DerOnkel
HCA Elektronik Saiteninstrumente
Potentiometer-Grundlagen, Teil 1
(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist ebenfalls in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
Einleitung
Gitarristen sind keine Elektrotechniker! Leider müßte man eigentlich sagen, denn trotzdem werden sie durch ihr Instrument permanent mit der Elektrotechnik konfrontiert, wie es ja auch schon der Name "Elektrogitarre" andeutet. Nun ist längst nicht jeder Gitarrist gewillt, selber Modifikationen an der Schaltung seines Instrumentes vorzunehmen. Viele tun es jedoch und erleiden dann, in Unkenntnis der einfachsten elektrotechnischen Grundlagen, mit schöner Regelmäßigkeit Schiffbruch. Die große Anzahl von diesbezüglichen Fragen, die täglich in den verschiedenen Online-Foren zu lesen sind, spricht da eine deutliche Sprache.
Aber selbst wenn man "lieb" ist und nur musiziert, kommt irgendwann der gefürchtete Tag: Einer der Einsteller funktioniert nicht mehr richtig. Nun ist guter Rat teuer und es stellt sich die Frage: Machen lassen oder selber machen?
Grundsätzlich ist der Austausch oder die Wartung der Potentiometer in der Elektrogitarre relativ unproblematisch und auch von Laien zu bewerkstelligen. Auf ein paar Dinge sollte man jedoch trotzdem achten und das heißt für den Elektrogitarristen: Lernen!
Für denn, der das nicht will, ist die Konsequenz auch sehr einfach. Sie lautet: Bezahlen!
Mit diesem Artikel soll versucht werden, dem Elektrogitarristen das Thema Potentiometer ein wenig näher zu bringen. Kenntnisse über dieses wichtige elektromechanische Bauelement sind für sie von besonderem Interesse, denn man findet es nicht nur in fast jedem elektronischen Gerät, sondern eben auch in der Elektrogitarre in Form des Lautstärkeeinstellers und der Tonblende.
1. Was ist ein Potentiometer?
Bevor wir uns mit den Details des Potentiometers beschäftigen, muß zunächst geklärt werden, was ein Potentiometer überhaupt ist und da es sich dabei auch noch um ein elektronisches Bauelement handelt, kommen wir leider nicht umhin, auch kleine Ausflüge in die Physik und Elektrotechnik zu machen. Aber keine Angst, so dramatisch wird es nicht werden! Nur drei Schritte reichen aus, um zunächst den Begriff "Potentiometer" mit Leben zu erfüllen, ohne ein vierjähriges Studium zu absolvieren. Fangen wir also an
1.1 Ausgangspunkt elektrischer Widerstand
Die Elektrotechnik kennt eine Vielzahl von Bauelementen, die zusammen eine elektronische Schaltung bilden können. Eines der bekanntesten passiven Bauelemente ist der elektrische Widerstand (engl. Resistance), mit dem fast jeder Schüler im Physikunterricht irgendwann Bekanntschaft gemacht hat.
Bereits 1821 formulierte Georg Simon Ohm das "Ohmschen Gesetz", welches besagt, daß der elektrische Widerstand R eines Werkstoffes der Quotient aus elektrischer Spannung U und elektrischem Strom I ist. Als Einheit wird international das Ohm verwendet. Sein Einheitszeichen ist das große griechische Omega.
In elektrischen Schaltbildern benutzt man, nach deutscher Norm, für den Widerstand ein Rechteck, welches links und rechts über jeweils einen Anschluß verfügt. Allgemein gesprochen kann man den elektrischen Widerstand als eine Art "Bremse" für den elektrischen Strom auffassen. Seine Wirkungsweise läßt sich sehr anschaulich durch das sogenannte "Wasserrohrmodell" erklären:
Wenn man durch ein Rohr Wasser mit einem bestimmten Druck preßt, so fließt pro Zeiteinheit eine bestimmte Wassermenge. Erhöht man den Druck, so fließt mehr Wasser und umgekehrt. Verringert man hingegen den Durchmesser des Rohres, so fließt weniger Wasser.
In diesem Modell entspricht der Druck der elektrischen Spannung, die Wassermenge findet ihre Entsprechung im Strom und das Rohr selber, mit Länge und Durchmesser, steht für den Widerstand.
1.2 Anwendung Potentiometerschaltung (Spannungsteiler)
Es gibt Anwendungsfälle, in denen man eine elektrische Spannung um einen bestimmten konstanten Faktor verkleinern will. Zu diesem Zweck schaltet man einfach zwei Widerstände, hier als R1 und R2 bezeichnet, in Reihe. Die Eingangsspannung Ue wird über den beiden Widerständen angelegt und die (kleinere) Ausgangsspannung Ua wird über dem Widerstand R2 abgegriffen. Die entsprechende Schaltung zeigt das folgende Bild:
Abbildung 1-1: Prinzip des Spannungsteilers
Diese Art des Spannungsteilers wird auch als "Potentiometerschaltung" bezeichnet. Damit hätten wir also schon unseren ersten "Aha-Effekt":
Ein Potentiometer muß etwas mit einem Spannungsteiler zu tun haben!
Unserem Spannungsteiler fehlt jedoch noch eine wichtige Eigenschaft, denn die Werte der beiden Widerstände, und damit auch das Teilungsverhältnis, sind fest! Bei einem Potentiometer kann man jedoch an einer Achse drehen oder einen Knopf verschieben und damit eine Veränderung verursachen. Sehen wir also, wie es weitergeht...
1.3 Anwendung als einstellbarer Spannungsteiler
Manchmal möchte man auch das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers verändern können. Dann muß man mindestens einen, besser jedoch beide Widerstände in ihrem Wert manipulieren. In der Praxis macht man das so, daß der Widerstand mit einen dritten verschieblichen Anschluß versehen wird. Dieser als "Schleifer" bezeichnet Gleitkontakt teilt die Widerstandsbahn in zwei Teilwiderstände auf. Die Summe dieser beiden Widerstände entspricht dabei immer dem Wert des gesamten Widerstandes. Das nächste Bild verdeutlicht das Prinzip:
Abbildung 1-2: Prinzipieller Aufbau eines Potentiometers in Schichtbauweise
Steht der Schleifer in der Mitte, so sind die Teilwiderstände gleich groß. Steht der Schleifer auf einem Viertel der Bahnlänge, so hat ein Widerstand 25% des gesamten Widerstandes und der andere 75%. Durch den Schleifer auf der Widerstandsbahn ist also eine stetige Änderung des Widerstandsverhältnisses möglich. Somit wären wir bei unserem zweiten "Aha-Effekt", der zur folgenden Erkenntnis führt:
Ein Potentiometer ist ein aus zwei Widerständen bestehender, veränderlicher Spannungsteiler.
Durch seine Konstruktion besteht das Potentiometer also aus einer Reihenschaltung zweier veränderlicher Widerstände, die in der Summe einen stets konstanten Wert aufweisen.
Mit diesen Erkenntnissen ist klar geworden, was ein Potentiometer eigentlich ist. Nämlich ein einstellbarer Spannungsteiler. Aber dieses Bauelement kann noch mehr! Schließt man nur den Schleifer und einen der beiden Endanschlüsse an, so haben wir einen einstellbaren Widerstand. Somit kann man Potentiometer immer einsetzen wenn es darum geht, eine Spannung oder einen Widerstandswert kontinuierlich zu verändern.
2. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften eines Potentiometers werden in erster Linie durch seine Bauform bestimmt. Aber auch die Ausführung der eventuell vorhandenen Achsen muß beim Einsatz berücksichtig werden.
2.1 Bauformen
Je nach Anwendungsfall stellen die Hersteller Potentiometer in ganz unterschiedlichen Bauformen zur Verfügung. Für die Anwendung im Kleinsignalbereich gibt es eine Vielzahl von Schichtpotentiometern. Hier wird als Widerstandswerkstoff häufig eine leitende Kohleschicht auf einen Schichtträger aus Preßstoff oder Keramik aufgebracht. Wenn man größere Leistungen verändern will, stehen geeignete Drahtpotentiometer zur Verfügung.
Man kann bei Potis grob zwei Gruppen unterscheiden: Schiebepotentiometer und Drehpotentiometer.
Schiebepotentiometer (engl. Slider) sind den meisten Musikern aus Mischpulten oder Equalizern bekannt. Sie dienen dort als sogenannte "Fader". Aufgrund des geraden Verlaufes der Widerstandsbahn kann man leicht mehrere Fader mit einer Hand bedienen.
Bei Drehpotentiometern wird eine kreisförmige Widerstandsbahn verwendet. Der Schleifer ist an einer Achse befestigt und kann durch Drehen in seiner Position auf der Widerstandsbahn verändert werden.
Eine Sonderform sind die sogenannten "Trimmer". Es handelt sich dabei in der Regel um sehr kleine Drehpotentiometer, die mit Hilfe eines Schraubendrehers oder Abgleichstiftes eingestellt werden können. Präzisionstrimmer verfügen zusätzlich über ein Getriebe, um die Einstellgenauigkeit zu erhöhen.
Abbildung 2-1: Verschiedene Trimmer
Trimmer werden zum Abgleich einer Schaltung (z.B. Arbeitspunkt einer Röhrenendstufe) verwendet und sind daher von Außen selten zugänglich. In der Elektrogitarre findet man diese Potentiometer in der Regel nicht.
2.2 Die Achsen der Drehpotentiometer
In der Instrumententechnik, wie zum Beispiel bei der Elektrogitarre, haben sich Drehpotentiometer durchgesetzt. Wer schon einmal die Potiknöpfe an seinem Verstärker und der Gitarre entfernt hat, der weiß, daß es zwei verschiedene Achsenformen gibt: Die glatte Achse (engl. Solid Shaft) und die geriffelte Schlitzachse (engl. Split Shaft).
Abbildung 2-2: Potis mit glatter und geriffelter Schlitzachse
Dieser Unterschied hat natürlich Konsequenzen für die Potiknöpfe oder besser gesagt, für die Art ihrer Befestigung auf der Achse und so findet man auf einer normalen Elektrogitarre in der Regel Plastikknöpfe, die mit einer geriffelten Bohrung versehen sind. Sie werden einfach aufgesteckt und sitzen dann ohne Schlupf fest auf der Achse. Sollte der Knopf zu locker sein, kann man die Achse mit einem Schraubendreher leicht etwas auseinanderbiegen. Aber Vorsicht, wer es hier übertreibt, der bricht leicht die Achse entzwei!
Potentiometer mit einer glatten Achse benötigen spezielle Knöpfe, die mit Hilfe einer kleinen Madenschraube auf der Achse fixiert werden.
Abbildung 2-3: Potiknöpfe für eine glatte Achse
Unglücklicherweise lassen sich die klassischen Potiknöpfe für die Stratocaster oder die Les Paul nicht auf einer glatten Achse befestigen. Wer also Potentiometer mit glatter Achse oder gar einen Drehschalter in seine Gitarre einbauen, aber die Optik des Instrumentes nicht verändern will, steht dann vor einem schier unlösbaren Problem, denn die "normalen" Knöpfe findet man nur sehr selten mit einer Madenschraube!
Abbildung 2-4: Standard Potiknöpfe von Gibson und Fender
Man findet zwar Drehschalter mit Schlitzachse, aber hier ist die Achse häufig zu lang. Bei den Potis ist die Auswahl bezüglich des Widerstandes sehr eingeschränkt. Hier muß man also gegebenenfalls zähneknirschend einen Kompromiß eingehen.
Aber es geht noch weiter, denn die Achsen der verschiedenen Potentiometer unterscheiden sich auch in ihrem Durchmesser. Bei den Produkten amerikanischer Hersteller basieren die Werte natürlich auf dem Zoll (engl. Inch). CTS gibt für die glatten Achsen zum Beispiel einen Durchmesser von 1/4" (6.35mm) an. Bei den geriffelten Schlitzachsen sind es nur noch 0,236" oder 5,99mm bei 24 Zähnen.
Naja, das sind unter Freunden also 6mm und solche Werte findet man auch für glatte Achsen bei anderen Herstellern. Die Durchmesser von 6.35mm und 5,99mm für glatte oder geriffelte Schlitzachsen scheinen, zumindest für die Elektrogitarre, ein Art Standard zu sein.
Wer sich einen Dome Speed Knopf mit Madenschraubenbefestigung kauft, wird sich vielleicht wundern, warum der auf der Riffelachse so schlackert. Tja, da ist eben 0,3mm Luft! Abhilfe schafft dann nur eine kleine Hülse, die auf die Achse des Potis gesteckt wird und den Durchmesser etwas vergrößert. Anders herum ist es natürlich schon ärgerlicher, denn ein Knopf mit einer 6mm Bohrung paßt eben nicht auf eine 6,3mm Achse. Da hilft dann nur noch die Bohrmaschine! Fazit:
Es gibt Potentiometer mit glatter und geriffelter Achse, die unterschiedliche Knöpfe benötigen.
2.3 Groß oder Klein - Was soll's denn sein?
Gleichwohl die Elektroindustrie Potentiometer in einer Vielzahl von Formen und Größen anbietet, haben sich in der Gitarrenelektronik nur einige wenige Bauformen als Quasi-Standard etabliert.
Das sogenannte Standard-Poti hat einen Durchmesser von rund 2,4cm und eine gesamte Höhe von 3cm. Man findet diese Bauform in fast jeder Elektrogitarre.
Geht es etwas enger zu, wie zum Beispiel unter dem Schlagbrett einer Jazz-Gitarre, dann werden gerne Mini-Potis eingesetzt. Ihr Durchmesser beträgt nur 1,7cm bei einer Höhe von 2,8cm. Solche Potis werden auch in Kombination mit zusätzlichen Schaltern als Push-Pull- oder Push-Poti angeboten.
In einer Les Paul kann ein Standard-Poti häufig nicht verwendet werden, da die Achse für die dicke Ahorndecke zu kurz ist. Hier hilft dann das sogenannte Long Shaft Poti, welches es ebenfalls als Schalterkombination gibt.
Neben der mechanischen Größe eines Potis ist der Durchmesser des Schaftes eine weitere wichtige Größe. Da die Elektrogitarre ursprünglich aus den Vereinigten Staaten kommt, findet man hier häufig zöllige Maße. Bei amerikanischen Standard-Potis wird meistens ein Durchmesser von 3/8" (9.52mm) verwendet. Die Mini-Potis bescheiden sich dann mit nur 5/16" (7.94mm). Es gibt jedoch auch Standard-Potis mit dem Schaftdurchmesser eines Mini-Potis. Man findet sie häufig in Instrumenten aus asiatischer oder europäischer Produktion.
Abbildung 2-5: Standard-Poti, Mini-Poti und Long Shaft Poti
Es gibt jedoch auch Hersteller, die sich im international anerkannten metrischen Raum bewegen. Hier betragen die Durchmesser dann 10mm und 8mm. Klar, daß die zöllige Mutter eines amerikanischen Potis nicht wirklich auf das metrische Gewinde eines Potentiometers aus einem asiatischen Instrument paßt! Fazit:
Drehpotentiometer können ein zölliges oder ein metrisches Gewinde unterschiedlichen Durchmessers haben.
Bevor man also ein neues Poti als Ersatz kauft, sollte man sich die Abmessungen des alten Bauteils sehr genau ansehen!
2.4 Spezielle Potentiometer
Für besondere Anwendungen, wie zum Beispiel die Einstellung der Balance im HiFi-Verstärker oder die stufenlose Überblendung zwischen zwei Signalquellen, gibt es sogenannte Doppel- oder Tandempotentiometer. Hier sind zwei oder manchmal sogar mehrere Potentiometer, mit teilweise unterschiedlichen Kennwiderständen, an eine gemeinsame Achse gekoppelt.
Eine Spezialform für die Anwendung in der Klangeinstellung stellt das sogenannte TBX-Poti von Fender dar. Hier werden zwei Potis mit unterschiedlichen Kennwiderständen sowie unterschiedlichen Widerstandsbahnen verwendet. Äußerlich kann man das TBX-Poti allerdings nicht von einem normalen Tandem unterscheiden.
Wenn zwei Potis benötigt werden, aber wenig Platz zur Verfügung steht, kann man Doppelpotis mit konzentrischen Achsen einsetzen. Hier sind dann tatsächlich zwei unabhängige Potentiometer vorhanden, die übereinander (engl. stacked) montiert wurden und, mit Hilfe eines speziellen zweiteiligen Knopfes, auch unabhängig voneinander eingestellt werden können. Konzentrische Potentiometer findet man häufig in der Klangeinstellung von aktiven Elektrobässen. Sie gehören zu den selten nachgefragten Spezialbauteilen und sind entsprechend teuer.
Abbildung 2-6: Tandem-Poti und Concentric Pot mit Knöpfen
Neben den eben gezeigten Potentiometern gibt es auch noch besondere Bauformen, in denen ein oder mehrer Potentiometer mit Schaltern kombiniert werden. Am bekanntesten sind die sogenannten Druck- oder Zugpotentiometer. Sie haben einen Schalter, der durch Drücken (Push) oder Ziehen (Pull) betätigt wird. Es gibt sie in den Ausführungen "Push-Push" und "Push-Pull". Den ersteren wird allerdings nachgesagt, daß sie schneller verschleißen. Gängig sind ein- oder zweipolige Schalter mit der Schaltfolge ON/ON sodas sich auch eine Umschaltung realisieren läßt. In der Elektrogitarre werden solche Potentiometer häufig zum Splitten von Humbuckern eingesetzt.
Eine Sonderform stellt der sogenannte S1-Switch von Fender dar. Hier ist sogar ein vierpoliger ON/ON-Schalter verfügbar, der es ermöglicht, die vergleichsweise aufwändige Schaltung einer Stratocaster von Parallelschaltung auf Reihenschaltung umzustellen.
Abbildung 2-7: Verschiedene Push-Pull-Potentiometer und der S1-Switch (rechts)
Eine weitere Sonderform ist das sogenannte No-Load-Poti, welches ebenfalls von Fender stammt. Hier ist die Widerstandsbahn an einem Ende unterbrochen. Prinzipbedingt kann es nicht als Spannungsteiler eingesetzt werden, da es zwischen Schleifer und Ende nur einen einstellbaren Widerstand darstellt, der in der Endstellung einen unendlich großen Wert aufweist. Aus diesem Grund wird es in der Regel nur in der Tonblende einer Elektrogitarre verwendet und sorgt so in der Endstellung für etwas mehr "Höhen".
Potentiometer für die Gitarrenelektronik sind, aufgrund ihrer Achsen oder der zusätzlichen Schalter, Spezialbauteile, die es in der Regel nur im Musikfachhandel gibt. Das läßt man sich auch gerne bezahlen. Natürlich kann man Potentiometer auch bei vielen Elektronikversendern erwerben - meist sogar deutlich preiswerter, aber ob die dann aus mechanischer Sicht immer so passen...?
Im Zweifelsfall sollte man sich die mechanischen Daten des gewünschten Potis sehr genau ansehen. Bietet der Händler solche Infos nicht an, dann ist ein anderer Anbieter vielleicht die bessere Wahl.
2.5 Die Befestigung
Drehpotentiometer für die Elektrogitarre werden in der Regel mit zwei passenden Muttern (engl. Nut) und einem Federring (engl. Lock Washer) ausgeliefert. Die Montage erfolgt durch ein Loch mit geeignetem Durchmesser, welches sich in der Decke oder im Pickguard befindet.
Abbildung 2-8: Potentiometer im Pickguard montiert
Das Potentiometer wird so montiert, daß nur ein möglichst kurzer Teil des Schaftes aus der Oberfläche herausragt. Die Länge dieses Teils wird durch die Kontermutter eingestellt. Darüber befindet sich der Federring, der als Sicherung dient. Zieht man die Mutter auf der Oberfläche an, so wird dieser Ring "gespannt" und verhindert so, daß sich die Mutter unbeabsichtigt lösen kann.
In den meisten Fällen ist es sinnvoll, zwischen Oberfläche und Mutter noch eine dünne Scheibe zu legen, um ein Schaden durch die Drehbewegung der Mutter zu verhindern, denn insbesondere bei wertvollen Instrumenten ist ein auf diese Weise erzeugter Lackschaden mehr als ärgerlich!
Zur Montage reicht eigentlich eine Spitz- oder Kombizange, gleichwohl ein solches Werkzeug für diese Aufgabe nicht besonders gut geeignet ist. Zu leicht rutscht man mit der Zange ab oder fräst während der Drehbewegung Furchen in die Oberfläche. Besser ist ein geeigneter Steckschlüssel.
Abbildung 2-9: Steckschlüssel zur Poti-Montage
So ausgerüstet steht einer problemlosen Montage oder Demontage eines Potentiometers eigentlich nichts im Wege. Ach ja, wenn es sich um ein amerikanisches Poti handelt, dann sind die Muttern natürlich auch zöllig! Selbstverständlich ist dann auch ein entsprechender Steckschlüssel nötig. Hat man ihn nicht zur Verfügung, dann bleibt doch nur die Zange... und Vorsicht!
Ulf
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(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist ebenfalls in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
Einleitung
Gitarristen sind keine Elektrotechniker! Leider müßte man eigentlich sagen, denn trotzdem werden sie durch ihr Instrument permanent mit der Elektrotechnik konfrontiert, wie es ja auch schon der Name "Elektrogitarre" andeutet. Nun ist längst nicht jeder Gitarrist gewillt, selber Modifikationen an der Schaltung seines Instrumentes vorzunehmen. Viele tun es jedoch und erleiden dann, in Unkenntnis der einfachsten elektrotechnischen Grundlagen, mit schöner Regelmäßigkeit Schiffbruch. Die große Anzahl von diesbezüglichen Fragen, die täglich in den verschiedenen Online-Foren zu lesen sind, spricht da eine deutliche Sprache.
Aber selbst wenn man "lieb" ist und nur musiziert, kommt irgendwann der gefürchtete Tag: Einer der Einsteller funktioniert nicht mehr richtig. Nun ist guter Rat teuer und es stellt sich die Frage: Machen lassen oder selber machen?
Grundsätzlich ist der Austausch oder die Wartung der Potentiometer in der Elektrogitarre relativ unproblematisch und auch von Laien zu bewerkstelligen. Auf ein paar Dinge sollte man jedoch trotzdem achten und das heißt für den Elektrogitarristen: Lernen!
Für denn, der das nicht will, ist die Konsequenz auch sehr einfach. Sie lautet: Bezahlen!
Mit diesem Artikel soll versucht werden, dem Elektrogitarristen das Thema Potentiometer ein wenig näher zu bringen. Kenntnisse über dieses wichtige elektromechanische Bauelement sind für sie von besonderem Interesse, denn man findet es nicht nur in fast jedem elektronischen Gerät, sondern eben auch in der Elektrogitarre in Form des Lautstärkeeinstellers und der Tonblende.
1. Was ist ein Potentiometer?
Bevor wir uns mit den Details des Potentiometers beschäftigen, muß zunächst geklärt werden, was ein Potentiometer überhaupt ist und da es sich dabei auch noch um ein elektronisches Bauelement handelt, kommen wir leider nicht umhin, auch kleine Ausflüge in die Physik und Elektrotechnik zu machen. Aber keine Angst, so dramatisch wird es nicht werden! Nur drei Schritte reichen aus, um zunächst den Begriff "Potentiometer" mit Leben zu erfüllen, ohne ein vierjähriges Studium zu absolvieren. Fangen wir also an
1.1 Ausgangspunkt elektrischer Widerstand
Die Elektrotechnik kennt eine Vielzahl von Bauelementen, die zusammen eine elektronische Schaltung bilden können. Eines der bekanntesten passiven Bauelemente ist der elektrische Widerstand (engl. Resistance), mit dem fast jeder Schüler im Physikunterricht irgendwann Bekanntschaft gemacht hat.
Bereits 1821 formulierte Georg Simon Ohm das "Ohmschen Gesetz", welches besagt, daß der elektrische Widerstand R eines Werkstoffes der Quotient aus elektrischer Spannung U und elektrischem Strom I ist. Als Einheit wird international das Ohm verwendet. Sein Einheitszeichen ist das große griechische Omega.
In elektrischen Schaltbildern benutzt man, nach deutscher Norm, für den Widerstand ein Rechteck, welches links und rechts über jeweils einen Anschluß verfügt. Allgemein gesprochen kann man den elektrischen Widerstand als eine Art "Bremse" für den elektrischen Strom auffassen. Seine Wirkungsweise läßt sich sehr anschaulich durch das sogenannte "Wasserrohrmodell" erklären:
Wenn man durch ein Rohr Wasser mit einem bestimmten Druck preßt, so fließt pro Zeiteinheit eine bestimmte Wassermenge. Erhöht man den Druck, so fließt mehr Wasser und umgekehrt. Verringert man hingegen den Durchmesser des Rohres, so fließt weniger Wasser.
In diesem Modell entspricht der Druck der elektrischen Spannung, die Wassermenge findet ihre Entsprechung im Strom und das Rohr selber, mit Länge und Durchmesser, steht für den Widerstand.
1.2 Anwendung Potentiometerschaltung (Spannungsteiler)
Es gibt Anwendungsfälle, in denen man eine elektrische Spannung um einen bestimmten konstanten Faktor verkleinern will. Zu diesem Zweck schaltet man einfach zwei Widerstände, hier als R1 und R2 bezeichnet, in Reihe. Die Eingangsspannung Ue wird über den beiden Widerständen angelegt und die (kleinere) Ausgangsspannung Ua wird über dem Widerstand R2 abgegriffen. Die entsprechende Schaltung zeigt das folgende Bild:
Abbildung 1-1: Prinzip des Spannungsteilers
Diese Art des Spannungsteilers wird auch als "Potentiometerschaltung" bezeichnet. Damit hätten wir also schon unseren ersten "Aha-Effekt":
Ein Potentiometer muß etwas mit einem Spannungsteiler zu tun haben!
Unserem Spannungsteiler fehlt jedoch noch eine wichtige Eigenschaft, denn die Werte der beiden Widerstände, und damit auch das Teilungsverhältnis, sind fest! Bei einem Potentiometer kann man jedoch an einer Achse drehen oder einen Knopf verschieben und damit eine Veränderung verursachen. Sehen wir also, wie es weitergeht...
1.3 Anwendung als einstellbarer Spannungsteiler
Manchmal möchte man auch das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers verändern können. Dann muß man mindestens einen, besser jedoch beide Widerstände in ihrem Wert manipulieren. In der Praxis macht man das so, daß der Widerstand mit einen dritten verschieblichen Anschluß versehen wird. Dieser als "Schleifer" bezeichnet Gleitkontakt teilt die Widerstandsbahn in zwei Teilwiderstände auf. Die Summe dieser beiden Widerstände entspricht dabei immer dem Wert des gesamten Widerstandes. Das nächste Bild verdeutlicht das Prinzip:
Abbildung 1-2: Prinzipieller Aufbau eines Potentiometers in Schichtbauweise
Steht der Schleifer in der Mitte, so sind die Teilwiderstände gleich groß. Steht der Schleifer auf einem Viertel der Bahnlänge, so hat ein Widerstand 25% des gesamten Widerstandes und der andere 75%. Durch den Schleifer auf der Widerstandsbahn ist also eine stetige Änderung des Widerstandsverhältnisses möglich. Somit wären wir bei unserem zweiten "Aha-Effekt", der zur folgenden Erkenntnis führt:
Ein Potentiometer ist ein aus zwei Widerständen bestehender, veränderlicher Spannungsteiler.
Durch seine Konstruktion besteht das Potentiometer also aus einer Reihenschaltung zweier veränderlicher Widerstände, die in der Summe einen stets konstanten Wert aufweisen.
Mit diesen Erkenntnissen ist klar geworden, was ein Potentiometer eigentlich ist. Nämlich ein einstellbarer Spannungsteiler. Aber dieses Bauelement kann noch mehr! Schließt man nur den Schleifer und einen der beiden Endanschlüsse an, so haben wir einen einstellbaren Widerstand. Somit kann man Potentiometer immer einsetzen wenn es darum geht, eine Spannung oder einen Widerstandswert kontinuierlich zu verändern.
2. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften eines Potentiometers werden in erster Linie durch seine Bauform bestimmt. Aber auch die Ausführung der eventuell vorhandenen Achsen muß beim Einsatz berücksichtig werden.
2.1 Bauformen
Je nach Anwendungsfall stellen die Hersteller Potentiometer in ganz unterschiedlichen Bauformen zur Verfügung. Für die Anwendung im Kleinsignalbereich gibt es eine Vielzahl von Schichtpotentiometern. Hier wird als Widerstandswerkstoff häufig eine leitende Kohleschicht auf einen Schichtträger aus Preßstoff oder Keramik aufgebracht. Wenn man größere Leistungen verändern will, stehen geeignete Drahtpotentiometer zur Verfügung.
Man kann bei Potis grob zwei Gruppen unterscheiden: Schiebepotentiometer und Drehpotentiometer.
Schiebepotentiometer (engl. Slider) sind den meisten Musikern aus Mischpulten oder Equalizern bekannt. Sie dienen dort als sogenannte "Fader". Aufgrund des geraden Verlaufes der Widerstandsbahn kann man leicht mehrere Fader mit einer Hand bedienen.
Bei Drehpotentiometern wird eine kreisförmige Widerstandsbahn verwendet. Der Schleifer ist an einer Achse befestigt und kann durch Drehen in seiner Position auf der Widerstandsbahn verändert werden.
Eine Sonderform sind die sogenannten "Trimmer". Es handelt sich dabei in der Regel um sehr kleine Drehpotentiometer, die mit Hilfe eines Schraubendrehers oder Abgleichstiftes eingestellt werden können. Präzisionstrimmer verfügen zusätzlich über ein Getriebe, um die Einstellgenauigkeit zu erhöhen.
Abbildung 2-1: Verschiedene Trimmer
Trimmer werden zum Abgleich einer Schaltung (z.B. Arbeitspunkt einer Röhrenendstufe) verwendet und sind daher von Außen selten zugänglich. In der Elektrogitarre findet man diese Potentiometer in der Regel nicht.
2.2 Die Achsen der Drehpotentiometer
In der Instrumententechnik, wie zum Beispiel bei der Elektrogitarre, haben sich Drehpotentiometer durchgesetzt. Wer schon einmal die Potiknöpfe an seinem Verstärker und der Gitarre entfernt hat, der weiß, daß es zwei verschiedene Achsenformen gibt: Die glatte Achse (engl. Solid Shaft) und die geriffelte Schlitzachse (engl. Split Shaft).
Abbildung 2-2: Potis mit glatter und geriffelter Schlitzachse
Dieser Unterschied hat natürlich Konsequenzen für die Potiknöpfe oder besser gesagt, für die Art ihrer Befestigung auf der Achse und so findet man auf einer normalen Elektrogitarre in der Regel Plastikknöpfe, die mit einer geriffelten Bohrung versehen sind. Sie werden einfach aufgesteckt und sitzen dann ohne Schlupf fest auf der Achse. Sollte der Knopf zu locker sein, kann man die Achse mit einem Schraubendreher leicht etwas auseinanderbiegen. Aber Vorsicht, wer es hier übertreibt, der bricht leicht die Achse entzwei!
Potentiometer mit einer glatten Achse benötigen spezielle Knöpfe, die mit Hilfe einer kleinen Madenschraube auf der Achse fixiert werden.
Abbildung 2-3: Potiknöpfe für eine glatte Achse
Unglücklicherweise lassen sich die klassischen Potiknöpfe für die Stratocaster oder die Les Paul nicht auf einer glatten Achse befestigen. Wer also Potentiometer mit glatter Achse oder gar einen Drehschalter in seine Gitarre einbauen, aber die Optik des Instrumentes nicht verändern will, steht dann vor einem schier unlösbaren Problem, denn die "normalen" Knöpfe findet man nur sehr selten mit einer Madenschraube!
Abbildung 2-4: Standard Potiknöpfe von Gibson und Fender
Man findet zwar Drehschalter mit Schlitzachse, aber hier ist die Achse häufig zu lang. Bei den Potis ist die Auswahl bezüglich des Widerstandes sehr eingeschränkt. Hier muß man also gegebenenfalls zähneknirschend einen Kompromiß eingehen.
Aber es geht noch weiter, denn die Achsen der verschiedenen Potentiometer unterscheiden sich auch in ihrem Durchmesser. Bei den Produkten amerikanischer Hersteller basieren die Werte natürlich auf dem Zoll (engl. Inch). CTS gibt für die glatten Achsen zum Beispiel einen Durchmesser von 1/4" (6.35mm) an. Bei den geriffelten Schlitzachsen sind es nur noch 0,236" oder 5,99mm bei 24 Zähnen.
Naja, das sind unter Freunden also 6mm und solche Werte findet man auch für glatte Achsen bei anderen Herstellern. Die Durchmesser von 6.35mm und 5,99mm für glatte oder geriffelte Schlitzachsen scheinen, zumindest für die Elektrogitarre, ein Art Standard zu sein.
Wer sich einen Dome Speed Knopf mit Madenschraubenbefestigung kauft, wird sich vielleicht wundern, warum der auf der Riffelachse so schlackert. Tja, da ist eben 0,3mm Luft! Abhilfe schafft dann nur eine kleine Hülse, die auf die Achse des Potis gesteckt wird und den Durchmesser etwas vergrößert. Anders herum ist es natürlich schon ärgerlicher, denn ein Knopf mit einer 6mm Bohrung paßt eben nicht auf eine 6,3mm Achse. Da hilft dann nur noch die Bohrmaschine! Fazit:
Es gibt Potentiometer mit glatter und geriffelter Achse, die unterschiedliche Knöpfe benötigen.
2.3 Groß oder Klein - Was soll's denn sein?
Gleichwohl die Elektroindustrie Potentiometer in einer Vielzahl von Formen und Größen anbietet, haben sich in der Gitarrenelektronik nur einige wenige Bauformen als Quasi-Standard etabliert.
Das sogenannte Standard-Poti hat einen Durchmesser von rund 2,4cm und eine gesamte Höhe von 3cm. Man findet diese Bauform in fast jeder Elektrogitarre.
Geht es etwas enger zu, wie zum Beispiel unter dem Schlagbrett einer Jazz-Gitarre, dann werden gerne Mini-Potis eingesetzt. Ihr Durchmesser beträgt nur 1,7cm bei einer Höhe von 2,8cm. Solche Potis werden auch in Kombination mit zusätzlichen Schaltern als Push-Pull- oder Push-Poti angeboten.
In einer Les Paul kann ein Standard-Poti häufig nicht verwendet werden, da die Achse für die dicke Ahorndecke zu kurz ist. Hier hilft dann das sogenannte Long Shaft Poti, welches es ebenfalls als Schalterkombination gibt.
Neben der mechanischen Größe eines Potis ist der Durchmesser des Schaftes eine weitere wichtige Größe. Da die Elektrogitarre ursprünglich aus den Vereinigten Staaten kommt, findet man hier häufig zöllige Maße. Bei amerikanischen Standard-Potis wird meistens ein Durchmesser von 3/8" (9.52mm) verwendet. Die Mini-Potis bescheiden sich dann mit nur 5/16" (7.94mm). Es gibt jedoch auch Standard-Potis mit dem Schaftdurchmesser eines Mini-Potis. Man findet sie häufig in Instrumenten aus asiatischer oder europäischer Produktion.
Abbildung 2-5: Standard-Poti, Mini-Poti und Long Shaft Poti
Es gibt jedoch auch Hersteller, die sich im international anerkannten metrischen Raum bewegen. Hier betragen die Durchmesser dann 10mm und 8mm. Klar, daß die zöllige Mutter eines amerikanischen Potis nicht wirklich auf das metrische Gewinde eines Potentiometers aus einem asiatischen Instrument paßt! Fazit:
Drehpotentiometer können ein zölliges oder ein metrisches Gewinde unterschiedlichen Durchmessers haben.
Bevor man also ein neues Poti als Ersatz kauft, sollte man sich die Abmessungen des alten Bauteils sehr genau ansehen!
2.4 Spezielle Potentiometer
Für besondere Anwendungen, wie zum Beispiel die Einstellung der Balance im HiFi-Verstärker oder die stufenlose Überblendung zwischen zwei Signalquellen, gibt es sogenannte Doppel- oder Tandempotentiometer. Hier sind zwei oder manchmal sogar mehrere Potentiometer, mit teilweise unterschiedlichen Kennwiderständen, an eine gemeinsame Achse gekoppelt.
Eine Spezialform für die Anwendung in der Klangeinstellung stellt das sogenannte TBX-Poti von Fender dar. Hier werden zwei Potis mit unterschiedlichen Kennwiderständen sowie unterschiedlichen Widerstandsbahnen verwendet. Äußerlich kann man das TBX-Poti allerdings nicht von einem normalen Tandem unterscheiden.
Wenn zwei Potis benötigt werden, aber wenig Platz zur Verfügung steht, kann man Doppelpotis mit konzentrischen Achsen einsetzen. Hier sind dann tatsächlich zwei unabhängige Potentiometer vorhanden, die übereinander (engl. stacked) montiert wurden und, mit Hilfe eines speziellen zweiteiligen Knopfes, auch unabhängig voneinander eingestellt werden können. Konzentrische Potentiometer findet man häufig in der Klangeinstellung von aktiven Elektrobässen. Sie gehören zu den selten nachgefragten Spezialbauteilen und sind entsprechend teuer.
Abbildung 2-6: Tandem-Poti und Concentric Pot mit Knöpfen
Neben den eben gezeigten Potentiometern gibt es auch noch besondere Bauformen, in denen ein oder mehrer Potentiometer mit Schaltern kombiniert werden. Am bekanntesten sind die sogenannten Druck- oder Zugpotentiometer. Sie haben einen Schalter, der durch Drücken (Push) oder Ziehen (Pull) betätigt wird. Es gibt sie in den Ausführungen "Push-Push" und "Push-Pull". Den ersteren wird allerdings nachgesagt, daß sie schneller verschleißen. Gängig sind ein- oder zweipolige Schalter mit der Schaltfolge ON/ON sodas sich auch eine Umschaltung realisieren läßt. In der Elektrogitarre werden solche Potentiometer häufig zum Splitten von Humbuckern eingesetzt.
Eine Sonderform stellt der sogenannte S1-Switch von Fender dar. Hier ist sogar ein vierpoliger ON/ON-Schalter verfügbar, der es ermöglicht, die vergleichsweise aufwändige Schaltung einer Stratocaster von Parallelschaltung auf Reihenschaltung umzustellen.
Abbildung 2-7: Verschiedene Push-Pull-Potentiometer und der S1-Switch (rechts)
Eine weitere Sonderform ist das sogenannte No-Load-Poti, welches ebenfalls von Fender stammt. Hier ist die Widerstandsbahn an einem Ende unterbrochen. Prinzipbedingt kann es nicht als Spannungsteiler eingesetzt werden, da es zwischen Schleifer und Ende nur einen einstellbaren Widerstand darstellt, der in der Endstellung einen unendlich großen Wert aufweist. Aus diesem Grund wird es in der Regel nur in der Tonblende einer Elektrogitarre verwendet und sorgt so in der Endstellung für etwas mehr "Höhen".
Potentiometer für die Gitarrenelektronik sind, aufgrund ihrer Achsen oder der zusätzlichen Schalter, Spezialbauteile, die es in der Regel nur im Musikfachhandel gibt. Das läßt man sich auch gerne bezahlen. Natürlich kann man Potentiometer auch bei vielen Elektronikversendern erwerben - meist sogar deutlich preiswerter, aber ob die dann aus mechanischer Sicht immer so passen...?
Im Zweifelsfall sollte man sich die mechanischen Daten des gewünschten Potis sehr genau ansehen. Bietet der Händler solche Infos nicht an, dann ist ein anderer Anbieter vielleicht die bessere Wahl.
2.5 Die Befestigung
Drehpotentiometer für die Elektrogitarre werden in der Regel mit zwei passenden Muttern (engl. Nut) und einem Federring (engl. Lock Washer) ausgeliefert. Die Montage erfolgt durch ein Loch mit geeignetem Durchmesser, welches sich in der Decke oder im Pickguard befindet.
Abbildung 2-8: Potentiometer im Pickguard montiert
Das Potentiometer wird so montiert, daß nur ein möglichst kurzer Teil des Schaftes aus der Oberfläche herausragt. Die Länge dieses Teils wird durch die Kontermutter eingestellt. Darüber befindet sich der Federring, der als Sicherung dient. Zieht man die Mutter auf der Oberfläche an, so wird dieser Ring "gespannt" und verhindert so, daß sich die Mutter unbeabsichtigt lösen kann.
In den meisten Fällen ist es sinnvoll, zwischen Oberfläche und Mutter noch eine dünne Scheibe zu legen, um ein Schaden durch die Drehbewegung der Mutter zu verhindern, denn insbesondere bei wertvollen Instrumenten ist ein auf diese Weise erzeugter Lackschaden mehr als ärgerlich!
Zur Montage reicht eigentlich eine Spitz- oder Kombizange, gleichwohl ein solches Werkzeug für diese Aufgabe nicht besonders gut geeignet ist. Zu leicht rutscht man mit der Zange ab oder fräst während der Drehbewegung Furchen in die Oberfläche. Besser ist ein geeigneter Steckschlüssel.
Abbildung 2-9: Steckschlüssel zur Poti-Montage
So ausgerüstet steht einer problemlosen Montage oder Demontage eines Potentiometers eigentlich nichts im Wege. Ach ja, wenn es sich um ein amerikanisches Poti handelt, dann sind die Muttern natürlich auch zöllig! Selbstverständlich ist dann auch ein entsprechender Steckschlüssel nötig. Hat man ihn nicht zur Verfügung, dann bleibt doch nur die Zange... und Vorsicht!
Ulf
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: Es hat sich erstmal überhaupt nix getan, und erst auf dem letzten Fitzelchen Widerstandsbahn ging es dann fast sprungartig mit Kavalierstart los.
