DIY Clipping Indicator
voor buizen versterkers
De behoefte aan een eenvoudige DIY Clipping Indicator voor buizen versterkers ontstond vanuit het project 200 Watt PA Versterker met 6550 buizen. En niet gehinderd door kennis of ervaring ging ik op zoek naar een eenvoudige VU meter die me daartoe in staat zou stellen.
En zoals je op bovenstaande afbeelding ziet: bij de start kon de uitwerking nog alle kanten opgaan.
Het probleem
Onze PA versterker moet vanuit een groot aantal verschillende geluidsbronnen kunnen werken.
En die geluidsbronnen leveren niet altijd precies de juiste ingangsspanning aan. Een bron die minder dan 150mV levert haalt niet het volle vermogen uit de versterker maar vormt verder geen probleem.
Maar een geluidsbron die meer signaalspanning levert, bijvoorbeeld ruim 300mV zoals mijn bluetooth ontvanger afgeeft, zo’n signaal kan de versterker oversturen. Als je de versterker aanstuurt boven zijn vermogen dan gaat hij zogenaamd clippen. De amplitudes van het geluidssignaal gaan afgeplat worden.
Dat clippen geeft een sterk vervormd geluid en kan schade berokkenen aan je luidsprekers. Daarom is het goed om dat clippen te voorkomen.
Op de bovenstaande afbeelding (scoopafbeelding 1) zie je dat clippen. De meting is uitgevoerd bij de luidspreker. Hier is het de ECC83 aan de ingang van de 200 Watt versterker die overstuurd wordt. We constateren dat clippen ontstaat als we meer dan 30 Volt op de luidspreker meten.
We zouden dat clippen kunnen opheffen door de instellingen van die ECC83 buis iets aan te passen.
Veel zin heeft dat niet want als die ECC83 teveel signaal gaat doorlaten zal verderop in de versterker er weer een andere buis overstuurt raken.
Nee, de oplossing is een VU meter op het dashboard van de versterker die je waarschuwt als oversturen dreigt te gaan optreden. Dan kun je het ingangsvolume bijregelen.
Dacht ik..
De uitdaging
Je weet nooit precies wat de signaalsterkte is die jouw apparaat, Laptop, Microfoon, Gitaar, of welke geluidsdrager dan ook, aanbiedt aan je versterker.
Onze PA Versterker biedt zijn maximale vermogen aan bij een ingangssignaal van 300 mV Piek-Piek. Dat is een signaal van 150 mV op de scoop of 110 mV effectief.
Ga je daarboven zitten dan overstuur je de versterker en ontstaat dat zogenaamde clippen.
Een indicator die aangeeft dat je daar in de buurt komt is dus wel handig. Daarom op zoek naar zo’n indicator. Overigens, meten maakt eerlijk.
Maar over dat laatste meer informatie in het artikel Eratta bij PA versterkers en Clipping Indicator.
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers -
Ervaringen met VU meters
Een paar jaar terug had ik voor een Audio Compressor ook behoefte aan een VU meter. Ik schafte het Velleman VU meter bouwpakket aan. Dat werd een deceptie. Dit bouwpakket werkte slecht en een mooie afwerking was ook geen sinecure.
Later monteerde ik een Chinees analoog metertje in de Compressor. Dat werkte heel aardig en ik heb daarom overwogen ook zo’n metertje in deze PA versterker in te bouwen.
Daar is dan wel een flink gat van ongeveer 35mm in het chassis van deze versterker voor nodig. Zo’n gat aanbrengen is niet eenvoudig en vergt enig boorgeweld.
Achteraf zo’n groot gat erbij boren deed ik al een keer aan de achterkant van het chassis voor de powerconnector. Maar, toen was de versterker nog in half in aanbouw en het hele voorste deel met de buizen en kwetsbare regelelementen was toen nog afwezig.
Nu zou ik juist in die kwetsbare voorkant dat boorgeweld moeten inzetten ☹
Eenvoudige DIY VU Meter
Ik ga op zoek naar een betere oplossing. Op YouTube stuit ik op DIY VU meters. De makers beloven een prima werking zonder gebruik van IC chips.
De eerste die ik onderzoek is deze meest eenvoudige diy VU meter.
In een videootje ziet het er leuk uit.
Merk op dat deze doe het zelf bouwer de luidspreker aan de verkeerde kant van de led reeks heeft aangesloten en de diodes verkeerd om heeft gemonteerd. Het gevolg hiervan is dat de rode led het eerst oplicht en bij maximaal signaal pas de groene leds gaan oplichten!
Maar dit terzijde. Deze schakeling levert nog veel grotere problemen op. Want het werkt wel maar vraag niet hoe?
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers -
1. Alleen geschikt voor 6- tot 20 watt!
Deze inventieve hobbyist heeft 10 leds gebruikt. Om die allemaal op te laten lichten is een audio signaal nodig van 7 volt. Zeven volt signaal in een 8 ohm luidspreker vraagt een versterker die ruim 6 watt vermogen aan de luidspreker afgeeft. (12 watt voor een 4 ohms luidspreker)
Geeft je versterker maar 5 watt af dan zal de laatste led nooit oplichten. Maar geeft je versterker 50 watt vermogen aan de luidspreker dan zullen een aantal ledjes snel de geest geven.
Waarom?
Die ledjes krijgen dan 28mA stroom voor hun kiezen terwijl ze maar 20mA mogen hebben. Dat probleem kun je oplossen door de serieweerstand van 560 ohm groter te kiezen. Het effect daarvan zal echter ook zijn dat de leds bij een zwakker luidsprekersignaal niet meer oplichten.
2. Sterke belasting op de geluidsbron!
Nog een groter probleem vormt de belasting die deze Led VU meter op je uitgangssignaal uitoefent. De energie die deze Leds nodig hebben om op te lichten moet namelijk uit het luidsprekersignaal komen.
Ergo, 10 stevig oplichtende leds nemen bij maximale uitsturing fors vermogen op van je geluidsbron. Tien Leds vragen 10 *20 = 200mA in deze schakeling bij een effectieve spanning van 14Volt (piekspanning 20 Volt). Vermogen dat aan je luidspreker wordt onthouden.
Er is dus sprake van een serieuze geluidsdemping door de onttrekking van geluidssignaal aan de luidspreker. Hierbij gaan we nog voorbij aan de vervorming op het signaal die de condensatoren veroorzaken.
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers -
3. Geen lage tonen!
Het derde probleem met de voorgaande schakeling is dat een stevige drumklap (lage tonen) niet door deze eenvoudige VU meter wordt weergegeven.
De condensatoren in deze schakeling kunnen bij zo’n korte dreun van lage tonen onvoldoende energie leveren om alle leds op te laten lichten.
Eenvoudige DIY VU Meter 2.0
Het volgende schema dat ik ook op YouTube vond biedt oplossingen. Niet alleen kunnen basdreunen nu goed worden weergegeven. De belasting op de geluidsbron neemt met deze schakeling enorm af.
Met andere woorden, de geluidsweergave is hiermee een stuk beter en de weergave van het geluidsniveau in de leds stijgt in accuratesse.
Bijkomend voordeel van deze schakeling is dat met de potentiometer het ingangssignaal kan worden afgestemd op de aangeboden geluidsbron. Deze schakeling is daardoor bruikbaar voor versterkers van 3 tot 100 watt.
De condensator van 10µF over de 33k weerstand kun je maar beter weglaten!
Die condensator voegt niets toe veroorzaakt onnodige demping en vervorming in je luidspreker en maakt de schakeling minder gevoelig voor zwakke signalen.
Je zou ook als nadeel kunnen opmerken dat deze schakeling een voeding van 12 Volt nodig heeft. Dat klopt maar daar win je een veel betere geluidsweergave mee plus een betere en realistischer VU meter weergave.
Maar..
Toepassen van zo’n VU meter in de PA Versterker vraagt toch dat er veel ruimte moet worden gemaakt en er op een al compleet gemonteerde versterker in het front een tiental gaten voor deze Leds moeten worden toegevoegd.
Daarbij komt, al experimenterend kom ik tot de conclusie dat we eigenlijk geen complete VU meter nodig hebben. Wat we nodig hebben is een indicator voor het bereiken van de maximale aansturing van de versterker.
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers -
Geen VU Meter maar
een DIY Clipping Indicator
Een Clipping Indicator signaleert dat de maximale aansturing zeer nabij is of wordt geraakt. Dat kan met één Led worden aangegeven.
Clipping Indicator in transistor versterkers vaker toegepast
Bij moderne met transistoren uitgeruste PA versterkers kom je vaak een clipping indicator tegen. Bij zo’n transistor versterker is de clipping functie ook eenvoudig te realiseren.
Zodra namelijk de hoogte van het luidsprekersignaal de railspanning nadert, railspanning dat is de voedingsspanning van de eindtorren, op dat moment loop je tegen clipping gevaar op.
Een reactie daar op is eenvoudig te ontwerpen en te construeren en je vindt ze volop op Internet.
Bij een buizenversterker is dat lastiger want die relatie tussen voedingsspanning en overstuurt uitgangssignaal die relatie is er niet. Op Internet vind ik daarover ook geen voorbeeld.
Zelf aan de slag met experimenten dus.
Het eerste ontwerp
DIY Clipping Indicator voor Buizen Versterkers
De voedingsspanning tappen we af van de 373BX transformator. Over die voeding verderop meer informatie.
De belasting van de volgende eenvoudige DIY Clipping Indicator op de geluidsbron, onze versterker, is maximaal 200 mW (200 miliwatt).
Die belasting op de geluidsbron is daarmee verwaarloosbaar.
De transitoren in bovenstaand schema moeten zorgen voor stevig oplichtend Leds bij een het bereiken van een gekozen zenerspanning.
Gaat het luidsprekersignaal over die zenerspanning heen dan gaat de zenerdiode geleiden, gaat daarmee de transistor open en kan de Led oplichten.
De Zener spanning
Je ziet in bovenstaand schema van deze eenvoudige DIY Clipping Indicator Zenerdiodes met een spanning van 10 Volt en 15 Volt. Is dat niet vreemd?
Ja en nee.
We weten dat de versterker boven 30 Volt luidspreker signaal gaat clippen. Aanvankelijk startte ik dan ook met zenerdiodes van 25 Volt voor groen en 28 Volt voor rood.
Je zou verwachten dat met deze zener-spanningen de groene led lekker zou oplichten bij maximaal veilig geleverd vermogen. De rode Led zou moeten oplichten bij dreiging van clippen.
Maar dat werkte niet
De praktijk met deze DIY Clipping Indicator
Voordat ik mijn mooie en goed spelende versterker open ga schroeven en er gaten ga bijboren etc. besluit ik eerst een praktijkproef te nemen.
Te vaak heb ik al meegemaakt dat iets wat er op papier geweldig uitziet in de praktijk toch anders reageert. Terecht blijkt al snel want ook nu is het zo.
O ja, het werkt wel maar…
Zoals je op bovenstaande afbeelding ziet heb ik de DIY Clipping Indicator in elkaar gezet op een zogenaamd breadboardje. Die bordjes zijn handig omdat je snel en makkelijk onderdelen kunt weghalen, verplaatsen toevoegen.
Kortom je kunt iets eenvoudig uitproberen zonder dat er een soldeerbout aan te pas komt.
Wat ik daarbij merkte is dat het schema zoals bedacht, werkte.
Alleen niet helemaal zoals ik had bedoeld. Bij oversturing van de versterker met een muzieksignaal lichtte de rode led zo nu en dan heel flauw op. De groene led iets vaker maar ook veel te flauw.
Door diodes te nemen met een lagere zenerspanning verbeterde de indicatie van de Leds. Als de versterker overstuurd wordt flits de rode led frequent aan. Maar minder fel en minder duidelijk dan ik had bedoeld.
Hetzelfde geldt voor de groene Led die natuurlijk iets meer oplicht maar naar mijn smaak ook onvoldoende duidelijk.
Een deel van de verklaring hiervoor vinden we in spraak en muziek dynamiek.
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers -
Spraak en muziek dynamiek
Zo’n output punt, een signaalspanning voor indicatie van dreigende clipping valt niet eenvoudig te definiëren.
Waarom niet?
Het volgende plaatje laat zien waarom. (Scoop afbeelding 2)
Op de linkse afbeelding in bovenstaand plaatje zie je dat een geluidsfragment wel de 30 Volt grens raakt en zelfs overschrijdt. Maar zo’n korte flits, dat gaat nog net goed.
Wat je ook ziet is dat het gemiddelde signaalniveau op een volt of 15 zit en dus op minder dan 50% van het maximale vermogen.
Op het rechtse plaatje zie je een ander geluidsfragment van het zelfde muziekstuk (Twilight Zone van Golden Earing). Hier ligt het gemiddelde geluidsniveau op 20 Volt.
Je ziet in het midden en rechts enkele zwaardere passages die de 30V grens voorbij gaan en je ziet bij die passages ook dat clippen optreedt (afplatten van de toppen).
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers -
Nu is deze vervorming nog heel gering en voor een PA versterker, anders dan voor een hifi versterker, niet relevant. Niemand gaat dit horen.
Maar hier is wel ongeveer de grens aangeduid waarbij gewaarschuwd moet worden. Pas op het geluid nadert de aansturingsgrens van de versterker. De grens van 30 Volt wordt bij een gemiddeld geluidsniveau van ruim 20 Volt regelmatig overschreden.
Spraak en muziek dynamiek ☹
Spraak en Muziek dynamiek doet deze DIY Clipping Indicator de das om. Zoals je op voorgaande scoopafbeelding 2 kunt zien maken de top signalen slechts minder dan 10-15% van je signaal uit.
Kijk je naar signaal op 75% vermogen (is gelijk aan ruwweg 87% van de top spanning) dan is die verhouding nog niet veel anders.
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers -
Mijn transistor en daarmee de leds krijgen maar op (100-87=) 13% van de tijd een heel kortdurend stroomstootje. Dat korte tijdbestek, de traagheid in de Leds en de traagheid van onze ogen (in en donkere ruimte ziet het er iets beter uit) bepaalt in hoge mate de helderheid van de Led die we waarnemen.
Door te experimenteren, verschillende Zenerdiodes in de schakeling plaatsen, kwam ik er achter dat de groene Led redelijk oplichtte voor een 75% vermogen met een Zenerdiode waarde van 10 Volt.
De rode led licht redelijk voldoende waarschuwend op bij 100% aansturing van de versterker als we een Zenerdiode toepassen van 15Volt.
Natuurlijk licht de groene Led nu al op bij zo’n 10 watt luidsprekervermogen maar hij doet dat met een heel flauwe flikkeringen. Pas bij luidsprekerspanningen van 24Volt en hoger komen er nu een iets steviger oplichtende Led naar voren.
Maar echt lekker fel oplichten doen die leds nog steeds niet ☹
We moeten verder experimenteren.
De DIY Clipping Indicator voor Buizen Versterkers
We hebben een schakeling nodig die heel korte signaalflitsen kan verlengen zodat er een stevig oplichtende Led zichtbaar wordt.
Met een 1 transistor schakeling komen we er niet uit. We komen uit bij een schakeling met twee transistoren.
Je ziet hoe het de eerste transistor op de zelfde manier wordt aangestuurd als in het voorgaande schema. Alleen zit er nu geen Led in de collector en wel een grote weerstand (100k) in de emitter.
Parallel aan die weerstand zit een relatief grote condensator van 10µF.
Is er nu een korte signaalflits met een spanning die hoger is dan de zenerspanning dan gaat de transistor open. Die condensator krijgt dan een forse laadstroom vanuit 12 Volt voor zijn kiezen.
Daarop wordt de basis van de tweede transistor (BD139) positief, die gaat open en laat de Led op volle kracht oplichten.
De truc is nu dat de ontlaadstroom voor die condensator richting 2e transistor een relatief hoge weerstand ziet. Daardoor is die ontlaadstroom veel kleiner is dan de korte laadstroompiek die hij ontving.
Tussen laad- en ontlaadstroom zit een factor 10 tot 20 verschil. Het gevolg daarvan is dat die BD139 minimaal tien keer langer open blijft dan de eerste transistor (BC108). Die eerste transistor was maar zo lang open als de signaalpiek.
De Led licht dus 10 tot 20 keer langer op dan de signaalpiek die tegen de clipping grens aan zit. Dankzij die langere tijd die de transistor open staat kan de led nu goed en krachtig oplichten.
Deze schakeling werkt zo goed dat ik er voor kies de groene Led te laten vervallen. Er hoeft nu nog maar één 8mm gaatje in het front van de versterker te worden geboord 😊
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers -
Zener spanning 25 Volt
Je ziet in bovenstaand schema van deze DIY Clipping Indicator een Zenerdiode met een spanning van 25 Volt.
Waarom geen 30 Volt vraag je je misschien af?
Er zijn enkele redenen om een paar Volt onder de clipping spanning te gaan zitten met de zenerspanning. Eén ervan is dat de transistor een drempelspanning heeft van 0,7V op de basis. Alles beneden die 0,7V spanning reageert zo’n transistor niet op.
Dat betekent dat de totale doorlaat spanning van Zenerdiode plus transistor 0,7 Volt hoger wordt.
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers –
Hierbij een tekening van het van het Vero bordje waarop we ook deze schakeling monteerden.
Meetfout van deze DIY Clipping Indicator
De tweede reden is het ingangscircuit met de IN4148 diode en de weerstanden van respectievelijk 10k en 100k. Dat circuit veroorzaakt dat van het aangeboden signaal slechts 90% de transistor bereikt.
Op het moment dat er dus een signaal is van 25Volt zal een zenerdiode van 25 Volt daar niet op reageren want die ziet dan nog maar 9/10 *25 Volt = 22,5 Volt.
Pas bij een signaalspanning van 28 Volt zal de zenerdiode lekker gaan geleiden en daarmee de BC108 transistor activeren. We zouden die meetfout kunnen opheffen door die ingangsweerstand van 10k weg te halen.
Maar daarmee creëren we een heel lage ingangsweerstand en daarmee een forse belasting op onze geluidsbron. Dat is natuurlijk niet de bedoeling en daarom handhaven we die 10k weerstand en corrigeren we de meetfout door de zenerspanning aan te passen.
- DIY Clipping indicator voor Buizen Versterkers -
Tot slot, de voeding voor deze DIY Clipping Indicator
Er waren een paar opties voor de voeding van deze DIY Clipping Indicator voor buizen versterkers. De bestaande voeding voor Leds van de versterker valt af want die biedt een kleine 8 Volt. Dat kan wel maar voor het effect van deze Clipping Indicator is meer voedingsspanning beter.
We zouden 12 volt kunnen aftakken van de 50 Volt wikkeling. Maar die wikkeling is onderdeel van de hoogspanning en die wordt al stevig belast. Daar nog eens 40mA voor twee Leds aan toevoegen zou die hoogspanning flink kunnen storen.
Daarom de keuze zoals je die ziet op bovenstaande afbeelding. De massa van de DIY Meter verbonden met de midden aftakking van de 6,3Volt. Die aftakking lag al aan Massa.
Een wikkeling van 3,15 Volt doorverbinden met de 5 Volt wikkeling. Zo komen we aan 8,4 Volt wisselspanning (de praktijk spanning van deze wikkelingen is iets hoger dan de theoretische spanning). Dat levert belast ruim 10,5 Volt gelijkspanning op.
Het eindresultaat
Tot zo ver. Vragen? Opmerkingen zijn welkom.
-
Koos Overbeeke
Terug van DIY Clipping Indicator voor buizen versterkers naar de radio amateur Audio
