Basics - Bauteile - Einstellbare Widerstände

[AK]

Hier nun das erste Thema zu Bass-Schaltungen. Als Basics möchte ich erst mal die wichtigsten Bauteile erklären.
Enthalten sind Grundlagen und ein paar Tipps bei Identifikation, Auswahl und Fehlersuche.
Ich hoffe es ist nicht zu heftig und Anfänger fühlen sich nicht überfordert. Für die Profis ist es sicher leicht verständlich und dem einen oder anderen fehlt noch etwas mehr "Fleisch", aber es soll ja keine Darstellung von Ingenieur zu Ingenieur sein.
Gebt Feedback per PM ob Euch das zu heftig ist.
Wer das Ganze in zusammenhängender Form haben möchte, die pdf-Datei ist ca. 5MB groß und wenn gewünscht kann diese auch gepostet werden. Mit Rücksicht auf meinen begrenzten Webspace habe ich darauf erst mal verzichtet.
Viel Spass beim Lesen.....


A Einstellbare Widerstände - Teil 1

1. Bauformen
Einstellbare Widerstände gibt es in vielen verschiedenen Bauformen. Alle haben eines gemeinsam, der Widerstandswert kann in einem bestimmten Bereich eingestellt werden.

1.1 Schiebewiderstände
Kann der Widerstand mit einem Schieber verstellt werden redet man von Schiebewiderständen (Anwendung z.B. Fader in Mischpulten).

Beispiel für Schiebewiderstand

1.2 Trimmer
Eine weitere sehr verbreitete Form ist der Trimmer. Wie der Name schon indiziert, wird der Widerstandswert z.B. mit einem Schraubendreher auf einen Wert getrimmt (eingestellt). Trimmer kommen überall da vor, wo man einmalig einen bestimmten Wert einstellen muß, z.B. Abgleich von Arbeitspunkten in Verstärkern oder Effekten.
Auch hier unterscheidet man viele verschiedene Bauformen, nur ein paar seinen erwähnt.
Offene Trimmer sind heute nicht mehr oft im Einsatz, dafür zeigen sie deutlich die Funktionsweise des Bauteils, sind aber anfällig für Verschmutzung und unbeabsichtigte Verstellung. Meistens werden heute gekapselte Trimmer eingesetzt. Da diese Bauteile immer auf Leiterplatten eingesetzt werden, gibt es stehende und liegende Bauformen um einen Abgleich von oben oder von der Seite zu erlauben. Für besonders knifflige Abgleiche gibt es Spindeltrimmer. Hier ist der Einstellbereich nicht einfach nur eine 270 Grad-Drehung wie bei den meisten Trimmern, man benötigt z.B.10 komplette Umdrehungen um den gesamten Einstellbereich zu überstreichen. In professionellen Anwendungen werden Trimmer nach ihrem Abgleich mit einem speziellen Lack versiegelt um eine unbeabsichtigte Verstellung zu verhindern.

Verschiedene Trimmer
A Spindeltrimmer für feinsten Abgleich
B Liegender Trimmer gekapselt
C Stehender Trimmer gekapselt
D Groß-Trimmer gekapselt
E Trimmer offene Bauweise
F Groß-Trimmer offene Bauweise


1.3 Potentiometer
In Bässen werden hauptsächlich sogenannte Potentiometer eingesetzt, bei diesen kann der Widerstandswert mit einer Achse durch Drehen verstellt werden. Anwendungen sind an fast allen elektronischen Geräten zu finden.

Verschiedene Potentiometer:
A Poti mit Gußgehäuse und Kleinleiterplatte
B Doppelpoti mit Gußgehäuse und Kleinleiterplatte
C Hochlastpoti mit Drahtwendel
D Poti mit lötbarem Metallgehäuse
E Doppelpoti mit lötbarem Metallgehäuse und Kunststoffachse
F Poti mit lötbarem Metallgehäuse und Kunststoffachse
G Poti mit lötbarem Metallgehäuse und geriffelter Achse

Potis (Potentiometer) gibt es in verschiedenen Ausführungen. Neben einem einfachen Poti gibt es sogenannte Doppelpotentiometer (auch Stereopotentiometer) bei denen zwei Potis hintereinander gebaut sind und durch eine gemeinsame Achse gleichzeitig verstellt werden, gut zu sehen im Bild (Typ A und E). Für spezielle Anwendungen gibt es auch noch Ausführungen mit noch mehr Ebenen.

Zur Platzersparnis gibt es weitere spezielle Potibauformen. In Effekten oder Bässen eingesetzt werden oft Potis mit Doppelachsen. Auch hier sitzen zwei Potis hintereinander. Die Achse des einen Potis ist hohl und in ihr läuft die Achse des anderen Potis. Mit speziellen Knöpfen können beide Potis getrennt eingestellt werden.

Beispiel für Doppelachsenpotis im Boss Baß Prozessor SYB3
Zwei getrennte aufeinander sitzende Knöpfe erlauben getrenntes Einstellen.

Eine weitere Spezialausführung, vor allem in Bässen, sind doppelte Potis mit Zugmechanik. Das Prinzip ist wie beim Doppelachsenpoti, allerdings kann hier der Knopf durch ziehen oder drücken von einem auf das andere Poti umgeschaltet und somit separat geregelt werden.

Als letztes seien noch Potis mit zusätzlicher Schalterfunktion erwähnt. Bei diesen Bauteilen ist ein zusätzlicher Schalter integriert, der mit dem Poti allerdings nicht elektrisch verbunden ist sondern separat abgreifbar ist. Betätigt wird der Schalter durch Drehen des Potis über die Anfangs- oder Endmarke, oder durch Ziehen bezw. Drücken des Potiknopfes.

Es gibt noch ein paar weitere allerdings sehr spezielle Bauformen, die allerdings nicht Teil dieser Beschreibung sein sollen.



2. Funktionsweise

2.1 Grundprinzip
Die Funktionsweise von einstellbaren Widerständen ist bei jeder Bauform dieselbe.
Gewisse Unterschiede ergeben sich zwischen Draht- und Bahnwiderständen. Im ersten Fall liegt der eigentliche Widerstand in Form einer unisolierten Drahtwicklung vor auf welcher ein Schleifer den gewünschten Werte abgreift:

In den meisten Fällen liegt der Widerstand in Form von einer sogenannten Bahn vor. Diese ist oft aus Kohle, kann aber auch aus leitenden Kunststoffen sein. Auch hier kontaktiert der Schleifer die Bahn und nimmt den gewünschten Widerstandswert ab:

Im folgenden Bild kann man sich die Funktionsweise leicht herleiten. Zwischen den Anschlüssen 1 und drei liegt der Widerstand in Form der erwähnten Drahtwicklung oder Bahn. Dieser Wert bleibt immer konstant. Über den Schleiferanschluß 2 wird die Wicklung oder Bahn abgenommen. Dadurch ergeben sich zwischen den Anschlüssen 1-2 und 2-3 jeweils zwei Widerstandswerte die in Summe natürlich wieder den Widerstand der Wicklung oder Bahn ergeben also R = R1 + R2.

 

[AK]

A Einstellbare Widerstände - Teil 2

Ein paar Beispiele an einen geöffneten linearen 10kOhm Poti:

Schleifer Anschlag an 1:
R1=0 Ω
R2=10 kΩ

Schleifer in Mitte:
R1=5 kΩ
R2=5 kΩ

Schleifer Anschlag an 3:
R1=10 kΩ
R2=0 Ω

Eine Anmerkung zu der Angabe 0 Ohm: In der Regel wird der Wert 0 nicht erreicht, da durch die Übergangswiderstände des Schleifers ein gewisser Restwert bleibt. Das spielt für die Anwendung allerdings keine Rolle.

2.2 Widerstandsverlauf
Bei unserem Beispiel sieht man, daß bei der mittleren Poti-Stellung der Widerstand genau die Hälfte des Potiwertes beträgt. Wir haben es hier mit einem linearen Verlauf zu tun, d.h. der Widerstandswert nimmt bei gleichem Drehwinkel auch gleichmäßig zu.
Es gibt nun aber, angepaßt an die Anwendung, verschiedene Widerstandsverläufe. Neben dem linearen Verlauf ist besonders der logarithmische Verlauf verbreitet. In diesem Fall nimmt der Widerstand pro Winkeländerung zunächst sehr langsam zu, steigt aber gegen Ende des Drehbereiches stark an. Vor allem bei Lautstärkereglern ist dieser Verhalten erwünscht, da das menschlichen Ohr eine ähnliche Empfindlichkeitsverlauf besitzt.
Pro Drehwinkelgrad ergibt sich damit eine gleichmäßige Lautstärkezunahme.

Man sieht, das bei Mittelstellung das lineare Poti seinen halben Wert erreicht hat (5kOhm), während das logarithmische erst bei ca. 1,5kOhm steht.
Die Werte für R2 lassen sich leicht nachvollziehen durch die Formel
R = R1 + R2 ergibt sich:
R2 = R - R1 also R2 = 10kOhm - R1

Es gibt noch ein paar weitere exotische Widerstandverläufe, diese sind aber für Audio-Anwendungen uninteressant.


2.3 Bezeichnungen und Werte
Einstellbare Widerstände werden in der Regel wie auch Festwiderstände in bestimmten Werten geliefert. Das Ganze orientiert sich an einer europäischen Normenreihe (E6). Dabei werden bei Potis, Schiebewiderständen und Trimmer meist nur ein paar Werte aus dieser Reihe gebaut. Die Reihe hat im Original folgende Grundwerte: 1 - 1,5 - 2,2 - 3,3 - 4,7 - 6,8.
Folgende Werte sind erhältlich (wir gehen jetzt nicht auf die Exoten ein): 1 - 2,2 - 4,7, in vielen Fällen wird aus der 2,2 eine 2,5 oder eine 2,0, während die 4,7 oft auf 5,0 erhöht wird.
Der Widerstandsbereich reicht von ein paar Ohm bis in den Mega-Ohm Bereich, Werte unter 10 Ohm und über 5 MOhm sind eher speziell:

10 Ohm
20 Ohm (22 Ohm, 25 Ohm)
50 Ohm (47 Ohm)
100 Ohm
200 Ohm (220 Ohm, 250 Ohm)
500 Ohm (470 Ohm)
1 kOhm 1 kOhm = 1.000 Ohm
2 kOhm (2,2 kOhm, 2,5 kOhm)
5 kOhm (4,7 kOhm)
10 kOhm 10 kOhm = 10.000 Ohm
20 kOhm (22 kOhm, 25 kOhm)
50 kOhm (47 kOhm)
100 kOhm 100 kOhm = 100.000 Ohm
200 kOhm (220 kOhm, 250 kOhm)
500 kOhm (470 kOhm)
1 MOhm 1 MOhm = 1.000 kOhm = 1.000.000 Ohm
2 MOhm (2,2 MOhm, 2,5 MOhm)
5 MOhm (4,7 MOhm)

Bei einstellbaren Widerständen wird außer dem Wert auch das vorher beschriebene Regelverhalten (linear oder logarithmisch) angegeben.
Die folgende Bezeichnungen haben sich für diese Bauteile durchgesetzt.

Widerstandswert:
-Zahlenwert mit Einheit z.B. 250 Ohm, 1kΩ, (Ohm ausgeschrieben oder Zeichen)
-Zahlenwert ohne Einheit z.B. 100, 47k, 1M (ein Ohmzeichen ist nicht immer üblich)

Widerstandsverlauf:
-Abkürzung z.B 1k lin., 47kOhm log. (immer in Kombination mit Wider-standswerten)
-Kodierung z.B. 20k A, 1MOhm B (A=linear, B=logarithmisch)


Was wenn man nun beim besten Willen den Wert nicht mehr ablesen kann? In diesem Fall hilft nur ein Multimeter mit Widerstands-Messbereich.
Dazu den Schleifer des Potis in Mittelstellung bringen. Über dies äußeren Anschlüsse wird der Wert des Potis gemessen. Dabei darf man sich nicht von den Ergebnissen verwirren lassen. Die meisten Potis haben Toleranzen von 5% oder sogar 10%, was heißt bei einem 50kOhm Poti können schon mal Werte zwischen 45 und 55 Ohm gemessen werden - so genau kommt es im Übrigen auch nicht darauf an.
Das Regelverhalten kann man nun durch Messung gegen den Schleifer-Anschluss ermitteln.
Wir erinnern uns an unser Bild und messen den Widerstand zwischen den Anschlüssen
1 - 2 und 2 - 3. Sind beide Werte etwa gleich ist es ein lineares Poti. Sind die Werte deutlich unterschiedlich so etwa im Verhältnis 2 zu 8 handelt es sich um ein logarithmisches Poti.


2.4 Potis für Baß-Schaltungen
Beim Kauf von Potis für Baß-Schaltungen sollte man ein paar Dinge beachten.
Gehäuse: Die Potis sollten ein lötbares Metallgehäuse haben um eine optimale Abschirmung zu gewährleisten. Um die Einstreuung von Störsignalen zu verhindern wird die Masse (Ground) des Basses auf die einzelnen Poti-Gehäuse gelegt. Dazu sollte das Gehäuse entweder einen extra Abschirmungs-Anschluss haben (manche Potis haben einen vierten mit dem Gehäuse verbundenen Anschluß) oder es sollte sich löten lassen.
Achse: Die Achse sollte aus Metall sein. Kunststoffachsen brechen leicht ab, außerdem verformen sie sich beim Aufschrauben von Knöpfen. Ein weiterer Nachteil ist, daß beim Löten des Gehäuse die Achse leicht verschmoren kann.

Auf die restlichen Dinge wie Qualität der Widerstandsbahn, Mechanik des Schleifers usw. hat man weniger direkte Einflußmöglichkeiten. Es ist allerdings so, daß hochwertige Potis von namhaften Industrie-Herstellern eine sehr gute Qualität in allen Beziehungen bieten.
Diese Bauteile weisen bereits eine möglichst große Abreibfestigkeit der Widerstandsbahn und möglichst geringeres Drehrauschen auf (Drehrauschen ist eine Störspannung die beim Drehen des Schleifers entsteht). Preislich liegen diese Potis zwischen 2 und 5 Euro, spezielle Audio-Potis mit besonders optimiertem Aufbau und Verhalten können schon über 10 Euro kosten, sind aber eine Frage von Aufwand und Nutzen.

Unterschiede:
A schlecht, hat zwar lötbares Metalgehäuse ist aber durch die Kunststoffachse nicht zu empfehlen
B schlecht, hat Metallgehäuse ist aber nicht lötbar.
C und D gut, Metallachse und lötbares Gehäuse


2.5 Probleme und Störungen mit Potis
Kratzen, Krachen, Unterbrechungen.
Wir wissen inzwischen, das sich bei einem Poti der Schleifer auf einer Widerstandsbahn bewegt. Durch Verschmutzung können Widerstandsbahn (meistens Kohle) und Schleifer Kontaktprobleme erzeugen. Ablagerungen stören den Kontakt zwischen Bahn und Schleifer und führen dazu, daß beim Drehen des Potis nicht immer ein kontinuierlicher Kontakt gewährleistet ist. Das äussert sich durch Krachen und Knacken, im schlimmsten Fall bleibt das Signal ganz weg.
Eine einfache Abhilfe ist das Reinigen und Schmieren (Schmieren für ruckfreie Bewegung des Schleifers) des Potis.
Hier ein paar Grundregeln:
Da das Ganze für Potis in jedem Gerät, auch z.B. für Amps, gilt - immer den Netzstecker ziehen!!!!!!!!!
Die Schleifer-Öffnung des Potis muß zugänglich sein
Nur geeignete Kontaktsprays verwenden, keine Öle oder stark ätzende Mittel
Keine Überschwemmung verursachen d.h. sorgfältig dosieren

Beispiele für Schleifer-Öffnungen

Beispiel Kontaktspray mit Sprühröhrchen
Mein langjähriger Favorit Kontakt 61, gleichzeitig reinigend und schmierend

So wird mit dem Sprühröhrchen das Kontaktspray in das Poti befördert. Während dem Sprühvorgang das Poti drehen.

Es soll übrigens nicht der Eindruck entstehen, daß die Öffnung explizit zur Reinigung vorhanden sind - wir mißbrauchen sie nur dazu.


Richtiger Einbau/Verdrahtung von Potis
Vor allem bei Selbstbauschaltungen kann man durch falsches Verdrahten Fehler machen.
Schauen wird dem Poti "ins Gesicht", sprich auf den Regelknopf, steht der linke Anschlag immer für niedrige Einstellwerte, der rechte Anschlag für hohe Einstellwerte. Z.B. Lautstärke linker Anschlag Minimum, rechter Anschlag Maximum.
Das Poti ist nun so montiert das beim Drehen von links nach rechts die logarithmische Kennlinie durchfahren wird. Das setzt voraus, das die Anschlüsse des Potis entsprechend verdrahtet sind. Sind die beiden Anschlüsse 1 und 3 vertauscht, ändert sich das Benehmen des Potis komplett. Minimum und Maximum sind vertauscht, das Regelverhalten ist verdreht, wir haben nun in der ersten Hälfte des Regelweges große Änderungen und in der zweiten Hälfte nur geringe Änderungen - ein Verhalten das sich im wahrsten Sinne des Wortes sehr komisch anhört. Man spricht hier von negativ-logarithmischem Verhalten. An der Stelle möchte ich auch erwähnen, daß ich bisher der Einfachheit halber den Begriff positiv-logarithmisch unterschlagen habe.

Bei Lautstärkeregelungen in Baß-Schaltungen hier der einfache Tipp. Bei Ansicht auf die Potiachse (das erwähnte Gesicht des Potis), wird der linke Anschluss auf Masse gelegt, das führt immer dazu, daß der Schleifer bei Linksanschlag auf Masse liegt und somit auf Minimum.

Beispiel für Lautstärkeregler
Der linke Anschluß wird auf Masse gelegt, in diesem Fall wie empfohlen auf die das Potigehäuse.

Mehr zum Thema Verdrahtung folgt beim Thema Entwurf und Aufbau von Baß-Schaltungen