passe-bas ?
- résistance de pied sous la LDR pour atténuer un peu moins fort ?

[thierryvalk]

Ta présentation du problème met en évidence que ce n’est pas le fait de faire passer du 25Hz à haut niveau, mais bien le niveau de puissance qui pose problème.
Car pour 250W et si l’on ne prend pas en compte l’impédance du HP, tu as quelque part un gros boost dans le bas.

Donc au final, ton filtre n’est pas vraiment nécessaire.
Il faut aussi bien garder en tête que ce filtre introduit une latence (c’est la même chose qu’en digital).

Vu qu’il s’agit de limiter la puissance de l’ampli, il serait peut être possible de travailler directement sur sa sortie, on y a de l’énergie et bien de quoi allumer une LED.

La grande différence entre ton principe et celui sur lequel j’ai travaillé avec le DSPiy est que lorsque l’on dépasse le niveau, tu atténue le signal complet du Sub et pas seulement le bas.

[alka]

j'ai pas expliqué l'assevissement.
La réponse d'un sub ordinaire en clos est une sorte de cloche. Un ampli en tension normal envoie une tension de valeur identique à toutes les fréq. La puissance a une fréq donnée dépend de l'impédance. Le niveau spl dépend de ce que le HP fait naturellement dans la caisse: la cloche.
L'asservissement, lui, impose au HP de sortir le SPL demandé. Un signal plat en entrée ressort plat. L'asservissement module le gain de l'ampli pour que le SPL demandé soit obtenu a chaque fréquence. La puissance nécessaire à chaque fréq dépend de la réponse du HP et de son impédance.

Par exemple, un signal a 25Hz entre a 0dB. L'asservissement pousse le HP a sortir à 0dB à 25Hz. Dans le cas du GT120 dans 30l cela nécessite 326W. C'est ce que dit la courbe. Il n'y a pas de boost. La courbe tient compte de l'impédance du HP mais elle reste théorique. Ne tient pas compte en particulier que le SPL selon puissance s'écrase quand la puissance devient grande : en réalité, il faut plus de puissance encore.

Sans protection, ça peut détruire le HP (exploser X-max). En pratique, l'ampli ou son alim finit par abdiquer avant et limite de fait. S'appuyer sur l'ampli pour ça n'est pas prudent. L'utilisateur prudent met habituellement un filtre infra, mais c'est pas très subtil. Un filtre infra coupe les infras, quel que soit leur niveau.

Le but de ce système est de faire mieux qu'un simple filtre infra pour protéger efficacement tout en maximisant ce qui peut être reproduit sans douleur.

Implémenté avec un DSP, on peut segmenter la bande de fréquence et travailler sur une bande étroite. En analogique c'est juste déraisonnable. Donc oui c'est toute la bande du sub qui est limitée quand un pic a rogner arrive.
L'avantage de ce mécanisme en revanche est d'avoir un réglage du seuil très pointu. Il ne limite pas en fonction de la valeur totale RMS de l'energie sur une bande de 10 à 40Hz mais précisément du niveau a chaque fréquence. Comme c'est plutot rare d'avoir une bande son avec des niveaux élevés uniformes a très basse fréquence, il va déclencher moins souvent je pense et seulement a bon escient. D'ailleurs vu le temps de réaction, c'est un peak limiter.

Le FILTRE montré dans le schéma est nécessaire. Il permet d'adapter dynamiquement le seuil du limiteur selon la fréquence.
En réalité, dans ce schéma le seuil du limiteur est fixe et c'est le signal qui est ajusté par le filtre. Je devrais l'appeler SHAPER car c'est plus son role.

Le shaper introduit un déphasage (pas une latence hein ! ). Il y aura un léger retard de la limitation par rapport au signal. Sur un sub normal c'est pas gênant du tout. Pour le sub asservi il faudra vérifier que l'asservissement s'en sort mais normalement c'est bon car on a une belle marge de phase.

[alka]

En parlant de SHAPER j'ai coincé un bon moment sur la question.

En regardant de près la puissance max admissible par le sub selon la fréq et en reportant les points, ça donne une courbe ressemblant a un filtre passe-haut du second ordre.
>50Hz ... 0dB
45Hz ... -3
40Hz ... -5
35Hz ... -7
30Hz ... -10
25Hz ... -14
20Hz ... -18

J'ai cherché a faire le shaper selon un filtre passe-bas mais je n'arrive pas a obtenir le bon résultat.
Il faut inverser pour le shaper et j'ai fini par comprendre que je suis parti de travers : l'inverse d'un passe-haut n'est pas un passe-bas !!!
En traçant c'est évidement : il me faut un low-shelf de fort gain ou un PEQ dont la courbe descendante s'approche plus de ce qu'il faut. Au travail!

[thierryvalk]

Soit je ne comprend pas bien, soit je ne suis pas d'accord.
Je me permet de remettre une image du site de Philby :

En bleu la courbe du HP, ta cloche, on est bien d'accord que pour avoir cette courbe, on a envoyé une tension constante.
Les autres courbe montrent bien un boost.

Pas convaincu? Voici la correction via une LT pour donner un résultat similaire à l’asservissement :


Le chapitre complet :
http://phil.charlet.free.fr/sub/tests.html

[alka]

je connais tout ça, j'y étais je ne vois pas ce qui t'échappe.

linkwitz transform et asservissement : La manière est différente mais c'est le même combat. Ils forcent le HP a descendre en jouant sur le gain.

Voilà un graphe bien explicite : le même HP, même caisse, avec et sans asservissement. On voit bien la cloche bleue quand il fait ce qu'il veut et la réponse rouge plate de 20 à 200Hz quand il est servile.

Sur cette mesure, mon réglage de l'asservissement était calé sur le niveau à 40Hz et pas sur le max que le caisson atteint seul vers 60hz ! En réglant sur le max tu peux rajouter 10dB aux écarts
Le job de l''asservissement c'est de forcer l'ampli à produire les watts kivontbien pour combler l'écart.

[thierryvalk]

Il semble que l'on est bien d'accord, mais alors je ne comprend ces mots :

Si un signal a 25Hz entre a 0dB, l'asservissement pousse le HP a sortir à 0dB à 25Hz et dans le cas du GT120 dans 30l cela nécessite 326W. C'est ce que dit la courbe. Il n'y a pas de boost.

Par contre je comprend que mettre un limiteur en sortie de asservissement ou d'ampli va mal fonctionner vu l'un va vouloir compenser l'autre.
Par contre, il est peut être possible d'y piquer le signal de contrôle et placer la LDR en entrée de la carte d’asservissement.
En d'autres mots, l’asservissement en fait trop à hauts niveaux et il il faut donc le limiter à ce moment.

[alka]

en te relisant : tu parle de boost.
On peut dire que l'asservissement fait un auto-boost (en + et -) partout où il le faut pour que la réponse en sortie soit conforme au signal entrant.

Avec un signal entrant plat, l'asservissement doit redresser la cloche en platitude. Et pour ça il joue sur la puissance de l'ampli.
Ce que montre ma toute première courbe de puissance c'est le prix que ça coute d'avoir une réponse plate. A 60Hz pas grand chose vu que le HP le fait naturellement, a 25Hz c'est très très cher.
Et on pourrait aussi surveiller la courbe du déplacement de la membranne qui approche dangereusement le XMax !

[alka]

Il semble que l'on est bien d'accord, mais alors je ne comprend ces mots :

Si un signal a 25Hz entre a 0dB, l'asservissement pousse le HP a sortir à 0dB à 25Hz et dans le cas du GT120 dans 30l cela nécessite 326W. C'est ce que dit la courbe. Il n'y a pas de boost.

le mot boost est clarifié, on se comprend.

Par contre je comprend que mettre un limiteur en sortie de asservissement ou d'ampli va mal fonctionner vu l'un va vouloir compenser l'autre.
Par contre, il est peut être possible d'y piquer le signal de contrôle et placer la LDR en entrée de la carte d’asservissement.
En d'autres mots, l’asservissement en fait trop à hauts niveaux et il il faut donc le limiter à ce moment.

pas de souci : le limiteur agit sur la branche signal. Donc naturellement, l'asservissement va s'ajuster.
Le seul souci potentiel c'est le décalage entre l'action du limiteur et ce qui se passe sur le HP (et que voit l'accéléromètre). Il y a un léger déphasage dans le limiteur qui se traduit par un petit délai variable selon les fréquences. On en parlait un peu plus haut : je pense que ça passera car on a une marge de phase assez grande avec l'asservissement. Il ne perd pas facilement les pédales.

[thierryvalk]

Ok, donc on se comprend.

edit : on a poster en même temps.

[alka]

avec tout ça j'ai réfléchi a mon histoire de shaper et j'ai relevé un petit souci iiiii

j'écris joyeusement dans la table plus haut que je veux un seuil de détection à 20Hz de 18dB par rapport au 0dB de 50Hz
Or je compare a une tension fixe de l'ordre de 2,2 à 2,4V (Vf des diodes + Vbe Q1 + Vf led).
18dB de plus c'est 8x plus en tension, donc un seuil de plus de 16V alors que la carte est alimentée en 12V...

oops, va falloir réviser mes ambitions

l'analogique se heurte bien plus vite aux réalités !

[alka]

Il a plu ces jours derniers, temps idéal pour se remettre au travail.
Voilà une version qui fonctionne bien :



quelques changements depuis le début ! MC9 et la breadboard ont servi cette semaine !

Le couple Led1 + LDR (aussi appelés Photoresistor ou Photocell) est mon "Vactrol" diy.
Placé sur le collecteur de Q1, le seuil de déclenchement est maintenant plus bas (en pratique au tour de 1V) et on peut avoir une plage de variation jusqu'à 20dB (x10) sans souci avec la carte alimentée en +-12V.

Led2 est un témoin visuel de la limitation. C'est cool : elle pulse avec les basses quand on monte trop le volume

Au départ ça marchait plutot mal a l'écoute. Ma LDR est trop rapide! Elle a un raise time de 30ms alors que le Vactrol VLT5C4 généralement utilisé dans ce rôle a délai de 1,4s ! Soit je trouvais une autre LDR plus lente a remonter, ce qui n'est pas courant car l'industrie cherche a faire des LDR rapides justement. Soit un moyen de ralentir la réaction du limiteur. Rajouter C3 fut la clé. Après quelques tâtonnements la valeur est bien.


Pour régler c'est tout simple : HP débranché (sinon trop de bruit !), générateur de signal sur la fréq a partir de laquelle on veut le 0dB (cad que limiteur n'agira plus au delà), volume de l'ampli à fond et on tourne P1 jusqu'à ce que la led2 s'allume a peine. Voilà.


Noter l'ajustement du signal. Le niveau est corrigé (autour de X1 sur le schéma) et il est redressé (X2, D1,D2) avant d'être comparé au seuil de déclenchement. Le correcteur est un passe-bas du 2eme ordre avec gain, topologie Multiple Feedback. Les très basses freq sont très amplifiées. Avec ce type de filtre on peut bien approcher la courbe de correction cible souhaitée.
Le seuil de déclenchement est le Vf des diodes D1,D2 + Vbe de Q1. En pratique, ça commence a limiter autour de 1Vp.

J'ai fait un tableur qui trace la courbe de la puissance max admissible d'un HP selon fréquence. On choisit la fréq pour laquelle on veut le 0dB et l'outil en déduit les différences aux autres freq qui deviennent la courbe cible (target) pour la "correction".
Dans le tableur j'ai aussi mis la réponse d'un filtre LP MFB pour pouvoir ajuster visuellement sa réponse (verte) en faisant varier Fc, Gain (K) et Q et approcher au mieux la courbe cible (losanges bleus).
Ensuite, un petit tour sur le site de simulation okawa-denshi qui calcule les valeurs des R et C du filtre a partir de Fc, K et Q.
La courbe rouge est la réponse du filtre avec les valeurs de R et C sorties des séries E24 et E6.

Ca suit bien ! ce qui se passe en dessous de 20Hz est anecdotique car de toute façon il y a aura un filtre infra. On voit aussi que le sub consomme de la puissance au delà de 100Hz. Faut se méfier avec l'asservissement : si on élargit la bande passante du sub, on peut avoir des surprises de consommation de puissance inattendus.

[philby]

Le 12v sur l'entrée signal, c'est une erreur ou la photo résistance a besoin d'être polarisée ?

[alka]

Le 12v sur l'entrée signal, c'est une erreur ou la photo résistance a besoin d'être polarisée ?

c'est juste pour la simu. j'ai oublié de l'enlever avant la photo. T'as l'oeil

J'ai simplifié car pas trouvé comment simuler la boucle complète. MC9 a un problème de poule et d'oeuf quand on branche la sortie sur l'entrée

Une ldr est une pure résistance. Sa résistance baisse quand l'éclairage augmente et inversement. La vitesse a la baisse et a la remontée est différente. J'ai utilisé une waytrony KE-10720.
pas trouvé de photoresistor dans la librairie mc9 et pas trouvé de modèle spice de photoresistor utilisable. La formule que j'ai mis est une approximation qui ne tient pas compte de la dissymétrie. C'est tout juste suffisant pour avoir une idée du fonctionnement.

[thierryvalk]

Si j’ai bien compris, tu prends le signal en sortie d’ampli.
Pourquoi ne pas le prendre en entrée vu que l’ampli ce n’est qu’un gain et censé avoir une bande passante suffisamment plate ?

La stabilité en température est suffisante ?

En mettant un opto-triac à la place de Led2 tu pourrais commander une lampe et faire discothèque.

[alka]

Si j’ai bien compris, tu prends le signal en sortie d’ampli.
Pourquoi ne pas le prendre en entrée vu que l’ampli ce n’est qu’un gain et censé avoir une bande passante suffisamment plate ?

bonne question. La boucle en prenant le signal en sortie d'ampli est vertueuse. Signal mesuré trop fort arrive, le gain est corrigé donc le signal mesuré baisse et un équilbre s'instaure. Un peu comme l'intégration dans un asservissement.
En mesurant le signal d'entrée directement, sans boucle, en cas de dépassement du seuil, le signal est atténuée de x dB (quasiment toujours le même x). Ce serait plus proche d'un écréteur. J'ai pas essayé, mais le résultat à l'écoute est sans doute différent.
Les limiteurs DSP s'en sortent car ils font une mesure RMS du signal ce qui créé ce temps d'intégration et on peut spécifier finement l'atténuation a faire selon le niveau de dépassement.

La stabilité en température est suffisante ?

Ca chauffe pas ou si peu que pas perceptible. Les valeurs de la LDR varient bien un peu avec la température mais comme elle est utilisée, sa valeur précise de résistance n'a que peu d'importance. Pour le reste, je ne pense pas que le filtre autour de X1 varie dans le temps ou avec la température.

En mettant un opto-triac à la place de Led2 tu pourrais commander une lampe et faire discothèque.

là non. Le but est de ne pas limiter. Si la led s'allume tout le temps c'est qu'il y a un souci de niveau d'écoute p/r a ce que le sub peut fournir. Il ferait bien noir dans la disco

[thierryvalk]

Il y a un truc qui me choque dans ton schéma.
Le but est de dimer la led, mais tu utilises un TR comme s’il était en commutation.
Ne faudrait ’il pas au minimum une petite résistance dans l’émetteur ?

En fait en repensant, je me demande même si ce Tr ne pourrait pas être supprimé en prenant un AOP qui délivre assez de courant et/ou une LED bien adaptée à la LDR au niveau sensibilité / longueur d’onde.

Autre point, mais discutable (tout se discute ) :
R10 C3 forment ton détecteur d’enveloppe, il serait alors normal de piquer R6 sur C3 voir directement la base de Q1.

[alka]

Il y a un truc qui me choque dans ton schéma.
Le but est de dimer la led, mais tu utilises un TR comme s’il était en commutation.
Ne faudrait ’il pas au minimum une petite résistance dans l’émetteur ?

Le transistor est bien en commutation. En fait, le but n'est pas de dimmer la led. Ce serait bien compliqué car le comportement de la ldr n'est vraiment pas linéaire. Dès que le seuil est franchi, la Led prend le plein de courant et la LDR chute rapidement.
L'équilibre au bon niveau d'atténuation se fait grâce à la boucle de contre-réaction.
Ensuite, le délai de remontée de la résistance de la LDR (et l'amortissement grâce à C3) donnent de la douceur à la reprise.

Rajouter une résistance en émetteur de Q1... oui peut etre, mais je vois pas ce que ça apporte.

Autre point, mais discutable (tout se discute) :
R10 C3 forment ton détecteur d’enveloppe, il serait alors normal de piquer R6 sur C3 voir directement la base de Q1.

je vois C3 comme un ralentisseur.
J'ai mis R10 pour limiter le courant de charge de C3 sans pour autant ralentir l'arrivée de la tension en base de Q1. Donc volontairement pas C3 entre R10 et R6. Le temps de charge de C3 ne ralentit pas le déclenchement de Q1. La décharge de C3 a travers R10+R6 ralentit un peu. C'est ce que je souhaitais. La constante de temps C3*(R10+R6) est autour de 10ms.

En fait en repensant, je me demande même si ce Tr ne pourrait pas être supprimé en prenant un AOP qui délivre assez de courant et/ou une LED bien adaptée à la LDR au niveau sensibilité / longueur d’onde.

Oui on pourrait sans doute réfléchir et se passer de Q1. Encore que, le Vbe de Q1 influe aussi sur le seuil de déclenchement et, bien que en commutation, Q1 met un peu de progressivité.
J'ai fait avec TL072 + 2N2222 que javais sous la main.
La led est adaptée à la LDR : les deux sont rouges. Led 5mm haute luminosité. J'ai fait ce "vactrol diy" cette semaine sans le mesurer dans les détails. J'avais mesuré son prédécesseur avec led 3mm un peu moins lumineuse.
R7 est a 750 dans le schéma ce qui ferait autour de 15mA . Je viens de voir sur mon montage breadbord que c'est 390 ohm, reliquat d'un test et j'ai oublié de changer! Faudrait que j'essaie avec d'autres valeurs avant démontage.