Audiotronica: Oorstrelende elektronica voor zelfbouw

U kunt waarschijnlijk veilig aannemen dat het gros van de professionele en serieuze hobby-elektronici die inmiddels de middelbare leeftijd hebben bereikt, hun eerste wankele schreden op dit pad hebben gezet door eenvoudige versterkers en radio-ontvangers (na) te bouwen, om al doende de theorie met vallen en opstaan onder de knie te krijgen. En zij kennen dat gevoel van intense voldoening en trots wanneer dat allereerste project min of meer deed wat ervan verwacht werd. In ons geval was dat de ‘jampot-ontvanger’ die omstreeks 1960 in ‘Radio Blan’ is gepubliceerd a>. In deze reeks artikelen willen we proberen de beginnende elektronicus dit gevoel van tevredenheid terug te geven, meer dan (naar onze bescheiden mening) met kant-en-klare modules uit het verre oosten mogelijk is.

Theorie 1

De basis van geluidskwaliteit

Geluidssignalen worden uiteraard door de wijze van opslag (grammofoonplaat, cassette, CD) beïnvloed, maar (vooral) ook door elke vorm van be- en verwerking. Wanneer een audiosignaal een elektronische schakeling doorloopt, dan staat op de uitgang van die schakeling niet alleen het op de beoogde manier veranderde signaal, maar ook een reeks ongewenste en kwalijke bijverschijnselen. Doorgaans betreft dat ruis, brom, kraakgeluiden of vervorming die in het ergste geval niet alleen hoorbaar, maar ook uitermate storend zijn.

Bij alle schakelingen die voor hifi-toepassingen bruikbaar willen zijn, moeten deze potentiële negatieve invloeden op de geluidskwaliteit door geschikte schakelingstechnische maatregelen zo klein mogelijk worden gemaakt. Het devies daarbij is: elke hoorbare beïnvloeding van de klank is al teveel. En dit devies geldt ook voor de schakelingen die in deze artikelreeks worden beschreven. Daarbij moet worden opgemerkt dat bij schakelingen die zeer fors versterken, bijvoorbeeld microfoonversterkers, enige ruis onvermijdelijk is.

Om ruis, brom of vervorming zo goed mogelijk te kunnen bestrijden, gaan we nu eerst nader in op het ontstaan, de betekenis en het effect van deze verschijnselen.

Ruis

Ruis als stoorspanning

In technische documentatie wordt ruis altijd opgegeven als signaal/ruis-afstand. Daarmee wordt echter niet alleen de ruis zelf bedoeld, maar alles wat, ongeacht het ingangssignaal, als storing aan de uitgang verschijnt, ook wanneer geen ingangssignaal aanwezig is. Zo wordt bijvoorbeeld ook brom ‘meegenomen’ bij de bepaling van de signaal/ruis-afstand, ook al speelt brom ten opzichte van ‘echte’ ruis meestal slechts een ondergeschikte rol.

De signaal/ruis-afstand geeft aan hoeveel maal de stoorspanningen aan de uitgang zwakker zijn dan het gewenste signaal, dus hoeveel maal de ruis zwakker is dan de muziek. Deze factor ligt in de orde van grootte van een paar duizend maal, maar wordt normaliter niet als zodanig opgegeven, maar in de pseudo-eenheid decibel.

Wat is ruis?

In wiskundig opzicht is ruis een mengsel van alle denkbare frequenties. Het ruissignaal heeft een zuiver toevallig verloop waarin geen enkele regelmaat of herhaling te herkennen valt. Maar toch is de ene ruis de andere niet.

De kleur van ruis

Bij ruis maken we onderscheid tussen witte en roze ruis. Bij witte ruis is in ieder even groot frequentiegebied het ruisaandeel even groot. Wanneer we bijvoorbeeld het bereik van 10 Hz tot 20 Hz uit het gehele ruisspectrum zouden uitfilteren, dan heeft het ruissignaal hier dezelfde amplitude als in een bereik van 110 Hz tot 120 Hz of van 19990 Hz tot 20000 Hz.

Bij roze ruis kunnen we het spectrum op vergelijkbare manier opsplitsen, alleen moeten we dan in plaats van een lineaire een logaritmische frequentieschaal gebruiken, corresponderend met de gevoeligheid van ons oor. Dan vinden we in een frequentiebereik van 10 Hz tot 20 Hz een even groot ruisaandeel als in het bereik van 100 Hz tot 200 Hz of van 10000 Hz tot 20000 Hz. Hierdoor klinkt roze ruis veel ‘doffer’ en breedbandiger dan witte ruis.

Bij de ruis die elektronische schakelingen produceren, gaat het normaliter om witte ruis. Deze is vrijwel uitsluitend in het hogetonenbereik hoorbaar, want het ruisaandeel in het bereik van 10 kHz tot 20 kHz is even groot als in de hele rest van het hoorbare frequentiebereik.

Hoe ontstaat ruis?

Wanneer een geleider door een stroom wordt doorlopen, dan is de daaruit resulterende beweging van de elektronen nooit perfect gelijkmatig. Afhankelijk van het materiaal van de geleider doen zich minimale, schijnbaar toevallige, onregelmatigheden voor die vooral bij halfgeleiders merkbaar zijn (maar ook bij weerstanden).

Om ervoor te zorgen dat een schakeling zo min mogelijk ruis produceert, gebruiken we uitsluitend ruisarme halfgeleiders en metaalfilmweerstanden. Bovendien mag de schakeling rond de halfgeleiders niet te hoogohmig zijn (daar komen we in een latere aflevering nog op terug).

Een andere oorzaak van die vervelende ruis moet worden gezocht in de opslag van audiosignalen op geluidsdragers, bijvoorbeeld de vroeger gebruikelijke cassettes of geluidsbanden. Sommige minuscule magnetische deeltjes op die drager lopen bij het magnetiseren zo af en toe uit de pas, en afgezien daarvan is de magnetiseerbare laag zelfs bij de allerbeste band nooit volmaakt gelijkmatig opgebracht.

Bij digitale opslagmedia (CD, DVD, harde schijven en dergelijke) krijgt het van origine zuivere analoge audiosignaal door de digitalisering een licht ‘getrapte’ vorm en dat is de oorzaak van de zogenaamde quantiseringsruis. In het geval van WAV-bestanden met een resolutie van slechts 8-bit is dit duidelijk hoorbaar. Gebruikelijk is echter een resolutie van 16-bit en dan speelt de quantiseringsruis geen rol van betekenis meer, omdat de ‘trapjes’ in het signaal dan 256 keer zo klein zijn. Wanneer een PC-geluidskaart ruist, dan heeft dat meestal een andere oorzaak, bijvoorbeeld een incorrect signaalniveau op de microfooningang.

Praktijk 1

De voeding

Voordat we vanaf de volgende aflevering met diverse zelfbouwprojecten ter zake komen, hebben we natuurlijk eerst een geschikte voeding nodig. Omdat de schakelingen grotendeels met opamps zijn opgebouwd, is een symmetrische voeding vereist. Universeel bruikbaar is een netvoeding met een gestabiliseerde uitgangsspanning van ±15 V, die afhankelijk van de toegepaste trafo een stroom van 30...300 mA kan leveren.

Eisen aan de kwaliteit

Wanneer we met schakelingen te maken hebben die audiosignalen in hifi-kwaliteit moeten verwerken, dan moeten we bij voorbaat een heel belangrijke eis aan de netvoeding stellen, namelijk dat die een uitgangsspanning levert die zo goed mogelijk vrij van brom is. De hier gebruikte stabilisator-IC’s van het type 7815 en 7915 (of eventueel de corresponderende M- of L-versies daarvan, bijvoorbeeld de 78M15) voldoen in dit opzicht prima. De resterende rimpel op de uitgangsspanning bedraagt ten hoogste een paar millivolt. Als rimpel op een muzieksignaal zou dat onacceptabel veel zijn, maar hier gaat het om een stoorsignaal dat op de voedingsspanning is gesuperponeerd en niet als zodanig op de uitgang terechtkomt.

Wanneer we bedenken dat een opamp storingen op de voedingsspanning zeer goed onderdrukt (de SVRR of supply voltage rejection ratio bedraagt ongeveer 70 dB), dan zien we dat er van die rimpel op de voedingsspanning niet veel overblijft. De spanningsregelaars uit de 78- en 79-familie bieden echter nog andere voordelen. Intern zijn ze van een stroombegrenzing voorzien, alsmede van een thermische beveiliging, zodat ze als kortsluitvast mogen worden beschouwd.

Universele netvoeding ±15 V

De hier beschreven netvoeding levert een gestabiliseerde uitgangsspanning van ±15 V, en is daarmee geschikt voor alle schakelingen die in deze artikelreeks beschreven zullen worden (met uitzondering van enkele eindversterkers, die natuurlijk meer vermogen nodig hebben). Indien voorzien van een 4,5 W-trafo levert deze voeding een stroom van maximaal 140 mA. Dat is ruim voldoende voor ‘uitgebreide’ schakelingen met meerdere quad-opamps en LED’s. Wanneer de voeding slechts een enkele, kleine schakeling van stroom hoeft te voorzien, dan kan zonder meer een lichtere trafo worden gemonteerd. De print is in elk geval zo ontworpen dat trafo’s met verschillende afmetingen kunnen worden gemonteerd.

De schakeling

De transformator in figuur 1 wordt via zekering F1 van netspanning voorzien. Deze trafo levert een secundaire spanning van ongeveer 2-15 V (iets meer bij geringe belasting). De gelijkrichter, bestaande uit D1...D4, maakt daarvan in eendrachtige samenwerking met afvlakcondensatoren C5 en C6 een gelijkspanning van ongeveer 2 · 20,5 V. Ten opzichte van massa staat over C5 een positieve spanning van +20,5 V en over C6 een negatieve spanning van –20,5 V. De condensatoren C1...C4 helpt eventuele hoogfrequente storingen te onderdrukken.

Wanneer u zich mocht afvragen hoe uit een spanning van 15 V ‘zomaar’ een spanning van meer dan 20 V kan ontstaan, dan ziet u in figuur 2 het antwoord.

IC1 stabiliseert de positieve spanning over C6 op +15 V. C7 en C9 helpen daarbij de restbrom te minimaliseren. Evenzo stabiliseert IC2 de negatieve spanning op –15 V, waarbij C8 en C10 weer voor extra bromonderdrukking zorgen. R1 begrenst de stroom door een (eventuele) indicatie-LED.

Figuur 3 toont de componentenopstelling op de voor deze schakeling ontworpen print. De layout kan worden gedownload van de Elektor Labs-projectpagina .

Vermogensopname

De print voor deze voedingsschakeling is zo ontworpen dat bijna alle gangbare printtransformatoren van 1...10 W gemonteerd kunnen worden. Voor het voeden van eenvoudige schakelingen met niet meer dan vijf opamps kan worden volstaan met een 1 W-trafo; voor meer uitgebreide schakelingen is een 3 W-exemplaar nodig. Schakelingen waarin LED’s voorkomen, kunnen onder omstandigheden nog meer vermogen verbruiken, reken per LED op zo’n 0,4 W om aan de veilige kant te blijven.

Vragen of opmerkingen?

Hebt u vragen of opmerkingen naar aanleiding van dit artikel? Stuur een e-mail naar de redactie van Elektor via redactie@elektor.com.

Opmerking van de redactie: Dit artikel (250845-01) is verschenen in Elektor maart/april 2026. De artikelreeks “Audiotronica” is gebaseerd op het boek “Audio-elektronica” van Robert Sontheimer, dat in 2006 in Nederlandse vertaling bij Elektor is verschenen.