Audiotronics: Klangvolle Elektronik zum Selberbauen

Sie können ziemlich sicher davon ausgehen, dass die meisten professionellen und ernsthaften Hobby-Elektroniker, die inzwischen das mittlere Alter erreicht haben, ihre ersten vorsichtigen Schritte auf diesem Weg mit dem Bau einfacher Verstärker und Radioempfänger (oder Kopien davon) gemacht haben und sich die Theorie nach und nach durch Versuch und Irrtum angeeignet haben. Und sie kennen dieses Gefühl von intensiver Zufriedenheit und Stolz, wenn das allererste Projekt mehr oder weniger das tat, was erwartet wurde – in unserem Fall war das der „Marmeladenglas-Empfänger“, der um 1960 in Radio Blan a> veröffentlicht wurde. In dieser Artikelserie wollen wir versuchen, Elektronik-Einsteigern dieses Erfolgserlebnis erneut zu vermitteln – besser noch (unserer bescheidenen Meinung nach) als es mit Fertigmodulen aus Fernost möglich ist.

Theorie 1

Die Grundlagen der Klangqualität

Audiosignale werden natürlich durch das Speichermedium (Schallplatte, Kassette, CD), aber (insbesondere) durch jede Form der Signalverarbeitung beeinflusst. Wenn ein Audiosignal eine elektronische Schaltung durchläuft, enthält das Ausgangssignal dieser Schaltung nicht nur das gewünschte (veränderte) Signal, sondern auch eine Reihe unerwünschter und lästiger Nebeneffekte. Typischerweise sind dies Rauschen, Brummen, Knistern oder Verzerrungen, die im schlimmsten Fall nicht nur hörbar, sondern auch äußerst störend sind.

In allen Schaltungen, die für HiFi-Anwendungen vorgesehen sind, müssen diese potenziellen negativen Einflüsse auf die Klangqualität durch geeignete Schaltungsmaßnahmen so weit wie möglich minimiert werden. Das Prinzip dabei lautet: Jeder hörbare Einfluss auf den Klang ist bereits zu viel. Dieses Prinzip gilt auch für die in dieser Artikelserie beschriebenen Schaltungen. Zu beachten ist, dass bei Schaltungen mit sehr hoher Verstärkung – beispielsweise Mikrofonverstärkern – ein gewisses Maß an Rauschen unvermeidlich ist.

Um Rauschen, Brummen oder Verzerrungen möglichst effektiv zu bekämpfen, betrachten wir zunächst Ursprung, Bedeutung und Wirkung dieser Phänomene etwas genauer.
 

Rauschen

Rauschen als Störspannung

In technischen Unterlagen wird Rauschen stets als Signal-Rausch-Verhältnis angegeben. Damit ist jedoch nicht nur das Rauschen selbst gemeint, sondern alles, was am Ausgang als Störgröße erscheint, unabhängig vom Eingangssignal – auch wenn kein Eingangssignal vorhanden ist. Beispielsweise wird das Brummen bei der Bestimmung des Signal-Rausch-Verhältnisses ebenfalls berücksichtigt, obwohl das Brummen in der Regel gegenüber dem „eigentlichen“ Rauschen nur eine untergeordnete Rolle spielt.

Das Signal-Rausch-Verhältnis gibt an, wie viel schwächer die Störspannungen am Ausgang im Vergleich zum gewünschten Signal sind – also wie viel schwächer das Rauschen im Vergleich zur Musik ist. Dieser Faktor liegt in der Größenordnung einiger Tausend, wird aber in der Regel nicht so angegeben, sondern in der Schein-Einheit Dezibel (dB).

Was ist Rauschen?

Mathematisch betrachtet ist Rauschen eine Mischung aller denkbaren Frequenzen. Das Rauschsignal verläuft rein zufällig, es ist kein Muster oder keine Wiederholung zu erkennen. Doch nicht jedes Rauschen ist gleich.

Die „Farbe“ des Rauschens

Beim Rauschen unterscheiden wir zwischen „weißem“ und „rosa“ Rauschen. Beim weißen Rauschen ist der Rauschanteil in jedem gleich großen Frequenzbereich gleich. Wenn wir beispielsweise aus dem gesamten Rauschspektrum den Bereich von 10 Hz bis 20 Hz herausfiltern würden, hätte das Rauschsignal hier die gleiche Amplitude wie in einem Bereich von 110 Hz bis 120 Hz oder von 19990 Hz bis 20000 Hz.

Beim rosa Rauschen können wir das Spektrum in vergleichbarer Weise einteilen, verwenden jedoch eine logarithmische anstelle einer linearen Frequenzskala – entsprechend der Empfindlichkeit unseres Gehörs. Dann finden wir im Frequenzbereich von 10 Hz bis 20 Hz den gleichen Rauschanteil wie im Bereich von 100 Hz bis 200 Hz oder von 10000 Hz bis 20000 Hz. Rosa Rauschen klingt dadurch deutlich „dumpfer“ und „breiter“ als weißes Rauschen.

Das von elektronischen Schaltungen erzeugte Rauschen ist normalerweise weißes Rauschen. Dieses ist fast ausschließlich im Hochtonbereich hörbar, da der Rauschanteil im Bereich von 10 kHz bis 20 kHz genauso groß ist wie im gesamten übrigen hörbaren Frequenzbereich.

Wie entsteht Rauschen?

Wenn ein Leiter von Strom durchflossen wird, ist die daraus resultierende Bewegung der Elektronen niemals völlig gleichmäßig. Abhängig vom Material des Leiters treten minimale, zufällige Unregelmäßigkeiten auf, die sich besonders bei Halbleitern (aber auch bei Widerständen) bemerkbar machen.

Damit eine Schaltung möglichst wenig rauscht, verwenden wir nur rauscharmere Halbleiter und Metallfilmwiderstände. Außerdem darf die Schaltung um die Halbleiter herum keinen zu hohen Widerstandswert aufweisen (darauf kommen wir in einem späteren Teil zurück).

Eine weitere Ursache für störendes Rauschen liegt in der Speicherung von Audiosignalen auf Tonträgern – zum Beispiel den früher üblichen Kassetten oder Tonbändern. Einige winzige magnetische Partikel auf einem solchen Träger geraten beim Magnetisieren gelegentlich aus der Reihe, und abgesehen davon ist die magnetisierbare Schicht selbst auf dem besten Band niemals vollkommen gleichmäßig.

Bei digitalen Speichermedien (CD, DVD, Festplatten usw.) erhält das ursprünglich rein analoge Audiosignal durch die Digitalisierung eine leicht „stufige“ Form, was die Ursache für das sogenannte Quantisierungsrauschen ist. Bei WAV-Dateien mit nur 8 bit Auflösung ist das deutlich hörbar. Üblich ist jedoch eine Auflösung von 16 bit, sodass Quantisierungsrauschen dann nicht mehr ins Gewicht fällt, weil die „Stufen“ im Signal dann 256-mal kleiner sind. Wenn eine PC-Soundkarte rauscht, liegt das meist an einer anderen Ursache, etwa einem falschen Signalpegel am Mikrofoneingang.
 

Praxis 1

Die Stromversorgung

Bevor wir uns in den nächsten Teilen verschiedenen Eigenbauprojekten zuwenden, benötigen wir natürlich zunächst eine geeignete Stromversorgung. Da die Schaltungen meist mit Operationsverstärkern aufgebaut werden, ist eine symmetrische Spannungsversorgung erforderlich. Ein universell einsetzbares Netzteil mit stabilisierter Ausgangsspannung von ±15 V eignet sich dafür und kann je nach verwendetem Transformator einen Strom von 30 bis 300 mA liefern.

Qualitätsanforderungen

Wenn es um Schaltungen geht, die Audiosignale in HiFi-Qualität verarbeiten sollen, müssen wir von Anfang an eine sehr wichtige Anforderung an die Stromversorgung stellen – nämlich, dass sie eine möglichst brummfreie Ausgangsspannung liefert. Die hier eingesetzten Regler-ICs vom Typ 7815 und 7915 (bzw. eventuell die entsprechenden M- oder L-Versionen, wie 78M15) sind in dieser Hinsicht hervorragend. Die verbleibende Welligkeit der Ausgangsspannung beträgt höchstens wenige Millivolt. Als Welligkeit auf einem Musiksignal wäre das inakzeptabel hoch, hier handelt es sich jedoch um eine Störgröße auf der Versorgungsspannung, die nicht als solche am Ausgang erscheint.

Berücksichtigt man, dass ein Operationsverstärker Versorgungsspannungsstörungen sehr gut unterdrückt (das SVRR bzw. die Versorgungsspannungsunterdrückung liegt bei etwa 70 dB), bleibt von dieser Welligkeit auf der Versorgungsspannung kaum etwas übrig. Die Spannungsregler der 78- und 79-Familie bieten noch weitere Vorteile. Sie verfügen über eine eingebaute Strombegrenzung und einen thermischen Schutz, sodass sie als kurzschlussfest gelten können.

Universelles ±15-V-Netzteil

Das hier beschriebene Netzteil liefert eine stabilisierte Ausgangsspannung von ±15 V und eignet sich daher für alle in dieser Artikelserie beschriebenen Schaltungen (mit Ausnahme einiger Leistungsendstufen, die naturgemäß mehr Leistung benötigen). Mit einem 4,5-W-Transformator liefert dieses Netzteil bis zu 140 mA. Das reicht mehr als aus für „umfangreiche“ Schaltungen mit mehreren Vierfach-Operationsverstärkern und LEDs. Muss das Netzteil nur eine einzelne kleine Schaltung versorgen, kann ein kleinerer Transformator verwendet werden. Die Leiterplatte ist so ausgelegt, dass Transformatoren unterschiedlicher Größe eingesetzt werden können.

Die Schaltung

Der Transformator in Bild 1 wird über Sicherung F1 mit Netzspannung versorgt. Dieser Transformator liefert eine Sekundärspannung von etwa 2 × 15 V (unter geringer Last etwas mehr). Der Gleichrichter, bestehend aus D1...D4, erzeugt zusammen mit den Filterkondensatoren C5 und C6 eine Gleichspannung von etwa 2 × 20,5 V. Gegenüber Masse liegt an C5 eine positive Spannung von +20,5 V an und an C6 eine negative Spannung von –20,5 V. Die Kondensatoren C1...C4 helfen dabei, eventuell auftretende hochfrequente Störungen zu unterdrücken.

Falls Sie sich fragen, wie aus 15 V mehr als 20 V entstehen können, finden Sie die Antwort in Bild 2.

IC1 stabilisiert die positive Spannung über C6 auf +15 V. C7 und C9 helfen, die verbleibende Welligkeit zu minimieren. Entsprechend stabilisiert IC2 die negative Spannung auf –15 V, wobei C8 und C10 ebenfalls zur zusätzlichen Unterdrückung der Restwelligkeit beitragen. R1 begrenzt den Strom durch eine (optionale) LED-Anzeige.

Bild 3 zeigt die Bauteilanordnung auf der für diese Schaltung entworfenen Leiterplatte. Das Layout kann auf der Elektor-Labs-Projektseite heruntergeladen werden.

Leistungsaufnahme

Die Leiterplatte für dieses Netzteil ist so konzipiert, dass sie fast alle gängigen Printtrafos von 1 bis 10 W aufnehmen kann. Für einfache Schaltungen mit maximal fünf Operationsverstärkern reicht ein 1-W-Transformator aus; für größere Schaltungen wird eine 3-W-Version benötigt. Schaltungen mit LEDs können unter Umständen sogar mehr Leistung verbrauchen – zur Sicherheit sollte man etwa 0,4 W pro LED einkalkulieren.

Fragen oder Kommentare?

Haben Sie technische Fragen oder Kommentare zu diesem Artikel? Senden Sie bitte eine E-Mail an Elektor unter redaktion@elektor.de.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel (250845-01) erscheint in Elektor März/April 2026. Die Artikelserie „Audiotronics“ basiert auf dem Buch Audio-Elektronica von Robert Sontheimer, das 2006 in niederländischer Übersetzung bei Elektor erschienen ist.