Philips CD200 / Asservissement radial

Il est de notoriété publique que les lecteurs CD Philips de première génération ont beaucoup mieux vieilli que les lecteurs japonais de la même époque. Ils sont également fabriqués de manière beaucoup plus rationnelle, qu’il s’agisse de l’organisation interne des cartes, des nappes de fils reliant ces cartes, ou encore de l’absence de parties mécaniques complexes avec courroies et poulies et pléthore de switchs de fins de course. Les points précités suffiraient presque à eux-seuls à décerner définitivement la palme de la maîtrise du système compact disc aux ingénieurs Hollandais, et à l’inverse, un carton rouge à l’envahisseur japonais du début de l’ère du CD, avec tous ses lecteurs autant réussis question design que complexes techniquement (je pense entre autres à l’armada de trimmers nécessaire pour l’ajustement optique / électrique) et peu fiables.
Pour enfoncer le clou, cet article est l’occasion de regarder d’un peu plus près les avantages du système d’asservissement radial développé par Philips, dont voici un extrait de schéma.
Le hasard faisant bien les choses, je viens de récupérer deux lecteurs Philips CD200, l’un en panne, l’autre en état de marche, mais tous deux en très bel état cosmétique. Les deux appareils ont subi le même traitement de base, à savoir le démontage complet avec remplacement des condensateurs chimiques et nettoyage hautement minutieux.
Je rappelle que le CD200 est le tout premier "vrai" lecteur conçu par Philips, directement issu des modèles prototypes. La date de fabrication imprimée sur les cartes principales ne me fera pas mentir : Juin 1982. Autre signe de cette ancienneté, tous les CD200 (comme les CD300 et certains CD303) sont équipés de la fameuse platine Sony pour le décodage des données numériques, implantée sur la carte audio baptisée SO-PHI (Sony - Philips) Board pour l’occasion. Début de production donc...mais lecteur presque parfait.
Pour entrer dans le vif du sujet, voici le symptôme du CD200 acheté en panne sur un site de petites annonces bien connu : le lecteur s’allumait, mais le disque ne bougeait pas d’un degré à la mise en lecture. Disque retiré, j’ai pu observer que la focalisation était bien présente, mais que le laser était éteint pendant la recherche du point de focalisation.
Nul besoin d’entrer dans le mode service du micro "servo" (MAB8420) pour ce genre de symptôme. La ligne "L" (allumage laser) était bien activée à la mise en lecture. En remontant au plus près de la diode laser, je me suis aperçu qu’une piste était coupée sur le mini PCB en bakélite supportant ce composant. J’ai déjà rencontré ce problème sur un Marantz CD73 (lecteur techniquement identique). Sacré coup de chance, sauf qu’après avoir refait la piste coupée, une mesure au lasermètre m’a révélé un laser en fin de vie...
L’opération suivante a consisté à remplacer la mécanique complète (CDM0 type A05, alimentation positive, diode laser Sharp).
Malheureusement (ou heureusement, car j’aime ça), le lecteur était porteur d’une autre panne d’ordre électronique. Pour un article qui se veut vanter les qualités de ces premiers lecteurs Philips, cela fait beaucoup, certes, mais comme dit plus haut, la bonne accessibilité des différents circuits combinée à une documentation technique complète et assez explicite rend ce genre de dépannage presque ludique.
Suite au remplacement de l’ensemble mécanique, le laser était bien présent avec une puissance conforme (de l’ordre de 0,1 mW), le disque tournait mais la table des matières du disque n’était pas lue. En forçant manuellement le bras de lecture à avancer vers l’extérieur du disque, la vitesse angulaire diminuait, ce qui signifiait que l’asservissement de vitesse était opérationnel (encore un avantage du bras galvanométrique !). L’amplitude du signal RF mesuré sur le connecteur A67-1 était correcte (environ 1V c à c) mais le signal n’était pas synchronisé. Dans le cas général, ce genre de symptôme peut avoir de nombreuses causes possibles (alimentations et section mécanique étaient conformes dans le cas présent) : Ampli RF, asservissement de moteur disque, alignement électrique dans les choux, étage de puissance de tracking HS etc..
C’est dans ce cas que le mode service intervient et se montre bien pratique. Pour y accéder, il suffit de maintenir la touche "stop" enfoncée pendant la mise sous tension. Ce mode spécial déjà évoqué dans cette rubrique à quelques reprises permet d’activer les servo-system un à un afin d’orienter la recherche de panne.
Dans l’ordre, on valide le bon fonctionnement du micro "servo", puis du micro "deco" (routine de test des Leds de l’afficheur), la présence laser et la recherche de focalisation, la commande processeur du bras de lecture pendant les effets spéciaux (et donc l’étage de puissance radiale), le bon fonctionnement de l’asservissement de vitesse, de l’asservissement radial, le décodage des données par validation / invalidation des données de sous-codes (pour l’affichage), et enfin, la présence de signal audio.
Cette procédure est valable pour l’ensemble des lecteurs CD de première génération Philips.
Dans le cas de ce CD200, dès le passage en mode service (boucle A donc), le bloc optique devait normalement être ramené en positon "intérieure", ce qui n’était pas le cas ici et a posé rapidement le diagnostic. Au démarrage, le bras de lecture ne répondait pas aux ordres du processeur "servo", la commande d’effets spéciaux en provenance du micro servo n’ayant pas "d’effet", alors que les lignes de commandes RC1 et RC2 étaient activées (vérification faite à l’oscilloscope). Évidemment, il était impossible d’enclencher l’asservissement radial (passage de la boucle A à la boucle B).
La probabilité d’une panne de tracking (panne de déplacement du bras optique) est assez élevée sur ce type de machine, tant les circuits mis en œuvre par le fabricant sont complets et complexes.
Pour rappel, il n’y a pas de tracking fin sur les lecteurs Philips équipés du bras galvanométrique. En d’autres termes, la lentille externe n’est mobile que verticalement, et non latéralement. Tout mouvement de correction du suivi de piste est donc effectué par déplacement du bras complet (course maximum du bras : 45°, du centre à l’extérieur du disque).

Asservissement radial Philips
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RAFOC / CDM0 - course du bras de lecture

Cette particularité (absence de déplacement latéral de la lentille externe) permet d’isoler au maximum les parties internes du bloc optique et ainsi de le préserver de l’opacification due aux salissures externes (graisses, fumées etc), et ainsi de maintenir les caractéristiques de suivi de piste à long terme. Le fait que le chemin optique reste parfaitement propre garantit une plus grande durée de vie de l’optique, l’opacification optique étant une des causes principale de l’usure définitive d’un bloc optique, sur d’autres types de montages.
Pour comprendre l’intérêt de conserver un chemin optique parfait, je copie / colle le paragraphe suivant extrait de la rubrique "Technique du CD" :

"Dans tous les cas, le bloc optique utilise une diode laser produisant un faisceau laser qui après réflexion sur la surface du disque, traverse différents éléments optiques jusqu’à la cellule photodiode. Les signaux délivrés par cette cellule sont le reflet des variations de lumière en provenance des bosses et des plats présents à la surface du disque ; ces variations de lumière deviennent des variations de courant en sortie des photodiodes contenues dans la cellule photodiode. (....)
La surface du disque étant métallisée, le faisceau laser incident est réfléchi en permanence. Néanmoins, la quantité de lumière réfléchie varie selon que le faisceau laser rencontre une bosse ou une surface plate. C’est cette variation de lumière qui est exploitée (...... ) pour restituer l’alternance de « 0 » et de « 1 » correspondant au signal original numérisé. Lorsque le faisceau laser rencontre une bosse, la lumière réfléchie est minimale. A l’opposé, une surface plate (entre deux bosses) permet un retour maximal de lumière, soit environ 90% de l’intensité émise."

Cette "étanchéité" de l’ensemble optique est une première raison expliquant la durée de vie des premiers lecteurs CD Philips. Leur très bonne compatibilité avec les disques abimés ou rayés s’explique par les solutions développées pour le suivi de piste par les gens de chez Philips :
Contrairement à la plupart des premiers lecteurs japonais qui embarquent en aval une commutation (manuelle ou électronique) de gain d’amplification de suivi de piste - généralement à deux positions - afin de minimiser l’effet des rayures ou salissures, le système Philips traite le problème à la source en ajoutant deux modules à la boucle d’asservissement radial.
Un autre extrait de ce que j’ai publié dans la rubrique "Technique du CD" :

"Le servo-radial : Dans le système optique radial développé par Philips, ce servo-system remplace les servo-chariot et servo-tracking, puisque le bloc optique entier doit se déplacer radialement sur la surface du disque par des mouvements extrêmement fins de l’ordre de la fraction de micron. Une fréquence oscillante (650 Hz) de très faible amplitude est appliquée au moteur radial pour empêcher la stiction, terme en rapport avec la friction des servo-system rendant possible le déplacement d’un très gros élément de manière très fine ; ainsi, le bras monté sur pivot supportant le bloc optique est en permanence en mouvement (en vibration), ce qui favorise les très faibles mouvements angulaires nécessaires au suivi de piste. De plus cette oscillation, qui provoque un mouvement de va-et-vient de l’ordre de +/- 0,05 µm de part et d’autre de la piste, permet de compenser la variation d’éclairement du spot et sa déformation aléatoire (ovalisation) dues à l’excentricité et au voilage du disque. En effet, le déplacement en arc de cercle de l’ensemble optique sur le rayon du disque, modifie en permanence l’angle entre la cible photodiode intégrée au bloc optique et la piste du disque et par conséquent la géométrie du spot réfléchi sur la cible. La composante de 650 Hz, formant une sorte de rail de sécurité pour le suivi de piste, est récupérée en sortie de la cible photodiode et utilisée pour le circuit d’asservissement de tracking via le signal RE, avant d’être éliminée pour le traitement ultérieur du flux numérique."

Tout est dit ou presque : ces deux modules permettent la fabrication des facteurs k et d pour un contrôle automatique de gain en temps réel du signal d’erreur radial.
Plus clairement, le signal RE est modifié à chaque instant par deux coefficients d et k selon la formule suivante :

RE= kd (iD1 + iD2 + iD3 + iD4) - k (iD1 + iD2), iD1/D2/D3/D4 étant les courants en sorties des photodiodes.

Pour rappel :

  • Signal RF (ou HF) = iD1 + iD2 + iD3 + iD4
  • Signal FE = (iD1 + iD4) - (iD2 + iD3)
Asservissement radial Philips - Facteurs k et d
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Le circuit à montage discret entouré en rouge sera intégré dans un unique processeur d’erreur radiale TDA5709 sur la génération de lecteurs CD suivante, à partir du Philips CD150

  • Le facteur k compense les variations d’intensité du spot afin de maintenir un gain "constant" (la réflectivité d’un même disque varie sur sa surface)
  • Le facteur d compense l’asymétrie du spot.

Pour tester l’efficacité de ces circuits de correction, il peut être intéressant de les lever tour à tour, puisque le lecteur doit fonctionner sans, les signaux d’erreur radiale devant suffire à corriger le suivi de piste d’un disque propre. C’est d’ailleurs à priori plus vrai pour le facteur k, le facteur d étant impératif puisqu’il compense - entre autres - l’ovalisation du spot dû notamment au type de montage du bloc optique en arc de cercle.
En cas de panne, il peut être utile de lever ces circuits afin de s’assurer qu’ils ne sont pas à l’origine du dysfonctionnement.
La documentation technique propose une procédure pour lever les deux circuits de correction, circuits appelés circuit d’offset (d) et circuit de CAG (k)..

Préparation
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Montage simple à 2 interrupteurs. Le premier est connecté entre les broches 5 et 6 du modulateur à paire différentielle 6216 (TCA240), le deuxième entre le VR 3315 et la broche 14 du quadruple AOP 6215 (LM324)


Dans le cas de ce CD200 en panne, la mise hors service forcée des facteurs k et d n’a rien changé au symptôme, ce qui n’est guère surprenant.
Sur lecteur fonctionnel, le fait de lever le circuit de fabrication du correcteur k n’empêche pas la lecture complète d’un CD-DA pré-gravé, malgré des temps d’accès légèrement plus longs. En revanche, la table des matières d’un CD-R sale ou rayé est difficilement lue.
Lorsque le circuit de fabrication du correcteur d est levé (k reconnecté), on peut s’attendre à une lecture très erratique, l’asymétrie du spot n’étant plus détectée alors que l’unité RAFOC tourne normalement sur son axe : la lecture de la table des matières du CD-DA original ne pose pas de problème, en revanche la piste est perdue très régulièrement en lecture (drop out cycliques de quelques secondes). Le CD-R est lu à peu près correctement, mais seulement sur les trois premières plages (environ 10 minutes écoulées), ensuite le lecteur se met en erreur (retour au début du disque).
Un détail intéressant est l’apparition - préalable à la mise en défaut du système de lecture - du fameux clignotement de certaines Leds d’identification de la plage en cours de lecture et du nombre total de plages sur la face avant. Systématiquement pendant les différents essais des circuits correcteurs k et d (avec différents disques), ce clignotement intempestif s’est avéré une étape intermédiaire entre la lecture parfaite et le dropout. En clair, cette anomalie d’affichage bien connue sur l’ensemble des premiers lecteurs (CD73, CD100, CD200, CD202, CD300, CD303) n’est pas la conséquence d’un défaut des condensateurs de découplage des circuits de pilotage des Leds comme je le pensais, mais bien d’un défaut de détection des données de sous-codes dans le flux numérique à cause d’une lecture de mauvaise qualité (disque rayé ou sale, alignement défectueux, laser usé etc). Le plus étonnant est que ce défaut n’est pas forcément accompagné d’un mute audio, les circuits de correction jouant parfaitement leur rôle jusqu’à une certaine limite.
Finalement, il s’agit d’un bon indicateur de l’état du système utilisé, depuis le disque jusqu’aux circuits d’asservissement en passant par l’ensemble mécanique.

Pour en revenir aux circuits correcteurs k et d, voici une explication sommaire de leur fonctionnement :
→ Le facteur k est obtenu en injectant un signal sinusoïdal à 650 Hz dans la boucle d’asservissement radial, ce signal faisant osciller le bras de lecture sur une amplitude d’un dixième de micron. Un filtre passe bande prélève la composante 650 Hz en sortie des photodiodes et la compare en phase à un signal 650 Hz de référence. La variation d’intensité lumineuse en fonction de la réflectivité et des défauts du disque modifie l’amplitude du signal oscillant prélevé dans la boucle. Cette variation est convertie en variation de phase qui permet de corriger et de maintenir constant le gain du signal d’erreur radiale. Le calcul du signal d’erreur de suivi de piste n’est donc plus affecté par une variation d’intensité lumineuse ayant pour origine une imperfection du disque grâce à ce contrôle automatique de gain.

→ Le facteur d a plusieurs rôles : correction de la distorsion naturelle du spot laser, distorsion du spot dû au voilage du disque, et correction de l’erreur générée par le déplacement non tangentiel de l’optique ; au fur et à mesure que l’optique se déplace, la cible photodiodes "tourne" ce qui a pour effet d’augmenter la largeur de la piste (des pits) vu de la cible. Une telle déformation vue de la cible, un simple défaut de gravure ou la distorsion du spot pour cause de voilage entraînent un défaut d’éclairement de la cible photodiodes, défaut récupéré par la composante alternative (650 Hz) sous forme de variation de phase qui génère le facteur d.

Ces coefficients permettent d’éviter de prendre en compte les variations de symétrie du spot et les variations anormales d’intensité de lumière restituée par le disque dans la fabrication du signal de correction de suivi de piste.

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Étage de puissance et commutation de boucle

Aussi, afin de permettre les mouvements de très haute précision du bras de lecture requis par cette boucle analogique, l’étage final de commande du moteur radial est contrôlé en courant via un montage permettant d’atteindre le degré de précision requis. Le courant de sortie le l’ampli opérationnel 6218 circule à travers ses connexions d’alimentation, utilisées pour commander les transistors de puissance 6240 et 6241. Les résistances 3381 et 3382 permettent de bloquer les deux transistors en présence des courants de repos de l’AOP. Les deux thermistances CTP 3384 et 3385 protègent le montage contre les dérives dues à une élévation de température excessive. Le circuit 6211 permet de déconnecter la boucle d’asservissement radiale pendant les phases d’effets spéciaux et démarrage de la lecture, par la commande RCO en provenance du microprocesseur "servo". L’image à gauche montre cette partie du circuit sur le Philips CD200.
Sur le lecteur en panne, le fait que le moteur de tracking ne réagisse ni en boucle numérique (commandes du processeur), ni en boucle analogique (Asservissement) m’a amené à vérifier l’étage de puissance du circuit de tracking et à constater une polarisation anormale du push-pull. En cause, l’ampli opérationnel 6218 (LM741) dont le remplacement a immédiatement solutionné la panne.

A suivre, j’ajoute quelques illustrations du test d’efficacité des circuits de correction k et d effectué sur un CD200 fonctionnel. L’observation du signal RF (signal amplifié en sortie de la cible photodiodes) permet d’évaluer l’efficacité de ces circuits (si effet il y a). Il faut bien avoir à l’esprit que si ces coefficients de correction sont perçus comme agissant sur la stabilité de signal d’erreur de tracking (erreur de suivi de piste), leur rôle premier est d’optimiser la qualité du signal RF restitué par la cible photodiodes grâce à l’amélioration du suivi de piste, ceci afin de permettre dans les meilleures conditions le décodage du flux numérique. De plus, le signal RE et sa composante à 650 Hz n’est guère exploitable (Tableau 4 plus bas).

Disques
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Pour ce test, j’ai utilisé 4 disques différents : un CD-DA original neuf fraichement déballé pour l’occasion (The Tangent "A place in the queue" 7 titres / 79m 01s), un CDR neuf gravé en x4 (Verbatim 9 titres / 68m 50s), un CDR identique mais passablement endommagé (17 titres / 78m 37s), et le disque test Technics avec interruption de signal et points noirs (17 titres / 71m 02s).
En fonctionnement normal, circuits de correction k et d engagés, je n’ai noté aucun défaut de restitution audio excepté sur les parties très rayées du CDR de test qui ont provoqué quelques "mute" audio.
En revanche, les Leds de la face avant ont régulièrement clignoté pendant toute la lecture de ce CDR endommagé et à quelques reprises dans les autres cas, mais jamais sur le CD-DA neuf. Enfin, à noter que la lecture des plages de test du CD Technics avec interruptions de 0,4 à 0,9 mm et points noirs de 0,3 à 0,9 mm n’a jamais interféré sur la qualité du signal audio !
Le premier tableau montre les résultats obtenus avec le CD-DA :

CD-DA
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Le signal RF en sortie des photodiodes, après amplification en lecture de la plage 1, laser vers l’intérieur du disque

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Le signal RF en sortie des photodiodes, après amplification en lecture de la plage 7 (environ 70min de lecture), laser en périphérie du disque


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Même signal qu’au dessus mais avec zoom vertical et horizontal. Les enveloppes - supérieure et inférieure - sont parfaites, aucun défaut de disque ni de chemin optique

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Même signal qu’au dessus mais avec zoom vertical et horizontal. Les enveloppes - supérieure et inférieure - sont parfaites, aucun défaut de disque ni de chemin optique. On perçoit mieux sur ce calibre la légère diminution de l’amplitude du signal RF en fin de disque


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Même mesure que l’image précédente, pour comparaison avec l’image suivante

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Le circuit de fabrication du facteur k est levé. L’enveloppe supérieure présente des variations d’intensité d’éclairement du spot


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Le retour à la plage 1 s’est fait sans problème. Le défaut est moins visible que sur l’image précédente. Le saut de plage est possible

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Le circuit de fabrication du facteur d est également levé. L’amplitude du signal diminue plus sensiblement. Cycliquement apparaissent des dropout audio. Le changement de plage devient impossible car le micro-servo reprend la main. Dans ce cas, le retour en boucle analogique n’est pas possible ce qui provoque l’arrêt de lecture.


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La lecture de ce CD-DA ne pose pas de problème correcteur k levé. A gauche le lecteur en configuration normale, à droite avec le facteur k levé. Sur la première plage, il faut un œil exercé pour percevoir la légère dégradation du signal (fronts moins nets)


Le deuxième tableau montre les résultats obtenus avec le CDR neuf :

CDR
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Lecture d’un CDR enregistré neuf, facteur d déconnecté, la lecture démarre. Les changements de plage sont impossibles. En raison de la réflectivité moindre de ce type de support, le signal RF présente une amplitude beaucoup plus faible (à peine 800 mV crête à crête)

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Facteur k et facteur d déconnectés, le son est haché, les Leds de la face avant clignotent. Les crachements dans le son disparaissent si on reconnecte le facteur k


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Le laser est en périphérie du disque. L’accès à la dernière plage est assez difficile.

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Crachements audio légers permanents


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Sur la plage 8, le son est saccadé pendant les quelques secondes de lecture, puis l’appareil se met en défaut

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Le troisième tableau montre les résultats obtenus avec le CDR assez fortement endommagé :

CDR avec défauts
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En configuration normale avec un CDR présentant de nombreuses rayures et salissures, la lecture débute normalement

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L’enveloppe du signal HF est irrégulière


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En fin de disque, les choses se gâtent. La face avant ressemble à un sapin de noël, pendant l’avance très lente du morceau 1 au morceau 14. Le son est haché et les Leds continuent leur clignotement anormal pendant la lecture

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L’amplitude diminue fortement et le signal est de plus en plus déformé


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Arrêt manuel de la lecture et redémarrage en plage 1, les deux circuits sont déconnectés. La lecture est impossible. Si on connecte le facteur d, seul la TOC est lue. Pas de démarrage de la lecture

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A l’inverse, avec k connecté et d déconnecté, la lecture démarre, le son est correct mais quelques sauts de pistes se font entendre dans le message audio. Le changement de plage est impossible


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Dans la même configuration, on distingue les défauts du disque. A comparer avec la deuxième image de ce tableau. On voit très bien l’effet de compensation du facteur d

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Le quatrième tableau montre quelques mesures effectuées avec le disque test Technics :

CD test
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Signal obtenu en sortie audio en lecture de la plage 15 comportant un point noir de 0,9mm, simulant un défaut de surface. Les facteurs k et d et la correction d’erreur sont très efficaces. Le signal audio se dégrade si on désactive les deux correcteurs k et d

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Sur la voie 1, le signal RE (erreur radiale) prélevé dans la boucle (Broche 15 de 6211, à l’entrée de l’étage de puissance du moteur radial), superposé au signal oscillant 650 Hz. L’amplitude du signal RE (env. 100 mV c à c) modulé par le signal à 650 Hz est de 500 mV c à c. Sur l’autre voie, le signal 650 Hz pur avant son injection dans la boucle, d’amplitude 6V c à c et prélevé sur C2244


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La même mesure lecteur à l’arrêt

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Comme par magie, l’amélioration apportée par les facteurs d et k est beaucoup plus flagrante en lecture d’un disque endommagé et à réflectivité variable (salissures). Plus généralement, l’ensemble de ces mesures tend à montrer l’efficacité du système choisi par Philips pour l’asservissement de suivi de piste optimisé - à l’époque de la commercialisation des premiers lecteurs - pour compenser les qualités de gravure inégales des disques et pour minimiser la tâche des circuits de correction d’erreurs.
Une quinzaine d’années plus tard, cette prouesse technique allait offrir une excellente compatibilité de lecture avec le format CDR sans que l’utilisateur ait à modifier l’alignement électrique (diminution du gain d’amplificateur de signal d’erreur de tracking par exemple), contrairement à certains modèles japonais inadapté à la lecture de ce support enregistrable. Un coup de maître !

Pour terminer, voici quelques photos prises pendant la réparation du lecteur CD200 en panne évoqué dans cet article :

PHOTOS

Réparation Philips CD200
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La piste coupée au niveau de la diode laser (piste soulevée pour la photo)

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La mécanique CDM0 de remplacement

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Le remplacement des 4 régulateurs de tension

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Le remontage du lecteur. La quatrième photo montre la platine "decoder" avec en bas à droite la carte Sony


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L’AOP à l’origine de la panne


Voici deux jolis Philips CD200 sans la moindre trace d’usure et parfaitement opérationnels :

Philips CD200
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