|
Met deze schakeling kunt u het uitgangssignaal van een microfoon mengen met twee stereo line-signalen. Met een panorama potmeter kunt u het microfoonsignaal vloeiend invoegen in het totale links-rechts geluidsbeeld. De schakeling wordt gevoed uit een batterijtje van 9 V. |
Inleiding
Ideaal voor de disco, karaoke en video-presentaties
Bij het samenstellen van geluidsmontages voor video-presentaties hebt u een eenvoudige menger nodig, waarmee u ingesproken commentaar kunt mengen met achtergrondmuziek of speciale geluidseffecten kunt toevoegen aan een stem. Uiteraard zijn er tal van dergelijke apparaatjes te koop. De in dit artikel beschreven schakeling is echter speciaal ontwikkeld met het vooropgestelde gebruik voor ogen en biedt niets meer maar ook niets minder dan dat wat u in de praktijk nodig hebt.
De mogelijkheden van de schakeling
De schakeling beschikt over twee stereo line-ingangen en een mono microfoon-ingang. De line-ingangen kunt u bijvoorbeeld aansluiten op de line-uitgangen van uw PC, van een draaitafel met RIAA-voorversterker of CD-speler. Op deze manier is het mogelijk muziekfragmenten en spraak te mengen met geluidseffecten die op speciale in de handel zijnde CD's ter beschikking staan.
U vraagt zich misschien af waarom gekozen is voor een monofone microfoon-ingang. In de praktijk blijkt dat het werken met een stereofonische microfoon eerder omslachtig dan praktisch is. De microfoon-ingang beschikt echter wél over een zogenaamde panorama-regeling, waarmee u het signaal van de microfoon vloeiend kunt invoegen in het volledige links-rechts geluidsbeeld. In de praktijk blijkt dat daarmee heel erg handig te werken valt. De schakeling wordt gevoed uit een 9 V batterijtje dat, dank zij het lage stroomverbruik van de elektronica, heel lang bruikbaar is.
Technische specificaties van de schakeling
De microfoon-ingang heeft een versterking van 220, terwijl de twee line-ingangen een verzwakking van 3,3 hebben. Dat is geen enkel probleem, omdat de line-uitgangen van draaitafels, PC's en CD-spelers voldoende uitgangsspanning leveren. De maximale ingangsspanning aan de microfoon-ingang bedraagt ongeveer 10 mVeffectief, terwijl de twee line-ingangen met 2 Veffectief gestuurd kunnen worden. De bandbreedte van de microfoon-ingang is bewust beperkt tot het gebied van 15 Hz tot 15 kHz binnen 3 dB. Hogere frequenties zijn alleen weggelegd voor de zeer dure microfoons en lagere frequenties veroorzaken maar hinderlijke en storende bijgeluiden. De line-ingangen zijn binnen 1 dB lineair tussen 15 Hz en 50 kHz. De uitgangsimpedantie van de schakeling bedraagt 500 Ω.
Het blokschema
Het blokschema van het apparaat is getekend in onderstaande figuur. De samenstelling van dit blokschema volgt eigenlijk onmiddellijk uit wat in de inleiding gesteld werd. De voorversterker voor de microfoon versterkt het kleine signaaltje op de ingang tot het ongeveer hetzelfde niveau heeft als dat van de twee line-ingangen. Deze trap heeft geen volumeregelaar aan de ingang omdat het dynamische bereik van de schakeling groot genoeg is voor het verwerken van de uitgangsniveaus van alle soorten microfoons. Een niveau-insteller in deze gevoelige ingangsschakeling zou alleen maar brom, kraken en ruis introduceren! Nadien worden de drie signalen aangeboden aan de trap menger en panorama. In deze passief werkende trap worden de drie signalen met elkaar gemengd, afhankelijk van de stand van de drie regelaars. Nadien volgt een bufferversterker die de twee gemengde signalen via een lage uitgangsimpedantie aan de buitenwereld aanbiedt. De letters in cirkeltjes verwijzen naar de signaallijnen in de praktische schema's die in de volgende paragraafjes besproken worden.
 |
| Het blokschema van deze eenvoudige menger. (© 2017 Jos Verstraten) |
De microfoon voorversterker
Lang leve de ruisarme transistor BC109!
Het praktische schema van de voorversterker voor de microfoon is getekend in onderstaande figuur. Er is bewust gekozen voor een oude schakeling met twee transistoren. Weliswaar bestaat er tegenwoordig een aantal zeer goede geïntegreerde audioversterkers. Nadeel is echter dat deze niet overal verkrijgbaar zijn en bovendien voor deze toepassing in feite veel te veel te bieden hebben. Het getekende concept heeft zich al minstens dertig jaar bewezen als een uitstekend oplossing voor het ruisvrij versterken van kleine laagfrequent signalen. De toegepaste BC109 staat bekend vanwege zijn uitstekende ruisarme werking en is dé transistor voor het versterken van kleine audiosignalen.
 |
| Het schema van de ruisarme microfoon voorversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
De versterker bestaat uit twee trappen die gelijkspanningsgekoppeld zijn. De uitgang van de eerste trap, de collector van transistor T1, is rechtstreeks galvanisch verbonden met de ingang van de tweede trap. Deze rechtstreekse koppeling heeft wel tot gevolg dat u stabilisatiemaatregelen moet treffen. Er moet dus een gelijkspanningstegenkoppeling worden aangebracht, die u in het schema terug kunt vinden onder de vorm van de weerstanden R4/R7/R8 en R5/R1. Uit het in de schakeling getekend signaalverloop volgt dat als de spanning op de basis van transistor T1 zou willen stijgen dit een daling van de instelspanning op de collector tot gevolg heeft. Het gevolg is dat ook de instelspanning op de basis van de tweede trap daalt en deze transistor minder in geleiding wordt gestuurd. De transistor T2 trekt minder stroom, over de twee emitterweerstanden R7 en R8 valt minder spanning. Deze spanningsdaling wordt via de terugkoppelweerstand R4 teruggevoerd naar de basis van T1. De oorspronkelijke stijging van de instelspanning wordt dus tegengewerkt, het beste bewijs dat dit netwerk corrigerend werkt op de instelling van de totale versterker.
Een tweede terugkoppeling op de instelling wordt gevormd door de weerstanden R1 en R5. Door het geschetste verloop van de instelspanning op de basis van T1 zal de collectorspanning van T2 flink willen stijgen. Deze stijging wordt voor een deel teruggekoppeld naar de emitter van T1 via de weerstanden R5 en R1. Het gevolg van deze spanningsstijging is dat het verschil tussen de basis- en de emitterspanningen gaat dalen. Beide grootheden variëren immers in dezelfde richting! Ook dit heeft een stabiliserende invloed op de gelijkspanningsinstelling van de versterker.
Instellen van de versterkingsfactor
De wisselspanningsversterking van de microfoonversterker wordt in eerste instantie bepaald door de verhouding tussen de weerstanden R3 en R5. In wezen is deze instelling te vergelijken met de bekende resistieve terugkoppeling van de uitgang naar de ingang van een operationele versterker. Hoe groter de verhouding tussen beide weerstanden, hoe groter de wisselspanningsversterking. De gelijkspanningsinstelling wordt door het in serie opnemen van de condensator C2 niet door deze terugkoppeling beïnvloed. Het is dus zonder meer mogelijk de waarde van R3 te verhogen of te verlagen als de gebruikte microfoon daar aanleiding zou toe geven.
De wisselspanningsversterking van de tweede trap wordt bepaald door de verhouding tussen de emitter- en de collectorweerstanden. De emitterweerstanden zijn voor wisselspanning ontkoppeld door de condensator C4, zodat deze versterkingsinstelling alleen geldt voor wisselspanningssignalen.
De bandbreedte bepalende componenten
De bandbreedte van deze schakeling wordt aan de lage kant bepaald door de waarde van de condensator C2. De impedantie van dit onderdeel staat in serie met weerstand R3 en omdat deze impedantie toeneemt naarmate de signaalfrequentie verlaagt zal ook de versterking afnemen voor signalen met lage frequentie. Aan de hoge kant wordt de 15 kHz grens vastgelegd door de waarde van condensator C3. Hoe kleiner deze condensator, hoe breedbandiger de schakeling wordt. Het is echter niet aan te bevelen dit onderdeel te verkleinen omdat dan weliswaar de bandbreedte stijgt, maar ook de kans op oscillaties.
Het mengsysteem
De schakeling werkt volledig passief
De schakeling die verantwoordelijk is voor het mengen van de drie ingangssignalen is getekend in onderstaande figuur. Zoals reeds geschreven in de inleiding wordt gebruik gemaakt van een volledig passief werkende resistieve menger. Hoewel deze schakeling enige kleine nadelen heeft vergeleken met de actieve menger met virtuele massa, is voor deze oplossing gekozen omdat er voldoende signaalreserve aanwezig is en de schakeling uit de aard der zaak volledig vrij is van vervorming.
 |
| Het schema van het passief werkende mengsysteem. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het niveau van het microfoonsignaal wordt geregeld door middel van de monofone potentiometer R9. Deze is vrij laagohmig, wat ten eerste een vereiste is om de op de loper aangesloten panoramaregelaar goed te laten werken en ten tweede zonder problemen kan omdat de microfoonversterker een zeer lage uitgangsimpedantie heeft. Op de loper van R9 zijn de twee helften van een hoogohmige stereopotentiometer R10 aangesloten. Deze zijn kruiselings gekoppeld. Als de lopers in de middenstand staan zal er op beide lopers een even groot signaal staan. Deze twee signalen worden via de mengweerstanden R23 en R11 aangeboden aan de twee uitgangen van de mengschakeling. Het microfoonsignaal verschijnt dus even sterk op de linker en op de rechter uitgang. De microfoon staat in het midden van het stereobeeld.
Als de lopers in de bovenste stand staan zal R10a het volle microfoonsignaal via R23 aan de rechter uitgang aanbieden. De loper van R10b staat nu echter op de massa en er wordt via R11 geen signaal naar de linker uitgang gevoerd. Het microfoonsignaal staat nu volledig rechts in het geluidsbeeld. Het zal duidelijk zijn dat dit beeld omdraait als u de lopers van R10a en R10b in de onderste stand zet.
De twee line-ingangen worden rechtstreeks aan de niveaupotentiometers R13 en R15 aangeboden. De lopers van deze onderdelen gaan via de mengweerstanden R12, R14 en R24, R25 naar de twee uitgangslijnen van de mengschakeling.
De uitgangsbuffer
Waarom een buffer?
Zoals reeds geschreven heeft de resistieve menger een aantal kleine nadelen:
- Eerste nadeel is dat er tamelijk veel spanning verloren gaat over de weerstanden. Omdat in deze schakeling met grote signaalniveaus wordt gewerkt hebt u daar in de praktijk echter weinig last van.
- Een tweede, vervelender, nadeel is dat de waarde van de mengweerstanden R23, R11, R12, R14, R24 en R25 tamelijk groot moet zijn om de instelling van de potentiometers niet te verstoren en om er zeker van te zijn dat deze elkaar niet beïnvloeden. Het gevolg is dat de gemengde signalen die ter beschikking staan op de punten B en C vrij hoogimpedant zijn en niet zonder meer aan apparatuur aangeboden kunnen worden. Door de hoge uitgangsimpedantie op de menglijnen zou er een spanningsdeler gevormd worden tussen deze impedantie en de ingangsimpedantie van de daaropvolgende schakeling. Een groot deel van het signaal zou verloren gaan over de uitgangsimpedantie.
- Derde nadeel is uiteraard dat een hoogohmig signaal zeer gevoelig is voor het oppikken van brom.
- Vierde nadeel van de hoge impedantie is dat een afgeschermde kabel, op de menglijn aangesloten, door zijn parasitaire capaciteit een mooi laagdoorlaatfilter vormt en de hoge frequenties verzwakt worden.
Het schema van de buffer
Het ligt voor de hand hiervoor emittervolgers te gebruiken. Zoals uit het schema van onderstaande figuur blijkt is dat ook in deze schakeling het geval. De getekende schakeling wordt gekenmerkt door een ingangsimpedantie van 3,6 MΩ en een uitgangsimpedantie van slechts 500 Ω. De waarde van de ingangsimpedantie is veel hoger dan met een normale emittervolger haalbaar is. Er is dan ook een speciaal schakelprincipe toegepast, dat bekend staat onder de naam bootstrapping. Dit is een schakelprincipe dat in de analoge elektronica vaak wordt toegepast en het is in dit kader misschien nuttig hier even dieper op in te gaan.
 |
| Het schema van de uitgangsbuffer. (© 2017 Jos Verstraten) |
In onderstaande figuur wordt de schakeling van een normale emittervolger (links) vergeleken met een emittervolger waarin bootstrapping is toegepast (rechts). Het enige verschil is een capacitieve terugkoppeling van de emitter naar de basiskring via condensator C9. Bij de normale emittervolger wordt de spanning op de basis op ongeveer de helft van de voedingsspanning ingesteld met behulp van de spanningsdeler R16/R17. Deze weerstanden kunnen niet al te hoogohmig zijn, omdat dan de basisstroom een te grote spanningsval introduceert over R17 en de gelijkspanningsinstelling van de emittervolger in gevaar komt. Voor signaalspanningen staat R17 echter parallel over R16. De voeding is immers zwaar ontkoppeld met een grote elektrolytische condensator! Het ingangssignaal wordt dus belast met drie stromen. De wisselstromen i2 en i3 vloeien via de instelweerstanden af naar de massa. De signaalstroom i1 die in de basis vloeit is vanwege de emittervolger-werking te verwaarlozen. De dynamische ingangsimpedantie van de schakeling wordt bijgevolg voornamelijk bepaald door de parallelwaarde van de weerstanden R16 en R17 en zal in de praktijk nooit groter zijn dan ongeveer 220 kΩ. Deze impedantie vormt een zware belasting voor de hoogohmige mengweerstanden, waardoor veel signaal verloren gaat.
 |
| Het principe van bootstrapping. (© 2017 Jos Verstraten) |
Omdat de spanningsversterking van een emittervolger ongeveer gelijk is aan 1 zal er over R18 geen wisselspanning staan. De bovenzijde is immers rechtstreeks aangesloten op het signaal. De onderzijde voert dank zij de bootstrap terugkoppeling hetzelfde signaal. Als over een weerstand geen spanning staat kunt u uit de wet van Ohm afleiden dat er ook geen stroom door het onderdeel vloeit. Weerstand R18 wordt dus niet doorlopen door een wisselstroom die van het ingangssignaal afkomstig is, waaruit u kunt besluiten dat deze weerstand ook geen belasting voor het signaal vormt. De enige dynamische belasting voor het signaal is nu dus de kleine wisselstroom die in de basis van de transistor vloeit.
Op deze eenvoudige manier kunt u de dynamische ingangsimpedantie van een emittervolger verhogen tot ongeveer 3,5 MΩ. De mengweerstanden van de passieve mengschakeling worden nu nauwelijks belast met als gevolg dat er ook geen signaal verloren gaat.
Een tweede emittervolger
Uit het schema van de uitgangsbuffer volgt dat de bootstrap-schakeling wordt afgesloten met een tweede emittervolger. Dit is een eis bij dergelijke schakelingen, omdat een rechtstreekse belasting van de gebootstrapte emittervolger het bootstrap-principe geweld aandoet. Het signaal wordt afgenomen van de emitter van T4 en heeft op dat punt een dynamische uitgangsimpedantie van slechts 500 Ω.
Het volledig schema van de mengversterker
Het volledig uitgewerkt praktisch schema van de schakeling is getekend in onderstaande figuur. Uiteraard is dit niets meer dan de logische aaneenschakeling van de besproken deelschema's. De schakeling wordt gevoed uit een batterijtje van 9 V dat door middel van condensator C16 grondig ontkoppeld wordt. Alle potentiometers zijn logaritmisch op de panoramaregelaar R10 na, die een lineair weerstandsverloop moet hebben.
Door dubbel te klikken op het schema krijgt u dat in een tweede venster op ware grootte in beeld.
 |
| Het volledig schema van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
De bouw van de schakeling
De print en de componentenopstelling
In de volgende twee figuren zijn de print en de componentenopstelling van deze print voorgesteld.
 |
| De print van de mengversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling. (© 2017 Jos Verstraten) |
Alle niet-elektrolytische condensatoren hebben een standaard 7,5 mm raster. De elektrolyten liggen plat op de print. De vier potentiometers kunt u rechtstreeks op de print solderen. De potentiometers voor het volume van de twee line-ingangen staan achter op de print. Het is dus de bedoeling dat u de kunststof assen van deze onderdelen niet kort afzaagt. Rond het bevestigingsgat rechts onder is een groot koperen eiland aangebracht. Hiermee kunt u de massa van de print verbinden met het aluminium van de metalen behuizing, waarin u de schakeling onder moet brengen.
De inbouw van de print in een behuizing
In dit kastje moet, naast de print, plaats zijn voor het monteren van de 9 V batterij. U kunt dit onderdeel op het chassis bevestigen met behulp van een grote gereedschapsklem die in iedere doe-het-zelf winkel te koop is. De klem wordt in de bodem van de kast geschroefd, de batterij wordt in de klem vastgeklemd. Op het frontpaneeltje moet naast de vier potentiometers nog plaats zijn voor de AAN/UIT schakelaar. In onderstaande figuur is de bedrading getekend. U moet afgeschermde draad gebruiken voor het aansluiten van alle audio-verbindingen.
 |
| De inbouw van de print in een metalen behuizing. (© 2017 Jos Verstraten) |
Soldeerbout met temperatuurindicatie
