LG007 – Generatore di rumore bianco

Molto spesso si legge su riviste del settore che per controllare impianti Hi-Fi si ricorre a generatori di rumore bianco, ma a volte li si usa pure per creare effetti speciali, conciliare il sonno, disturbare le comunicazioni o altro ancora.

Iniziamo a capire cosa è questo “rumore bianco”.

Secondo le teorie di Newton la luce bianca è composta da una serie di luci colorate che va dal rosso al violetto, infatti secondo la “teoria ondulatoria” più è alta la frequenza (quindi più è bassa la lunghezza d’ onda) minore è la rifrazione passando da una superficie trasparente a bassa densità (aria) e una a alta densità (vetro ) e viceversa e tutto questo genera una scomposizione in tutte le sue componenti cromatiche che vanno dal rosso al violetto.

La stessa similitudine è stata poi applicata alle frequenze audio, infatti tutte le frequenze da 0 a 100hz sono definite sub o superbasse, per passare alle frequenze basse (fino a 300hz) medie (da 300 a 3Khz) e alte (oltre i 3khz).

Il rumore bianco è quell’ insieme confuso di segnali di ampiezza costante che va da 20hz a 20Khz in modo casuale, tanto che dalle nostre orecchie viene percepito come un rumore di vento, come ottenere tutto questo?

Semplice, sfruttando certi fenomeni tipici dei componenti attivi.

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In passato (ai tempi delle valvole) i componenti attivi erano costituiti da un bulbo di vetro, con all’ interno un filamento riscaldatore, un catodo a forma di tubetto cilindrico riscaldato dal filamento, una griglia metallica e una placca o anodo che raccoglie gli elettroni.

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Variando la tensione applicata alla griglia, varia la quantità di elettroni che la attraversa che poi si dirigono verso l’ anodo.

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Gli elettroni attraversano il vuoto o il gas ionizzato (elio, argon o vapori di mercurio), spesso scontrandosi con le molecole di questi ultimi. Questo fenomeno produce un salto di orbitale degli elettroni dell’ atomo stesso (in viola) i quali sono sostituiti da quelli in arrivo dal catodo (in verde), allontanandosi dal loro orbitale (in lilla), questo fenomeno, genera una specie di onda d’ urto tra gli elettroni stessi che quando arrivano alla placca, non sono più ordinati come quando sono stati emessi dal catodo, ma hanno delle “ripercussioni” dovute all’ energia persa e ripresa saltando in modo irregolare da un atomo all’ altro.

elettrone

Questo genera un “rumore di fondo” detto anche NOISE FIGURE dell’ ordine dei uV che sono poi amplificati dagli stadi successivi insieme al segnale, questo fenomeno genera quel fruscio che viene udito in altoparlante.
Sfruttando il movimento casuale degli elettroni attraverso una giunzione di silicio i risultati sono stati superiori rispetto alle valvole.

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Con l’ avvento dei transistor e dei mosfet, dove al posto dei gas rarefatti si usano i semiconduttori, questi scontri, diventano molto più frequenti per due motivi fondamentali:

Primo per il fatto che lo spazio in cui tutto questo avviene è milioni di volta più piccolo che in una valvola termioinica.
Secondo perché gli elettroni non sono più costretti a attraversare il vuoto o l’ atmosfera rarefatta, ma un materiale solido con caratteristiche simili ai metalli.

Nella prima immagine si vede la struttura di un transistor (a sinistra) e di un mosfet (a destra), entrambi sono formati da materiale semiconduttore (atomi quadrivalenti come silicio e germanio) drogati con atomi di elementi pentavalenti (drogaggio N) come fosforo e arsenico o elementi trivalenti (drogaggio P) come alluminio o indio.

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Iniziamo a descrivere il transistor e il mosfet di tipo N (quelli in alto) il transistor è formato da un substrato debolmente drogato con elementi pentavalenti (n-) e costituisce il collettore, al suo interno è presente una zona debolmente drogata di polarità opposta, quindi con elementi trivalenti (p-) che costituisce la base, al’ interno di questa è presente una piccola zona fortemente drogata con elementi pentavalenti (n+) che costituisce l’ emettitore.
Il mosfet invece è costituito da un substrato debolmente drogato con elementi trivalenti (p-) nel quale sono inseriti due pozzetti fortemente drogati con elementi pentavalenti (n+) che costituiscono il drain e il source, polarizzando il gate, si crea un campo elettrico di polarità opposta rispetto al substrato (quindi n-) che permette il flusso di elettroni tra il source e il drain.
Stesso funzionamento anche per i semiconduttori di tipo P (o PNP) ma con polarità invertite.

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In questa immagine si vede il flusso di elettroni (in viola) attraverso i semiconduttori descritti prima, gli urti con altri elettroni presenti negli atomi dei semiconduttori, producono un’ emissione di tipo casuale generando il rumore di fondo, il tutto su un vasto spettro che va da pochi hz fino a qualche Ghz (solo per transistor specifici, nel caso di transistor per l’ audio, l’ emissione si ferma a qualche centinaio di Khz).

Schema elettrico:

Sfruttando questo principio ecco che ottenere un generatore di rumore bianco diventa abbastanza facile.
Per fare questo si inizia dalla giunzione base-emettitore di un transistor NPN
(Q1) attraverso la resistenza R1, l’ effetto generato giunge attraverso C2 all’ ingresso dell’ operazionale U1, che lo amplifica in tensione circa 90 volte.

Il rumore (che ha raggiunto l’ ampiezza di qualche decina di mV) dopo essere dosato attraverso R6 a seconda delle esigenze, è nuovamente amplificato per 33 volte dal secondo operazionale in grado di generare un rumore dall’ ampiezza di qualche centinaio di mV, più che sufficiente per pilotare qualsiasi amplificatore, mixer o scheda audio di PC.
Il circuito è alimentato a +12V ma funziona benissimo anche con pile da 9V, è impossibile per ora stabilire l’ ampiezza del segnale generato, perché proprio questa varia da transistor a transistor, infatti prendendo a caso una manciata di BC237 (anche della stessa ditta produttrice e dello stesso lotto) si nota come da un transistor all’ altro la NOISE FIGURE varia, anche di molto, naturalmente usando transistor a basso rumore come i BC109 e i BC239 si otterranno valori molto più bassi, solo che il rumore )di solito indesiderato e fastidioso) stavolta è proprio quello che si cerca.

NOTA: se l’ ampiezza del segnale risulta troppo bassa, aumentare il valore di R10 portandola dagli attuali 330KΩ a 470KΩ, 680KΩ fino a un massimo di1MΩ.

LG007

Elenco componenti LG007:

R1 = 220KΩ 0,25W C1 = 4,7uF 16V elettrolitico
R2 = 1KΩ 0,25W C2 = 100nF 25V ceramico
R3 = 470KΩ 0,25W C3 = 100nF 25V ceramico
R4 = 6,8KΩ 0,25W C4 = 100nF 25V ceramico
R5 = 220KΩ 0,25W C5 = 4,7uF 16V elettrolitico
R6 = 22KΩ trimmer C6 = 100nF 25V ceramico
R7 = 10KΩ 0,25W C7 = 22uF 16V elettrolitico
R8 = 10KΩ 0,25W C8 = 100uF 16V elettrolitico
R9 = 10KΩ 0,25W C9 = 10uF 16V elettrolitico
R10 = 330KΩ 0,25W Q1 = transistor NPN tipo BC237
R11 = 100KΩ 0,25W U1 = integrato tipo TL082
R12 = 150Ω 0,25W
R13 = 100Ω 0,25W

NOTA: se l’ ampiezza del segnale risulta troppo bassa, aumentare il valore di R10 portandola dagli attuali 330KΩ a 470KΩ, 680KΩ fino a un massimo di1MΩ.

Ecco la vista del circuito stampato serigrafato:

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Il montaggio si presenta abbastanza semplice su circuito stampato monofaccia, il consumo totale di corrente varia da circa 4mA (a vuoto) fino a un massimo di 40mA cortocircuitando l’ uscita, quindi per l’ alimentazione vanno bene pure le pile dei telecomandi.
I 3 fili necessari per alimentazione e uscita (oppure un cavetto schermato + un filo per i +12V) vanno saldati direttamente sullo stampato, senza morsettiere o altri connettori.

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