The preamp 1
Voor- en eindversterkers zijn thema die in Elektuur regelmatig opduiken, alhoewel de publikatie van de laatste voorversterker ("Prelude') intussen toch al weer zo dikke drie jaar achter ons ligt.
Dit nieuwe ontwerp heeft kwa karakter weinig gemeen met al zijn voorgangers. Het is een spartaans uitgeruste versterker met alleen de noodzakelijkste schakelmogelijkheden en absoluut geen 'toeters en bellen:' De kwaliteit van de signaalverwerking is echter pure klasse en wat dit aangaat is 'the preamp" met afstand de beste voorversterker die Elektuur ooit heeft gemaakt.
"Hifi" is een rijkelijk verouderde kreet. Ettelijke jaren geleden viel er nog verschil te maken tussen "gewoon audio" en hifi. Een hifi-versterker was komplexer en beter doordacht dan een "gewone" en vormde een prachtig bezit. Het steeds beter worden van de komponenten en de groei van de know-how op audio-gebied hebben er echter voor gezorgd dat het tegenwoordig eerder lastig is om een serieuze versterker te maken die niet voldoet aan de hifi-normen.
Er is dus duidelijk het een en ander veranderd en verschoven in de audio-wereld. En de smaak van de konsumenten heeft zich daarbij aangepast (of is het andersom?). Er is vandaag de dag apparatuur te koop in ongelofelijk veel variëteiten en prijsklassen. Dat loopt van lowbudget tot echt buitenissig duur. Wat de ont-werpfilosofie betreft die achter al die versterkers e.d. steekt, kan globaal een indeling worden gemaakt in twee katego- rieën: de ene fabrikant zoekt het met zijn spullen duidelijk in een imposant uiterlijk en een zeer komplete uitrusting met allerlei "toeters en bellen"; de andere mikt uitsluitend op de geluidskwaliteit. In beide kategorieën zijn natuurlijk weer tal van gradaties mogelijk, maar in zijn algemeenheid gaat genoemde verdeling wel degelijk op.
De echte muziekliefhebbers en audiofielen zijn per definitie alleen geïnteresseerd in apparatuur uit de tweede kategorie. Zij zijn er namelijk al lang achter dat het nuttiger is om te investeren in een goede signaalverwerking, dan in allerlei interessante, maar op de keper beschouwd onnodige foefjes, zoals gekompliceerde toonregelingen en afstandsbediening bijvoorbeeld. Want door al die poespas eromheen, zou je nog vergeten dat het eigenlijk om de muziek begonnen was!
High-end
In de apparatuur van de tweede kategorie is uiteraard weer een onderverdeling mogelijk. En het merkwaardige is dat er een verband lijkt te bestaan tussen de prijs en de hoeveelheid bedieningsorganen. Naarmate de kwaliteit en de prijs stijgen, daalt het aantal knoppen. Natuurlijk gaat ook dit weer niet altijd en overal op, maar de trend is beslist aanwezig.
Het topje wordt gevormd door een aantal versterkers, ontworpen door en voor puristen, waarin doorgaans alles wat niet per se nodig is, overboord is gegooid en waarbij de hele zaak is toegespitst op uiterste perfektionering van de geluidskwaliteit. Vaak vindt men op het front van een dergelijke versterker niet meer funkties dan aan/uit, ingangskeuze en volume. Dit "topje" staat sinds enkele jaren bekend als de "high-end sektor". Een term die mogelijk al weer aan vervanging toe is, want hij wordt tegenwoordig aardig misbruikt door fabrikanten die hun middelmatige produkten met dit etiket beter denken te verkopen.
Hoe het ook zij, de hier beschreven voorversterker hoort echt helemaal in de high-end sektor thuis. Bij het ontwerpen is haast op een maniakale manier het aksent op de kwaliteit gelegd en zijn alle niet ter zake doende features rigoureus uit het ontwerp verwijderd. Het resultaat is een kwa gebruikskomfort vrij spartaanse voorversterker, die echter kwalitatief zo perfekt is als een zelf-bouwversterker maar zijn kan. Goedkoop is hij niet. Wij schatten de totale bouwprijs op zo'n 1000 gulden. Maar bij het afwegen van de prijs/kwaliteitsrelatie dient u wel te beseffen dat voor een vergelijkbare kommerciële high-end voorversterker minstens twee en een half tot drie keer zo veel geld op tafel moet komen.
Opzet
Het blokschema van figuur 1 toont de opzet van " the preamp". De drie omkaderde gedeelten zitten elk op een aparte print, zodat meteen een idee wordt verkregen van de opbouw van de versterker. Boven zien we de eigenlijke voorversterker die in stereouitvoering natuurlijk (hier is maar een kanaal getekend), op een enkele grote print is ondergebracht. Het gedeelte daaronder, de busprint, bevat de aansluitbussen, de ingangskeuze-omschakelaars en aanverwante details. Tenslotte is er nog een derde print, die de voeding herbergt (zonder trafo; die komt buitenboord) en de relaisbesturing. "Relaisbesturing?", zult u vragen, "wat heeft zoiets in een voorversterker te zoeken?" Wel, we komen daar zodadelijk nog in detail op terug, maar we kunnen nu al zeggen dat dit het enige stuk "toeters en bellen" is dat we ons veroorloofd hebben. Een heel zinnig stuk bovendien, naar onze mening. Om storende lange bekabeling te vermijden gebeurt de ingangskeuze-omschakeling namelijk daar waar dat hoort: direkt aan de ingangen. Dat gaat het beste met behulp van een stel relais en het blokje "relaisbesturing" zorgt daarbij voor een zo ideaal mogelijk verloop van de schakelceremonie.
Figuur 1. Het blokschema van "the preamp" De gekombineerde MC/MDvoorversterker kan worden omgeschakeld op verschillende ingangsgevoeligheden, -kapaciteiten en -weerstanden. In de lijnversterker zijn volume- en balansregeling, alsmede de stereo/mono-omschakeling ondergebracht. De ingangskeuze-omschakeling geschiedt met een aantal zich op de busprint bevindende relais.
In het versterkergedeelte valt meteen op, dat een groot gedeelte wordt ingenomen door de MC/MD-trap. Weliswaar is de meest ideale muziekbron tegenwoordig de CD, maar er zijn nog steeds vele muziekliefhebbers die een uitstekende draaitafel met dito element hebben, plus een flinke stapel met grammofoonplaten die nog regelmatig beluisterd worden. Het MC/MD-gedeelte mag daarom zeker niet ontbreken en moet van een hoogstaande kwaliteit zijn.
Aan de ingang vinden we eerst een mogelijkheid om zowel de ingangsweerstand als de ingangskapaciteit aan te passen aan het aangesloten element. Het daaropvolgende versterker-en korrektiegedeelte bevat twee aktieve trappen. De eerste trap versterkt het ingangssignaal lineair. De versterking kan hierbij met een paar schakelaars worden ingesteld op vier verschillende faktoren. Op deze wijze zijn vier ingangsgevoeligheden mogelijk: 4 mV, 2 mV, 0,2 mV en 0,1 mV. Een optimale aanpassing aan het element (MD of MC) is zo mogelijk. De eerste trap bevat een zogenaamde AOC (automatic offset correction) om de gelijkspanning aan zijn uitgang exakt op nul volt te houden. Dat is wel nodig bij dergelijk grote versterkingsfaktoren. Na de eerste trap volgt een passieve RIAA-hoog-korrektie in de vorm van een laagdoorlaatfilter. Dan volgt een tweede trap die nominaal 5 keer versterkt en waarbij in de tegenkoppeling de RIAA-laagkorrektie is opgenomen. Een dergelijke opzet is haast ideaal te noemen voor het verkrijgen van een goede RIAA-korrektie. De lijnversterker bevat eveneens twee versterkertrappen. Eerst een tweemaal-versterker, vervolgens de stereo/monoschakelaar plus de balans- en volumepotmeters, en daarna nog eens een driemaal-versterker. Deze opzet garandeert een goede signaal/ruis-verhouding bij alle potmeterstanden en levert een prima uitstuurgedrag zonder dat hiervoor allerlei exotische vier- of zesvoudige potmeters nodig zijn. Een toonregeling zult u hier vergeefs zoeken. In een keten waarin deze voorversterker wordt opgenomen, zal een toonregeling beslist niet door de gebruiker op prijs worden gesteld.
De gebruikte komponenten zijn natuurlijk van een onberispelijke kwaliteit. Zo zijn voor alle versterkertrappen opamps van het type OP27 toegepast. Opamps? Jazeker, die kunnen prima zijn. Kijkt u maar eens naar de versterkers van Bur-mester, daarin worden ook opamps gebruikt en die apparaten kosten gauw zo'n slordige tien mille. De OP27 is een precisie-versterker met een zeer lage ruis (3 nV/√Hz), een lage drift, een hoge slew rate (2,8 V/µs) en een daarmee samenhangend groot versterkingbandbreedte-produkt van 8 MHz. Als we u ook nog vertellen dat deze opamp gemaakt wordt door de fabrikanten Analog Devices, Burr Brown en PMI, dan zult u begrijpen dat deze opamp van professionele kwaliteit is en een dienovereenkomstig prijskaartje heeft. In de ingangstrap van de MC/MD-voorversterker worden verder nog speciale dubbeltransistoren met een extra lage ruis toegepast, de MAT02. Hiervan zijn er per kanaal drie parallel geschakeld om de ruis bij lage frekwenties in de MC-standen tot een minimum te beperken.
De versterker is niet geheel DC-gekoppeld. Dat zou alleen maar veel moeilijkheden geven. Op enkele plaatsen in de schakeling zijn koppelkondensatoren opgenomen. Hieraan hebben we bij het ontwerp veel aandacht besteed. Na diverse metingen bleken parallelschakelingen van polyetheen-en polypropyleenkondensatoren uitstekend te voldoen. Verder zijn op kritische punten (zoals in de RIAA-netwerken) polystyreenkondensatoren toegepast.
De voeding speelt een belangrijke rol bij de geluidskwaliteit van een versterker. In dit geval hebben we de twee kanalen na de trafo streng gescheiden gehouden en extra zwaar bemeten. Verder heeft elke (!) opamp nog eens een extra buffering van 1000 µF. Het aantal elko's op de print is dan ook aanzienlijk.
Dit was in vogelvlucht de hele versterker. Het wordt nu tijd voor wat meer details en we beginnen daarbij met...
De busprint
Uit het blokschema van figuur 1 valt al af te leiden dat de busprint nu niet bepaald het gedeelte is waar het meest over te vertellen valt. In principe gaat het hier immers slechts om de in- en uitgangsbussen en de relais. In de praktijk is het een ietsje meer, omdat ook de voor de nivo-aanpassing benodigde spanningsdelers op de busprint zijn ondergebracht. Figuur 2 toont het komplete schema, waarbij de MC/MDvoorversterker en de lijnversterker door blokjes zijn voorgesteld. Links zien we de ingangen, rechts de uitgangen en ongeveer in het midden het rijtje relais (kompleet met vrij-loopdiode en kondensator) waarmee de zaak wordt omgeschakeld.
Figuur 2 Behalve voor de in- en uitgangsbussen en de relais ReA, ... ReF, is op de busprint tevens ruimte gekreëerd voor de ingangsspanningsdelers.
Aangezien een CD-speler veel meer spanning afgeeft dan bijv. een tuner of recorder, moest deze ingang ten opzichte van de rest worden gedempt met behulp van een spanningsdeler (R39/R40). De overige (in wezen overbodige) spanningsdelers zijn uitsluitend toegevoegd ter verbetering van het over-spraakgedrag: ongebruikte ingangen worden a.h.w. via de weerstanden R38, R40, R42 en R44 aan massa gelegd, waardoor een nuttige extra demping optreedt.
De relais worden gekommandeerd vanuit de "relaisbesturing" en hiertoe worden de punten A...F via een konnektor (Kl) verbonden met de voedings/relaisbesturingsprint. In figuur 3 zijn de layout en komponentenopdruk van de busprint afgebeeld. Het printje is zo ontworpen dat het direkt op de cinch-aansluitbussen kan worden gemonteerd. Voor ReA ... ReF worden kleine print-relais toegepast. De kwaliteit hiervan is uitermate belangrijk, want het gaat om betrekkelijk kleine signaalnivo's, waarbij we geen grote overgangsweerstanden kunnen gebruiken. Bezuinig dus liefst niet op de relais, evenmin trouwens als op de kwaliteit van de cinch-bussen. Siemens en SDS leveren o.a. uitstekende print-relais - wat de cinch-bussen betreft, zouden wij vergulde exemplaren willen adviseren.
Figuur 3. De layout en komponentenopdruk van de busprint. De cinch-bussen worden rechtstreeks op de print gemonteerd. Van de busprint is geen aparte onderdelenlijst gemaakt; deze is gekombineerd met de onderdelenlijst van het versterkergedeelte.
Relaisbesturing
Wat we hiervoor zowiezo nodig hadden waren een aantal stuurtrappen, die al naar gelang de stand van de ingangskeuzeschakelaar de desbetreffende relais op de busprint in- en uit-moesten schakelen. Onder het motto "als we dan toch bezig zijn, laten we het dan maar gelijk goed doen" hebben we de besturingsschakeling iets uitgebreider opgezet, zodat een welhaast ideaal en volstrekt "klikloos" schakelgedrag is verkregen.
De relaisbesturing doet het volgende:
- Bij het inschakelen van de voedingsspanning, wordt pas na enige vertraging het uitgangsrelais bekrachtigd.
- Bij het uitschakelen valt het uitgangsrelais ogenblikkelijk af.
- Tijdens het omschakelen op een andere ingang of het bedienen van de tape/monitorschakelaar, wordt het uitgangsrelais steeds even afgeschakeld.
In figuur 4 is het schema van de komplete besturing weergegeven. Zo op het eerste gezicht lijkt dit nogal een gekompliceerde aangelegenheid, maar in werkelijkheid valt het allemaal erg mee. Er zijn een paar belangrijke elementen: komparator IC6, de monoflops MF1 en MF2, en de met N22 ...N25 opgebouwde EXOR-poort. Linksonder zien we de ingangskeuzeschakelaar (S2) en de tape/monitor-schakelaar (S3); rechtsboven de relais, met uitzondering van het uitgangsrelais, dat helemaal onderaan in het schema te vinden is.
Figuur 4. De relaisbesturing garandeert een absoluut klik-vrije omschakeling van de ingangen, omdat hierbij steeds het uitgangsrelais even wordt afgeschakeld. Bovendien zorgt de relais-besturing voor een vertraagd opkomen en een ogenblikkelijk afvallen van het uitgangsrelais bij resp in- en uitschakelen van de voedingsspanning.
De werking kan het beste funktie voor funktie worden uitgelegd:
tuner - CD - phono - aux
De weerstanden R16...R19 zorgen er voor dat de niet-gebruikte kontakten van ingangskeuzeschakelaar S2 altijd logisch 1 zijn, terwijl het gekozen ingangskontakt door de loper van de schakelaar aan massa wordt gelegd en dus "0" zal zijn. Via de buffers N5 ...N8 wordt het schakelaarpatroon doorgegeven naar de ingangen A0... A3 van komparator IC6. Die vergelijkt het patroon met de toestand op B0 ... B3. Als gevolg van de met R25...R28/C30...C33 gerealiseerde tijdsvertraging, zullen de beide vergeleken patronen echter gedurende enkele µs verschillend zijn.
Daardoor zal bij het omschakelen van S2 de uitgang van IC6 (A = B) voor een kort moment laag worden. Met deze negatieve impuls worden de monoflops MF1 en MF2 getriggerd, die een vertragingstijd geven van resp. 0,5 en 1 sek. Als ze beide gelijktijdig getriggerd worden, dan zullen zowel (via N1... N4) de gekozen ingang, als (via N18 etc.) het line-out relais ogenblikkelijk worden afgeschakeld. Na het verstrijken van de monotijd van MF1 wordt de nieuw gekozen ingang ingeschakeld en na afloop van de tijd van MF2 wordt het line-out relais weer bekrachtigd.
Tape/monitor
Bij het bedienen van S3, wordt met behulp van N9, R/C-netwerk R23/C2 en de uit N22.. . . N25 bestaande EXOR-poort een positief pulsje gemaakt, dat MF2 triggert. Op het moment dat S3 wordt omgeschakeld, wordt dus direkt het line-out relais afgeschakeld. Vervolgens wordt vertraagd (door R21/C24) het tape/monitor-relais (ReE) omgeschakeld, waarna line-out weer wordt ingeschakeld als de mono-tijd van MF2 is verstreken. Belangrijk hierbij is dat de ingangsrelais niet worden afgeschakeld en dat de verbinding met tape-out niet onderbroken wordt.
Inschakelen netspanning
De RC-kombinatie R24/C27 zorgt ervoor dat het uitgangsrelais vertraagd wordt ingeschakeld. Deze vertragingstijd is net even iets langer dan de tijd die de voedingsspanning nodig heeft om haar eindwaarde te bereiken.
Diode D14 zorgt voor een snelle ontlading van C27 bij het uitschakelen van de voorversterker.
Wegvallen netspanning
Met D15 en D16 wordt de trafospanning gelijkgericht, waarna deze spanning met C28 enigszins wordt afgevlakt. Met behulp van R32/R33 wordt de spanning gedeeld tot een passende waarde voor N20 (< 12 V), terwijl D13 is toegevoegd ter beveiliging tegen stoorpieken. Door de uiterst korte RC-tijd van de kombinatie C28/R32,R33 (ca. 20 ms), valt het uitgangsrelais vrijwel onmiddellijk af na het uitschakelen van de voorversterker of het op andere wijze wegvallen van de netspanning.
Voeding
De voeding (figuur 5) is tamelijk uitgebreid van opzet, wat voor een deel veroorzaakt wordt door het feit dat er voor het audiogedeelte en voor de relais en relaisbesturing verschillende spanningen nodig zijn.
Figuur 5. De voeding van "the preamp" bestaat uit twee gedeelten, te weten een nauwkeurig gestabiliseerde, 'schone'; symmetrische 18-V-voeding voor het audiogedeelte (5a) en een wat simpeler stuk (5b) dat zorgdraagt voor de voeding van de relais en de relaisbesturing. LED D12 fungeert tevens als aan/uitindikator.
De voeding voor het audiodeel (figuur 5a) levert een symmetrische spanning van plus en min 18 volt. In het ontwerp is er van alles aan gedaan om een zo goed mogelijke ruis-, brom- en storingsonderdrukking te krijgen en daarom zien we in het schema nogal wat komponenten, die daar doorgaans niet zo gauw worden aangetroffen.
We zullen het schema maar gewoon even van links naar rechts doornemen.
Geheel links zien we de wisselspanningsingangen voor de nettransformator. Ideaal is een trafo van 2 × 18 V, die per wikkeling een stroom van een kleine 1 A kan leveren. Het in de onderdelenlijst vermelde ring-kerntype bleek geknipt voor dit doel. De trafo komt overigens niet in de behuizing van "the preamp", maar moet omwille van de bromonderdrukking juist zo ver mogelijk daar vandaan worden opgesteld - hij krijgt dus een eigen kastje. Mogelijke tikken en knallen van "net"schakelaar S1 worden onderdrukt door C7 en C8; C5 en C6 sluiten stoorpieken op de netspanning kort naar massa.
De bruggelijkrichter ziet er tamelijk buitenissig uit. De serieweerstanden Rl ...R4 zijn toegevoegd om de inschakelstroompiek te begrenzen, terwijl C1...C4 een effektieve onderdrukking geven van de ratelstoring die gelijkrichter-dioden nu eenmaal plegen te produceren. Aan de bufferelko's C9 en C10 zijn kleine foliekondensatoren (C11, C12) parallel geschakeld, om het HF-gedrag van de elko's te verbeteren.
De stabilisatie van de plus en min 18 volt geschiedt met twee vaste driepoot-regelaars (IC8, IC9), waarvan de uitgangsspanning met P1 en P2 exakt op de juiste waarde kan worden afgeregeld. T1 en T2 zijn toegevoegd om de voedingsspanning na het inschakelen langzaam te laten opkomen De netwerken R12/C15 en R13/C16 vormen ieder een laagdoorlaatfilter met een zeer laag kantelpunt, waardoor in de voeding opgewekte ruis nagenoeg kompleet wordt geëlimineerd. De voeding voor de relais en de relaisbesturing munt uit door simpelheid en bestaat uit slechts een enkele 12-V-spanningsregelaar, waarvan de uitgangsspanning iets is opgekrikt door in de massa-aansluiting een LED (D12) op te nemen. Die LED fungeert tevens als aan/uit-indikator. Zener D11 is toegevoegd om te zorgen dat de zaak ook gewoon verder marcheert als de verbinding met de LED om de een of andere reden is verbroken. Figuur 6 toont de print voor de voeding en de relaisbesturing. Dit deel van "the preamp" kan nu dus kompleet gebouwd worden. De voeding kan alvast op goede werking worden gekontroleerd door, na aansluiting van de trafo, de spanning over C15, C16 en C18 na te meten. Vergeet vooral niet de spanningsregelaars IC8, IC9 en IC10 van een koellichaam te voorzien!
Volgende maand wordt het pas echt interessant, want dan gaan we verder met een bespreking van het versterkergedeelte. Tot dan.
Figuur 6. De gekombineerde print voor de voeding en de relaisbesturing. Problemen kunnen er met de opbouw nauwelijks ontstaan, maar het is wel zaak om te zorgen dat er geen van de draadbruggen wordt vergeten en dat IC8, IC9 en IC10 van een koellichaam worden voorzien. Konnektor K1 zorgt voor de verbindingen met de busprint en K2 voor de verbinding met de versterkerprint.
| R1...R4 | 1Ω8 |
| R5,R21...R24 | 1 M |
| R6 | 2k7 |
| R7 | 1k5 |
| R8 | 220 Ω |
| R9 | 120 Ω |
| R10,R11,R32,R33 | 47 k |
| R12,R13 | 10 Ω |
| R14 | 680 Ω |
| R15 | 47 Ω |
| R16...R20,R25...R29 | 10 k |
| R30,R31 | 1 k |
| C1 ...C4 | 22 n |
| C5,C6 | 10 n |
| C7,C8 | 47 n |
| C9,C10 | 4700 µ/40 V |
| C11,C12 | 100 n |
| C13,C14 | 4µ7/25 V |
| C15,C16 | 4700 µ/25 V |
| C17 | 1000 µ/40 V |
| C18 | 10 µ/16 V |
| C19 | 100 µ/16 V |
| C20,C23,C34 | 22 n |
| C24,C28 | 220 n |
| C25 | 470 n |
| C26 | 1 µ |
| C27 | 4µ7/16 V |
| C29...C33 | 470 p |
| D1...D10 | 1N4001 |
| D11 | zener 2V7/ 400 mW |
| D12 | LED, rood |
| D13...D16 | 1N4148 |
| T1 | BC557B |
| T2 | BC547B |
| IC1 | CD4001 |
| IC2 | CD4069 |
| IC3 | ULN2004 |
| IC4,IC7 | 4093 |
| IC5 | 4098 |
| IC6 | 4063 |
| IC8 | LM317 |
| IC9 | LM337 |
| IC10 | 7812 |
| P1,P2 | 1 k instelpot, 10-slagen |
| S1 | dubbelpolige netschakelaar |
| S2 | 4-standenschakelaar |
| S3 | enkelpolige schakelaar |
| F1,F2 | zekering 800 mA/traag + printzekeringhouder |
| trafo | 2 × 18 V/0,83 A (ILP 11014) |
| koelplaten voor IC8, IC9 en IC10: bijv. Fischer type SK59-37,5 | |
| K1,K2 | 10-polige printkonnektor (Header) |
| EPS 86111-1 | |