KOR v1: HHH Strat için 9 V'luk aktif buffer ve boost, SMD ve THT iki kart

Üç humbucker'lı (HHH) Strat'ım için küçük bir aktif preamp tasarladım: KOR v1. Gitarın tesisatına dokunmuyor. 5'li seçici, Volume ve Tone olduğu gibi kalıyor, yeni bir pot eklenmiyor. Kart Volume'un çıkışı ile jack arasına giriyor ve iki iş yapıyor: kabloyu manyetiklerden ayırıyor (buffer), istenirse sinyali 7,7 dB'e kadar yükseltiyor (BOOST). Pickguard'a eklenen tek bir mini anahtar gitarı aktiften pasife alıyor. Pasifte preamp sinyal yolundan tamamen çıkıyor ve pil hiç akım çekmiyor.

Kartın iki sürümü var: 32×20 mm'lik bir SMD kart ve elle lehimlemek için 48×28 mm'lik bir THT kart. Devre aynı, yalnızca op-amp ve kılıflar farklı.

Neden buffer?

Pasif bir gitarda manyetik, potlar ve kablo birlikte bir filtre oluşturuyor. Humbucker'ın yaklaşık 4,5 H'lik endüktansı, kablonun kapasitansıyla (3 m kablo için yaklaşık 300 pF) bir rezonans yapıyor ve bu rezonansın üstündeki tizler hızla kayboluyor. Kablo uzadıkça rezonans aşağı iniyor, ses koyulaşıyor.

Buffer bu kapasitansı manyetikten saklıyor. Manyetik artık yalnızca kartın girişini ve kartla arasındaki birkaç santimlik teli görüyor, kabloyu op-amp sürüyor. ngspice ile bir humbucker modeli (4,5 H, 9 kΩ, 200 pF), 500k Volume ve Tone potları, 22 nF ton kondansatörü, 3 m kablo ve 1 MΩ'luk amfi girişiyle iki durumu karşılaştırdım:

Yani tepe yaklaşık 600 Hz yukarı kayıyor ve 5 kHz civarında yaklaşık 4 dB daha fazla tiz kalıyor. Volume kısıldığında da fark büyüyor: pasif gitarda kısılan pot ile kablo bir alçak geçiren filtre oluşturuyor ve ses boğuklaşıyor. Aktifte kabloyu op-amp sürdüğü için bu etki ortadan kalkıyor.

Herkes bu parlaklığı istemeyebilir. Pasif sesin koyuluğu kabloya bağlı olduğu için kartta bunun için boş bir yer bıraktım: C9, girişten toprağa bir kondansatör. 220-470 pF'lık bir NP0 takılınca kablonun kapasitansı yerine konmuş oluyor ve ses pasife yaklaşıyor. Varsayılan olarak takılmıyor.

Devre

9V ── D1 (ters polarite) ── 47µ ‖ 100n ── VCC
VCC ── 100k ── VREF (≈4,4 V, 10µ) ── 100k ── GND

IN ── 10M ── GND
IN ── 47n ──┬── 1M ── VREF
            └── 1k ── (100p → GND) ── op-amp +
op-amp − ── 33k ── 10µ ── GND
op-amp çıkış ── RV1 47k (BOOST) ── op-amp −   (100p paralel)
op-amp çıkış ── 100 Ω ── 10µ ──┬── OUT
                               └── 100k ── GND

• Tek besleme ve sanal toprak: 9 V pilin yarısı iki 100k ile alınıyor ve 10 µF ile süzülüyor. Op-amp girişi 1 MΩ üzerinden bu gerilime bağlı.
• Giriş: 47 nF giriş kondansatörü DC'yi ayırıyor. 10 MΩ, girişi toprakta tutuyor. Kondansatörün iki ucu da her zaman tanımlı bir gerilimde durduğu için anahtar çevrilirken pop sesi azalıyor. 1 kΩ + 100 pF, radyo frekanslarını op-amp'a gelmeden süzüyor. Girişin empedansı 1 MΩ'un biraz altında, manyetiği pasif amfi girişinden daha fazla yüklemiyor.
• Kazanç: evirmeyen kuvvetlendirici. Kazanç 1 + RV1 / 33k. Trimmer tam soldayken 0 dB (saf buffer), tam sağdayken 1 + 47/33 = 2,42, yani +7,7 dB. Geri besleme hattındaki 10 µF, kazancı yalnızca AC'de uyguluyor; çıkışın DC seviyesi VREF'te kalıyor. Paralel 100 pF, ultrasonik bölgede kazancı düşürüp op-amp'ı kararlı tutuyor.
• Çıkış: 100 Ω, op-amp'ı kablonun kapasitansından ayırıyor. 10 µF DC'yi kesiyor, 100k çıkış kondansatörünü boşaltıyor.
• Ters polarite: pil yanlış takılırsa Schottky diyot (SMD'de BAT54J, THT'de BAT85) akımı kesiyor. Diyot yaklaşık 0,1 V düşürüyor, op-amp 8,9 V ile çalışıyor.

Ne kadar sinyal kaldırıyor?

Op-amp'lar rail-to-rail. Simülasyonda çıkış 8,9 V beslemede ±4,35 V'a kadar temiz salınıyor. BOOST tamken giriş 1,8 V tepeye kadar kırpılmıyor, 2 V'ta çıkış tavana dayanıyor. BOOST 0 dB'deyken bu sınır 4,4 V tepeye çıkıyor. Kart temiz bir buffer ve boost olarak tasarlandı, distortion üretmesi beklenmiyor.

İki sürüm: SMD ve THT

Akım değerleri op-amp'ların davranışsal modellerinden (açık çevrim kazancı, kazanç-bant genişliği ve boşta akım) ve devrenin geri kalanından geliyor. Pil ömrü yaklaşık 500 mAh'lik bir alkalin 9 V pil için.

SMD kartın arka yüzü tamamen GND. Kart kaviteye çift taraflı köpük bantla yapıştırılıyor. Arkası toprak olsa da alt yüzün bir makaron ya da kapton bantla yalıtılması gerekiyor, yoksa kavitedeki bir tel ya da vida bu yüzeye değebilir.

THT sürümde dirençler yatık, op-amp DIP-8 soketinde. Elektrolitikler (C1, C5, C7, C8) kutuplu: uzun bacak, silkscreen'de "+" işaretli kare pad'e giriyor. 5 mm'lik elektrolitikler genelde 11 mm boyunda. Kavite derinliği yetmezse yatırılarak lehimleniyor. Önerdiğim montaj sırası: dirençler ve diyot, disk kondansatörler, soket, film kondansatör, trimmer, elektrolitikler, en son op-amp.

İki kartın da pad'leri aynı: IN, OUT, GND, BAT+. Kablolama değişmiyor. İki kartta da KiCad DRC 0 hata ve 0 bağlanmamış pad veriyor.

Kablolama

Pickguard'a bir mini 3PDT on-on anahtar (9 bacaklı) ekleniyor. Üç kutbun her biri ayrı bir iş yapıyor:

              3PDT anahtar (her kutup: üst / ORTA=ortak / alt)
              ON = üst, OFF = alt

Kutup A (çıkış):   üst ── PCB OUT
                   ORTA ── Jack TIP
                   alt ── Volume wiper

Kutup B (giriş):   üst ── Volume wiper
                   ORTA ── PCB IN
                   alt ── boş

Kutup C (pil):     üst ── PCB BAT+
                   ORTA ── pil (+)
                   alt ── boş

Pil (−) ── PCB GND ── gitarın ortak toprağı (pot gövdeleri, Jack SLEEVE)

• OFF: Volume'un çıkışı doğrudan jack'e gidiyor. Preamp'ın girişi ayrılıyor ve pil tamamen kesiliyor. Bu, gerçek bir true bypass ve sıfır akım demek.
• ON: sinyal karttan geçiyor.
• Stratların çoğunda olduğu gibi mono jack kalabilir. Bu durumda pil jack'ten değil anahtardan kesiliyor, yani gitar kullanılmadığında anahtar OFF'a alınmalı. İsteyen jack'i stereo (TRS) yapıp pilin eksisini ring'e bağlayabilir. O zaman kablo çıkınca pil ayrıca kesilir.
• Mini 3PDT anahtarların bacak düzeni markaya göre değişiyor. Bağlamadan önce hangi bacağın hangi konumda ortak bacağa bağlandığını multimetreyle kontrol etmek gerekiyor.
• Kavite ve pickguard'ın altı bakır folyoyla ekranlanıp folyo GND'ye bağlanmalı. Aktif bir devre, pasif tesisata göre parazite daha duyarlı.

Prototipte doğrulanacaklar

Kartlar henüz üretilmedi. Yukarıdaki sayıların hepsi simülasyondan ve hesaptan geliyor. Kartlar gelince şunlara bakacağım:

1. Gerçek gitarda ON ve OFF arasındaki ton farkı ve C9 için doğru değer.
2. Anahtar çevrilirken pop sesi.
3. Ekranlama ile ve ekranlamasız uğultu ve parazit seviyesi.
4. Akım: OPA170 ile 155 µA, TLV2371 ile 0,6 mA tahmini gerçek kartta tutuyor mu.
5. BOOST tamken sert vuruşlarda kırpma olup olmadığı.

İndir

Projelerde yalnızca KiCad'in standart kütüphanelerindeki footprint'ler kullanıldı, ayrıca kütüphane kurmak gerekmiyor. SMD kartı JLCPCB'de dizdirirken BOM ve CPL dosyaları production/ klasöründe. Dizgi önizlemesinde parça yönlerini mutlaka kontrol et: KiCad ile JLCPCB'nin 0° tanımı bazı kılıflarda farklı.