Analoge DIY Audio Compressor
Een Analoge DIY Audio Compressor, een eenvoudige uitvoering van de fameuze Fairchild 670 is mijn projectdoel.
Een eenvoudige uitvoering want dit legendarische beest uit de jaren ‘60 heeft in stereo uitvoering een circuit van 20 zorgvuldig op elkaar afgestemde buizen en een reeks van 14 transformatoren.
De Fairchild 670 compressor heeft het geluid van meer hits gevormd dan enig ander stuk audio uitrusting in de muziekgeschiedenis.
Die technologie ga ik uitproberen. De belofte is een vervormingsvrije compressor :-).
De eerste uitdaging is een passende balanstransformator vinden met primair minimaal 2*8K impedantie.
Het belang van deze professionele compressor voor elke radio amateur!
Een Professionele Audio Compressor tilt een radio amateur naar het niveau van een pro-am; een professionele amateur.
Of je illegaal op de FM band aan buurtradio doet, of een LPAM zender exploiteert of dat je op de korte golven probeert contacten op grote afstanden te overbruggen, een Audio Compressor is in al die gevallen noodzakelijk.
Waarom?
Elk audio geluid, of dat nu spraak is of muziek dat signaal kent een enorme dynamiek. Dat wil zeggen dat er grote verschillen zijn waar te nemen in de sterkte van het audio signaal.
Onderstaande afbeelding geeft de dynamiek van een audio signaal weer.
Elke goed werkende zender staat afgestemd op de toppen van het audio signaal. Maar die topvolumes zijn maar in 10% of minder van de tijd aanwezig. In meer dan 50% van de tijd zal het signaal zo’n 30 à 40 procent van het volume bevatten.
Dat betekent dat je zender dan veel minder effectief is. De zender is op die momenten maar voor 30-40 procent productief.
Dat probleem los je op met een goede Audio Compressor
Die compressor verzwakt de pieksignalen in je geluid waardoor je het volume van de audio hoger kunt zetten. De compressor zorgt er voor dat als het geluidsniveau boven een grens uitkomt het volume vanaf die grens met een bepaalde verhouding zachter wordt gemaakt.
De effectiviteit en daarmee de neembaarheid van je zender neemt enorm toe.
Fairchild technologie zeer effectief
Fairchild gebruikt net als wij in onze eenvoudige Audio dynamiek Compressor een gelijkgericht geluidssignaal om de compressor aan te sturen.
Fairchild gebruikt daarvoor in alle eenvoud net als wij vier diodes in een brugschakeling. Maar Fairchild gebruikt geen condensatoren om die gelijkspanning rimpelloos en piekloos te maken.
Er worden wat condensatortjes in serie met weerstanden gebruikt om de attack time instelbaar te maken maar in termen van gelijkspanning afvlakken mag dat geen naam hebben.
Fairchild maakt zelfs van de rimpelingen en pieken in het gelijkgerichte geluidssignaal gebruik om die rimpelingen en pieken te dempen in het uitgangssignaal. Dat doen ze zonder dat die rimpelingen en pieken vervorming veroorzaken in het eindsignaal.
Hoe lukt ze dat?
Als je het weet zie je hoe eenvoudig en effectief het is en denk je: Waarom heb ik dat zelf niet bedacht 😉.
Eerste proefopstelling van deze Analoge DIY Audio Compressor
Alle theorie, experimenten en leerervaringen overslaan en direct naar het eindresultaat? Klik hier op audio dynamiek compressor voor radiozenders
Het geheim van deze schakeling
Het geheim van deze schakeling zit hem in de push-pull eindversterker.
De eerste triode fungeert als fasedraaier voor die eindversterker. Het geluidssignaal wordt aan de anode afgenomen en naar een eindbuis gebracht. Van de kathode wordt een even zo sterk signaal maar dan in tegenfase aan het anode signaal afgenomen en naar de andere eindbuis gebracht.
Beide eindbuissignalen tellen doordat ze in tegenfase aan elkaar zijn bij elkaar op in de eindtransformator.
Tot zover is er niets bijzonders aan de hand. Deze zogenaamde push-pull schakeling is alom bekend en wordt onnoemlijk veel toegepast. Ook vandaag nog in transistor schakelingen.
De truc van Compressor
De truc van deze Analoge DIY Audio Compressor zit in de de push-pull benadering.
De tweede triode versterkt het ingangssignaal waarna het gelijkgericht wordt om als stuurspanning in de compressor te kunnen gebruiken.
Deze schakeling is gelijk aan die in de eenvoudige Audio Dynamiek Compressor voor korte golf zenders. Alleen is de uitgangsspanning nu een stuk lager. In principe hebben we maar een volt of 12 stuurspanning nodig. Of dat ook zo gaat werken is spannend en gaan we zien.
We gebruiken nu de negatieve uitgang van de gelijkricht brugschakeling als stuursignaal en hangen dat aan het stuurrooster van de eindbuizen. Het beoogde effect is, hoe harder het geluidssignaal des te hogere negatieve spanning op het stuurrooster waardoor deze buizen dus afgeknepen worden en minder vermogen aan de eindtrafo afgeven.
Het mooie is nu dat die gelijkspanning maar beperkt is afgevlakt en dus nog rimpelingen en signaalpieken van het geluidssignaal bevat. Die rimpelingen dringen zo dus door in het signaal dat de eindbuizen versterken.
In de eenvoudige Audio Dynamiek Compressor voor kortegolfzenders zagen we dat dit verschijnsel voor vervorming van het uitgangssignaal kan zorgen.
Voor spraak op de korte golf en zeker voor SSB verbindingen is een beetje audio vervorming helemaal niet erg. In de praktijk zul je het niet eens horen.
Maar in de Push-Pull versterkertrap van deze Analoge DIY Audio Compressor treedt die vervorming niet op!
Hoe dat kan?
De eindtransformator
De eindtransformator van deze Analoge DIY Audio Compressor ontvangt van de twee eindbuizen twee tegengestelde spanningen. Als de ene buis een positieve puls geeft, geeft de andere buis een negatieve puls.
De totale wisselspanning tussen die twee anodes, dus op die transformator is daardoor twee keer zo hoog als één buis zou kunnen afgeven.
Dat resulteert ook in een twee keer zo sterk signaal aan de secundaire kant van de trafo.
De rimpels en pieken die vanuit de side chain aan de stuurroosters van de eindbuizen worden aangevoerd zijn voor beide buizen precies gelijk en in fase.
Dat betekent dat ze versterkt maar nog steeds gelijk en in fase bij de uitgangstrafo aankomen. Aan beide uiteinden van de transformator komt precies dezelfde spanning aan.
Doordat deze spanningen precies gelijk zijn gaat er geen stroom door de transformator lopen. De stoorsignalen heffen elkaar als het ware op. Er vindt geen overdracht plaats naar de secundaire zijde van de trafo.
Tot zover het principe ontwerp van onze Analoge DIY Audio Compressor.
Tweede ontwerpronde, details maken het verschil
Welke instellingen kies je voor een Analoge DIY Audio Compressor? Welke details moet je in de gaten houden. Wat zijn de valkuilen?
Ruststroom instellingen van de Push-Pull eindtrap
Zoals we zagen wordt de ECC82 van een negatieve roosterspanning voorzien door gelijkrichting van het audio signaal.
Dat betekent dat als er geen audio signaal is en ook geen negatieve roosterspanning is! Zonder maatregelen zouden we die buis dus snel over de kop jagen en naar de prullenbak kunnen verwijzen.
We moeten dus zorgen voor het aanleggen van een negatieve spanning op de stuurroosters die de buisjes bij ontbrekend audio signaal in een ruststroom houdt.
Hoe hoog kunnen we die ruststroom, die roosterspanning het beste kiezen?
Voor de keuze van de ruststroom en bijbehorende roosterspanning nemen de karakteristiek van de ECC82 bij de hand.
Om vervorming te vermijden moeten we bij voorkeur in het lineaire, het rechte deel van deze karakteristiek gaan zitten.
We hebben een voedingsspanning van 250V en een uitgangstrafo die voor wisselspanning een impedantie van 7500 ohm biedt maar voor gelijkspanning slechts 360 ohm weerstand in huis heeft.
De ECC82 mag maximaal 20 mA anodestroom leveren bij 150V. Veiligheidshalve beperk ik de stroom op 15 mA.
Bij een rustroom van 0 mA zal de anode dus 250 V aangeboden krijgen en bij 4 mA (-Vg= 12V) is dat 248V. Voor een ruststroom van 15mA moeten we -Vg= 6 á 7V aanleggen. De anodespanning zal dan 244V zijn.
Je ziet dat uitgedrukt in de rode belastinglijn.
Voor wisselspanningen zie dat er anders uit!
Voor wisselspanning is de impedantie immers 7500 ohm. Ook hier zal bij een rustroom van 0 mA de anode dus 250 V aangeboden krijgen.
Bij 4 mA (-Vg= 10V) is dat nu 220V en bij 15mA (-Vg= 1V) zal dat 137,5V zijn. Deze waardes zijn met de bruine lijn aangeduid.
Hoe gaan we nu het audio signaal comprimeren?
Stel: We nemen een rustroom van 15 mA en daarvoor sluiten we -6V aan op de roosters van de ECC82. Die -6V is de grens waarboven de compressie gaat werken. Audio signalen die boven dit niveau uitkomen zullen worden gecomprimeerd.
In de audio techniek noemt men die grens de Threshold.
Kortom, het idee is dat als er een sterksignaal langskomt we daarmee de roosterspanning verhogen, meer negatief maken, zodat de buis minder stroom gaat trekken, minder zal gaan versterken.
Hier zit een addertje onder het gras
Stel we hebben na de fasedraaier, de eerste triode in het schema, te maken met een audio signaal van 1 V. Dat signaal wordt op onze rustspanning gesuperponeerd zodat die gaat wisselen tussen -5 en -7 V.
De side chain wekt hierbij -6 V op. De instelling van de ECC82 blijft zoals hij in rust staat ingesteld. Vanaf de bruine lijn naar links lezend zien we dan dat deze roosterspanningen een stroom wisseling door de buis van 7 naar 9 mA oplevert.
Die stroomwisseling levert een spanning op de uitgangstrafo van (9-7=) 2 mA * 7500 ohm = 15 V.
De versterking van het bronsignaal is dus een factor 15. (1 V in en 15 V uit)
Hogere bronsignaal spanning
We gaan er nu vanuit dat in ons audio signaal op enig moment een piek signaal voorkomt van 2 V.
De side chain die bij 1V nog passief bleef wordt nu actief en verhoogt de negatieve roosterspanning met 1 V. Dat wordt plus 1 volt op de 6 V maakt 7V.
Superponeren we het bronsignaal (piekspanning van 2 V) weer op die roosterspanning dan gaat die nu wisselen tussen -5 naar – 9 V. Kijken we weer naar de karakteristiek dan zien we dat de stroom Ia nu wisselt van 5-9 mA.
Dat levert een uitgangssignaal op van (9-5=) 4 mA * 7500 ohm = 30 V.
De versterking van het bronsignaal is dus nog steeds een factor 15! (2 V in en 30 V uit)
Kortom, de negatieve roosterspanning is wel hoger geworden en in principe daalt daarmee de versterking van de buis maar doordat het aangeboden wisselstroom signaal ook hoger is geworden blijft de versterkingsfactor gelijk!
Ergo, van comprimeren, demping van pieksignalen komt niets terecht! In tegendeel!
Remedie voor deze weigering te comprimeren
Voor het oplossen van deze uitdaging komt de tweede triode van de ECC83 in beeld. Deze triode versterkt namelijk het audio signaal voordat het naar de gelijkrichter gaat die de roosters van de ECC82 voedt.
Deze versterkertrap moet er voor zorgen dat het gelijkrichtte audio signaal een flink hogere amplitude krijgt dan die van het oorspronkelijke bron audio signaal (de eerste triode, de fase draaier).
De Analoge DIY Audio Compressor in actie
Factor 2 versterking in de side chain
We stellen de triode van de side chain in op een versterkingsfactor 2.
WE laten opnieuw een signaalpiek van 2 V passeren. De side chain wordt actief en verhoogt de negatieve roosterspanning nu met een factor 2. Dat wordt plus 4 V op de 6 V maakt 10 V.
Daar het bronsignaal op gesuperponeerd maakt de wisseling nu van -8 naar – 12 V.
Kijken we weer naar de karakteristiek dan zien we dat de stroom Ia nu wisselt van 6,25 naar 2,75 mA.
De versterking is dan 3,5 mA * 7500 ohm = 26,25 V. De versterking van deze piek in ons bronsignaal is dus nu van 2 V in en 26,25 V uit is 13 maal.
De demping ratio is 1,15:1. Demping ongeveer 1 dB.
Demping Ratio
Demping Ratio is een andere term uit de audio compressie techniek. De ratio drukt de intensiteit van de compressie uit.
Bijvoorbeeld een ratio van 2:1 geeft een demping aan waarbij het geluid halveert dat boven de threshold uitkomt (3 dB demping).
Dit geluid zal dus 3 dB zachter uit de compressor komen. Kies je een ratio van 4:1 zal het geluid boven de threshold 6 dB worden gedempt (het signaal boven des threshold wordt 1/4 van het bronsignaal).
We kiezen een factor 3 versterking in de side chain
We stellen de triode van de side chain in op een versterkingsfactor 3.
WE laten opnieuw een signaalpiek van 2 V passeren. De side chain wordt actief en verhoogt de negatieve roosterspanning nu met een factor 3. Dat wordt plus 6 V op de 6 V maakt 12 V.
Daar het bronsignaal op gesuperponeerd maakt de wisseling nu van -10 naar – 14 V.
Kijken we weer naar de karakteristiek dan zien we dat de stroom Ia nu wisselt van 4 naar 1,5 mA.
Versterking is dan naar 2,5 mA * 7500 ohm = 18,375 V.
De demping ratio is 10:1. Demping ongeveer 10dB.
Teveel demping is ook niet goed
We zien in dit laatste voorbeeld van onze Analoge DIY Audio Compressor dat de uitgangsspanning voor deze piek bijna net zo laag is als het basissignaal. Hiermee slaan we door. Het geluid mist nu teveel van zijn originele dynamiek.
In de praktijk is een compressie van meer dan 50 % in de pieken ongewenst. Ergens rond 30-40 procent zul je meestal de ideale compressie vinden.
Twee vragen doemen nu op
- Waar halen we een negatieve rustspanning vandaan?
- Hoe stellen we in de praktijk bij verschillende signaalbronnen de juiste compressie in bij onze Analoge DIY Audio Compressor?
Hoe komen we aan een negatieve rustspanning voor de eindtrap?
Waar halen we -6 V voor de eindtrap van onze Analoge DIY Audio Compressor vandaan?
Een klassieke methode voor het creëren van een -Vg spanning is het aanbrengen van een kathode weerstand. Voor het produceren van 6 V bij 15 mA ruststroom zou dat een weerstand van 6/15 = 0,4 ohm (400 ohm) moeten zijn.
Een kathode weerstand verstoord mijn berekeningen
Zoals we in de rekenvoorbeelden zagen wisselt de stroom door de ECC82 bij het aanleggen van een audio signaal. Stel dat we -2 volt op het rooster zetten. Dan wordt de totale -Vg 6 plus 2 is -8 V. De stroom door de buis zakt dan en daarmee zakt de spanning over onze kathode weerstand waardoor de stroom weer toeneemt.
De -Vg instelling van de buis gaat sterk afwijken van onze voorgaande berekeningen. Die kathode spanningswisselingen verstoren de -Vg instellingen die we voor compressie hebben berekend met ruwweg 50%.
Je zou experimenteel kunnen uitproberen met welke versterkingsfactor in de side chain je tot de juiste compressie kunt komen. Ik heb voor dit moment een andere weg bewandeld.
Vaste negatieve roosterspanning
Vaste negatieve roosterspanning voor de Analoge DIY Audio Compressor kun je maken door de 6,3 V gloeispanning van je voedingstrafo gelijk te richten en daarna de plus spanning aan de massa van je versterker te verbinden.
Dat levert ongeveer 8,8 V op. Met een spanningsdeler van 330 en 680 ohm (1 watt) krijg je 5,9 V over de weerstand van 680 ohm die je kunt gebruiken.
Er kleeft een klein nadeel aan deze benadering. De gloeidraden van de buizen van deze Professionele DIY Audio Compressor worden ook deze 6,3 V gevoed. Die 6,3 V ligt nu aan één kant aan massa.
Dat kan enige bromspanning in je compressor veroorzaken.
Oplossing twee voor deze vaste negatieve roosterspanning
Neem een voedingstrafo met meerdere laagspanningswikkelingen. Zelf koos ik in dit verband voor een 2N1357 voedingstrafo.
Die biedt 240 V hoogspanning aan plus twee aparte wikkelingen met 6,3 V.
Zo kan ik een 6,3 V wikkeling voor de voeding van de buizen gebruiken en die wikkeling in het midden aan massa leggen. De andere wikkeling gebruik ik dan voor het instellen van de rustspanning (de ruststroom) van de ECC82.
De complete voeding voor de professionele diy audio compressor zie er dan als volgt uit:
Led voeding
Je kunt er voor kiezen om de leds te voeden uit de volle gelijkspanning die op de tweede 6,3 V wikkeling beschikbaar is. Je spaart dan een brugcel en twee Elco’s uit.
Ik heb er echter voor gekozen de negatieve roosterspanning voor de eindbuizen zo schoon mogelijk te houden.
De Leds branden ook prima op een wisselspanning van 6,3V maar veroorzaken dan stoorklikken die je niet in je geluid wilt!
Hoe de rustspanning / compressiespanning aansluiten?
Hoe nu in onze analoge diy audio compressor nu de rustspanning en compressiespanningen aansluiten en laten samenwerken?
Onderstaande vereenvoudigde afbeelding maakt dat zichtbaar.
Je ziet dat als de side chain spanning beneden de rustspanning blijft de gelijkrichtdiode DS in sper staat. De side chain doet niet mee. Groeit de spanning in de side chain boven de 6 V uit dan gaat de DS diode open en zal de DX diode gaan sperren.
De side chain neemt nu de voorziening van de roosterspanning over van de rustspanningsinrichting. Zodra de side chain spanning weer onder de 6 volt zakt neemt de rustspanningsvoorziening de levering van de roosterspanning weer naadloos over.
Hoe in de praktijk de juiste compressie verhouding instellen?
Hoe werk je met deze Analoge DIY Audio Compressor?
We lopen even vooruit op de bouw en test van deze compressor voor kwalitatieve spraak en muziek en bekijken hoe je hier in de praktijk mee kunt werken. We nemen daarbij onderstand schema bij de hand.
Let op! Ook dit schema verkeerd nog in de ontwerpfase. In de testfase (zie verderop) blijkt dat hierbij nog enige aanpassingen nodig zijn. (The Devil is in the Details 😊)
Kik op de afbeelding voor een grotere weergave
Je ziet dat we het schema hebben uitgebreid met een dB metertje. Dat mag overigens ook een voltmetertje of een milli-ampere meter zijn. In mijn geval is het een Chinees dB metertje dat je voor een paar Euro bij AliExpress kunt kopen.
Starten met inregelen van je compressor
Voor de start van het inregelen van onze Analoge DIY Audio Compressor zetten de peak schakelaar aan. Over die schakelaar later meer.
Sluit nu een audio apparaat aan die 0,5 V muziek input kan leveren. Ik gebruik daar de DIY voorversterker van de 10 Watt Audio versterker voor.
We openen de potentiometer van de ingang tot halverwege.
Als het goed is zal je DB metertje nu bijna vol uitslaan en daarmee aangeven dat er ook audio uitkomt. Met de ingangsvolume meter moet je die uitgangsspanning nu kunnen reduceren. Dat laatste proberen we even en daarna weer vol open.
Nu zetten we de peak schakelaar dicht. Die schakelaar dient namelijk alleen maar om de pieken van het volume zichtbaar te maken. Zonder deze schakelaar en de bijbehorende Elco zou de meter als gevolg van zijn traagheid die piekspanningen nooit zichtbaar maken.
Na de piekspanning zien we nu een laag gemiddelde van de uitgangsspanning op de meter. Waarschijnlijk iets van 40 à 60% meter uitslag.
Draaien we nu de compressie volume meter open dan zou dat als effect moeten hebben dat de meter uitslag iets omlaag gaat.
Waarom?
Omdat de signaalpieken nu afzwakken. Zet de peak schakelaar weer aan. We kunnen nu de volumemeter iets verder open draaien totdat we weer een 100% meter uitslag zien.
Hierna kun je desgewenst de compressie weer wat opvoeren.
Als opvoeren van de compressie ineens een snelle daling van de meter uitslag te zien geeft dan kom je boven de 10dB compressie uit. Daar moet je niet zijn.
Denk je dat je goed zit? Zet de peak schakelaar uit en je meter moet op ruwweg 60-70 % uitslag zitten.
Sluit een versterker op de Analoge DIY Audio Compressor aan. Je moet nu ook aan het geluid kunnen horen of de compressie goed staat ingesteld.
De combinatie van wat je hoort en de meter uitslag laat zien of je een goed instelling gekozen hebt.
Controle van je instellingen
Met de peak schakelaar aan mag de meter maximaal 100% uitslaan. Bij uitschakelen van de peak schakelaar zakt de meter naar 50 - 80%.
Er is altijd een afweging tussen maximale compressie en optimaal geluid. Uitproberen levert je de goede instellingen op waarbij de meter je aangeeft en welk gebied je opereert.
Er is nog een instelling die we tot nu toe niet behandeld hebben bij onze analoge diy audio compressor. Attack en hold time.
Attack time instellen op je Audio Compressor
Je ziet in het schema dat de attack/hold time instelbaar is. Wat je dan doet is de reactie van de side chain op een hogere signaalspanning vertragen (attack time) en/of verlengen (hold time).
In onderstaande afbeelding zie je gevisualiseerd hoe dat in onze professionele diy audio compressor werkt.
Een term die je ook tegenkomt in de audio compressor wereld is soft knee en hard knee.
Soft knee en hard knee
In principe is een hard knee instelling hetzelfde als fast attack. Soft knee is slow attack.
Onze professionele DIY Audio Compressor heeft van zichzelf een hard knee karakter. De attack/hold potentiometer biedt de mogelijkheid dat karakter iets zachter te maken.
Waarom zou je dat doen?
Dat is een kwestie van smaak.
Een hard knee instelling op een compressor past goed bij bijvoorbeeld het geluid van trommels. Een soft knee instelling kan goed werken voor zaken als zang, bijvoorbeeld het geluid van een koor dat baat heeft bij een meer geleidelijke overgang.
Ook hierbij is het een kwestie van uitproberen en persoonlijke voorkeuren.
Of de condensator van 220 nF bij deze regeling de juiste waarde heeft moet ik in de praktijk nog uittesten!
Wordt vervolgd in 'de Bouw van een Audio Compressor met Buizen'
Nu eerst maar eens een chassis ontwerp/indeling maken. En moet er niet ook een 4500 Hz filter bij?
-
Koos Overbeeke
Terug van Analoge DIY Audio Compressor naar LPAM
Reactie van Site volgers
Chris
In een eerder compressor ontwerp gebruikte je ECC83 buizen. Nu een ECC82. Waarom? De ECC83 heb ik liggen. Kan ik die ook gebruiken?
..Koos
Goeie vraag Chris! Om eerlijk te zijn, ik kwam er in dat vorige project achter dat een ECC83 niet zo geschikt is voor compressie werk.
Waarom niet?
Een ECC83 kan maar een paar Volt negatieve spanning op het stuurrooster verdragen voordat de buis het uitgangssignaal abrupt vermoord.
We willen hier een buis die een ruime schaal van negatieve roosterspanning kan verwerken en geleidelijk zijn versterking afzwakt zonder het signaal abrupt af te snijden. Daarvoor bleek de ECC82 wel geschikt.