Klangregelung Vorverstärker – Schnee von gestern??

Klangregelung in modernen Vorverstärkern? Ist das noch zeitgemäss?
Das nachfolgend gebaute Modell eines Vorverstärkers mit abschaltbarer Klangregelung soll darauf eine Antwort geben.

Vorgeschichte
…in dem mittleren schwarzen Gehäuse verbirgt sich der VV mit Klangregelung (die kleinen Potis)

Vor einigen Wochen war endlich mal wieder ein Treffen unter Freunden möglich, bei dem u.a. ein Gerät vorgeführt wurde, dass ich eindrucksvoll fand und sogleich meine Neugierde geweckt hat.
Auf der Basis eines Kopfhörerverstärkers (WHAMMY Project der diyaudio.com community) lief ein Vorverstärker, der über eine abschaltbare Klangregelung verfügte. Insbesondere für den “Leisehörer” ein echter Tip.

Psychoakustisch – und auch medizinisch erklärbar – lässt die Wahrnehmung für tiefe Töne und auch in geringerem Umfang für höhere Töne mit sinkender Lautstärke nach.
In Folge dessen hört das Ohr einen vermeindlichen Verlust an Tiefton und an Räumlichkeit, wenn die Wiedergabelautstärke reduziert wird.

Schon in der Röhrenära gab es darauf eine Antwort:
Klangwaage, Loudness, Bassangebung, Höhenanhebung, usw…….

Auf der Basis dieser alten Schaltungen entstand in HH das Konzept für die hier demonstrierte Klangregelung.

Schaltungsprinzip

Es werden in klassischer Weise 5 Eingänge geschaltet. Der Eingangsschaltung folgend, trifft das Signal auf ein Klangregelmodul. Durch Einstellen von 2 linearen Stereopotentiometern wird der Bassbereich unter 500Hz und in gleicher Weise der Höhenbereich über 1000 Hz angehoben (oder abgesenkt).

….die schwarze ist die WHAMMY Platine

Nach dem Klangregelmodul folgt der eigentliche Vorverstärker, der aus einer modifizierten WHAMMY Platine besteht (Class A).

Das so verstärkte Signal trifft auf eine Ausgangsstufe, in der gemutet oder Mono geschaltet werden kann.
Die Monoschaltung ist sehr hilfreich zum Abgleich der Stereobasis!

Die Eingangsstufe

Hier wollte ich eine Schaltung, die zukünftig auch für weitere Geräte universell verwendbar wäre. Über ein Relais wird das Signal der entsprechende Quelle auf den Eingang des Klangregelmoduls geschaltet.

Als Schalter fungieren entweder ein manueller Drehencoder oder eine Universalfernbedienung.

Die verwendeten Relais sind bewährt. Bei der Konstruktion bin ich andere Wege gegangen, und habe die Bestückungsseite “umgekehrt”.

….diese Seite “zeigt” später zum Klangregelmodul, rechts die ausspeisenden SMB Stecker
….diese Seite wird auf die Rückwand montiert
….so liegt die Platine mit den Relais bündig auf der Rückwand

Der Vorteil: es entstehen sehr kurze Signalwege, und durch das Verlöten der konventionellen Cinchbuchsen bekommt das Ganze eine wertige Stabilität.

Das Klangregelmodul

Ohne die gesamte Schaltung öffentlich zu machen, dennoch einige Details:

  • verwendete Halbleiter: extrem rauscharme JFet
  • verwendete Kondensatoren an klangentscheidender Stelle: Styroflex 1% Toleranz am LCR Meter gematcht

    …das Herz der Schaltung – die Klangregelung. copyright Bjoern J., HH
  • Betriebsspannung: 2 x 30V Doppelmono
  • Bypass-Schaltung am Ausgang (Omron Kleinsignal), um das Signal direkt durchzureichen
….die Lötseite des Klangregelmoduls, gefräst auf der BZT CNC Fräse
…das bestückte und montierte Klangregelmodul

Da die JFet’s gematcht sein mussten, ging kein Weg an der Messung von 100 Typen vorbei. Glücklicherweise bietet das Atlas DCA pro als Halbleitertester ein leistungsstarke Software, mit der unter Windowssystemen die Kennlinien aufgenommen und ausgewertet werden können.

Am Ende des Tages lagen 10 Jfet’s auf dem Tisch, die bei einem IDss von 2,6mV identische Kennlinien hatten.

Das Mikrocontrollerboard

Hier mal wieder Neuland, da ich beim durchzählen der notwendigen Ports feststellen musste, dass ich entweder einen Multiplexer oder an Stelle des kleinen Atmega328 den pb Typ nehmen muss.
Warum kein Nano:
das SPI Protokoll sollte möglich sein, um den geplanten Lautstärkeregler später auf einen Muses 72320 umbauen zu können. Und genau das unterstützt der nano nicht!!
Aber erst mal ging es um das Klangregelmodul!

Da es inzwischen winzige boards gibt, die den Atmega328pb tragen, habe ich mich herangewagt, und für 5 Euro das Stücke ein paar dieser winzigen Boards geordert.
In KiCad mussten dazu Symbolbibliotheken und Fooprints geändert werden, was aber – einmal verstanden – vorzüglich in KiCad umzusetzen ist.

….Lötseite und gleichzeitig Trägerseite für Drehencoder und LED
….auf der grünen Platine der winzige 328pb, rechts ein Darlingtontreiber, links der Motortreiber für das Lautstärkepoti, das Relais ist für den standbybetrieb
….montierte LED und der zentrale Drehencoder

Summa summarum laufen folgende Funktionen über das Controllerboard:

  • Schalten von 5 Eingängen über Drehencoder/Taster
  • Verarbeiten der IR Signale
  • Schalten von Klangregelrelais, Mute und Mono
  • Standby nach Drücken des Drehencoders
  • störungsfreier Betreib des Motorpotentiometers
  • optische Kontrolle über 8 LED’s
Die Whammystufe

Hierzu ist wenig zu sagen, dieses “Miststück” ist einfach super beleumundet. Aber Achtung:
in der Ursprungskonstruktion ist die Verstärkung so hoch, dass bereits bei winzig aufgezogenen Lautstärkeregler die Bude wackelt.

Deshalb der Tip, das Gain am OP-Amp (AD823) zu ändern. Ursprünglich sitzen bei R1 und R12 1kOhm, was viel zu wenig ist.
Durch ändern des Spannungsteilers aus positiver/negativer Spannung am Negativeingang lässt sich das gain anpassen.

….ausgelöste IC-Beinchen als Widerstandsträger

Um mit verschiedenen Widerständen spielen zu können, habe ich pro Widerstand 2 IC-Fassungsbeinchen verlötet. So kann man frei mit steckbaren Widerständen experimentieren.

Netzteile

Das war der einfachere Teil in der Fragestellung. Für den Digitalteil waren 5V und 12V erforderlich, die ich mit einem kleinen Printtrafo und LM7805 und LM7812 in gewohnter Weise umgesetzt habe.

…der rotbraune Trafo liefert die Digitalspannungen. Die Schaltungen der 220V Netzteile erfolgen über Finderrelais, Steckverbinder von Wago.

Der 5V Teil bedient den Mikrokontroller, der auf Tastendruck die 12V zuschaltet und damit die Spannungsversorgung für das onboard Whammy Netzteil und das 2 x 30V Netzteil freigibt.

Um bereits in den Anfängen Brummunterdrückung zu betreiben, wird die gemeinsame Masse über ein 220V DC Filter (47Ohm, 220nF, 2 x 1N4007 antiparallel) gegen Gehäusemasse abgeleitet.

In gleicher Weise ist dies beim 2 x 30V Netzteil und auf der Whamyyplatine nachträglich geregelt.

…sekundärseitig Sicherungen, UF4007 Dioden und CRC Siebung auf 2 x 30V

Das 2 x 30V Netzteil braucht nur 10mA zu liefern, aber um den Muses später zu befeuern ist es grosszügig in CRC Manier mit hohen Dämpfungsfaktor gelöst.

Da alle Printtrafos sekundärseitig ohne Sicherung sind, ist dies auf den Platinen “nachgerüstet”. Sicher ist sicher.

Ausgangsstufe

Hier zeige ich exemplarisch, wie die Montage auf die Rückseite erfolgte:

  • die Rückseite wird mit den Cinchbuchsen bestückt
  • über kurze Silberdrähte wird die Platine aufgefädelt
  • Verlöten des Signalleiters und der Masse

…die Platinentragende Rückwand, davor die Whammy Platine, links oben Digitalnetzteil, an der Seitenwand montiert das 2 x 30V Netzteil, vorne das Klangregelmodul
Mechanik

Zum Einsatz kam ein “übriggebliebenes” HiFi2000 Gehäuse. Diesmal wurde erst die Mechanik in 2D geplant und auf der BZT Fräse gefräst.
Die CAD Daten konntne dann als DXF dateien in KiCad “hinterlegt” werden. Dadurch war eine exakte Positionierung der Bauteile möglich, so dass die Platinen perfekt passten.

…die rechtsseitige Anzeige/Taster/IR Platine. Der Ausschnitt lässt die Montage des Motorpoti zu.
Zusammenfassung

Gründlich geplant habe ich trotzdem 3 Versionen des Controllerboards entwerfen müssen, bis ich softwareseitig alles umsetzen konnte.
Den Atmega328pB in der Arduino IDE zum Laufen zu bekommen, ist etwas trickig – aber es geht!!

Im Klangregelmodul ist mir ein defekter JFet untergekommen, aber das war der einzige Fehler (und die Potis laufen “verkehrt” herum).

Die Whammyplatine lief auf Anhieb, und die Messwerte können sich sehen lassen:

….Frequenzgang wie am Lineal gezogen
Klirrfaktor bei 0dB um 0,001%

Sehr schön kann man die Wirkung des Klangregelmoduls sehen (bei übrigens konstanten Klirrfaktor):

…..Tiefton- und Höhenregler komplett aufgezogen
….Mittelstellung, nahezu liearer Verlauf, zeigt die Qualität des Netzwerkes
….und die Regler “zugezogen” senken den Tiefton- und auch den Höhenbereich ab

der “berühmte” Kuhschwanz bildet sich mit Aufziehen der Potis aus der Nullposition aus……

Dann der Klangeindruck:

  • zunächst war ich etwas enttäuscht, da der AD823 als klangentscheidender Baustein mit der XP30 in Bufferversion nicht ganz mitkam. Es klang erst einmal harscher
  • dann spielte sich die ganze Kette aber hörbar ein, und nach 48 Stunden näherte sich die Preline2021 der XP30 an
  • mit Zuschalten des Klangmoduls dann aber ein Aha Effekt. Bei leiser Musik ist der Zugewinn an Tiefton und Räumlichkeit deutlich

Damit habe ich das Ziel erreicht und kann nur sagen:
Klangregelung ist bei weitem kein Schnee von gestern und ich verstehe, warum z.B die Firma AVM in aktuellen Modellen so etwas wieder verbaut!!

Es ist dem älteren Ohr “wohlgefällig”!!

Dank:

Björn J. für die Schaltung und “Bauteilesupport” sowie die vielen Tips am Rande

Michael M. für den knappen Kommentar: die Ton-Regelung macht eine frappierende Verbesserung der Räumlichkeit

G.W: für das Anfeuern im Hintergrund

Bezugsquellen:

Eckstein Komponenten (Mikrokontroller, Miniaturtaster, Programmiermodul für Atmega 328pb)

Reichelt Elektronik (alle Kleinbauteile)

Pollin Elektronik (Motortreiber, Printtrafos)

ebay (Motorpoti Alps, JFet)

Drehknöpfe:
auf eigener Drehmaschine (Leinen und Boley) gedreht. Material Aluminium