DerOnkel
HCA Elektronik Saiteninstrumente
Der Impedanzwandler im praktischen Einsatz
(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist ebenfalls in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
Einleitung
Wer sich mit dem Thema Gitarrenelektronik beschäftigt, der wird früher oder später auch mit dem Impedanzwandler konfrontiert werden. Daß diese aktive Baugruppe von vielen Gitarristen abgelehnt oder zumindest skeptisch beurteilt wird, liegt eindeutig an dem weit verbreiteten Vorurteil, daß Transistoren ja angeblich schlecht "klingen" würden. Sieht man sich einmal die Reviews zu den Impedanzwandlern der SB-1-Serie an, wird deutlich, daß das nicht so sein muß!
Bei den Guitar-Letters wurde der Impedanzwandler schon in den Artikeln "Impedanzwandler für die Elektrogitarre" und "Der Einsatz eines Impedanzwandlers in der Elektrogitarre" behandelt. In diesem weiteren Artikel soll es nun um die konkrete Auswirkung des Impedanzwandlers im praktischen Einsatz gehen. Wie wirkt sich der Impedanzwandler aus, wie verändert sich das Übertragungsverhalten und die Einstellbarkeit der Bedienelemente? Das sind die Fragen, die im weiteren Verlauf am Beispiel einer Stratocaster dargestellt werden sollen.
Aber wie kann man die praktischen Auswirkungen einer elektronischen Schaltung im schriftlicher Form darlegen? Antwort: Man macht es theopraktisch! Das Hilfsmittel dazu lautet: Simulation. Im Laufe der letzten Jahre habe ich einen wohl einmaligen Simulator entwickelt, der unter anderem das Übertragungsverhalten der verschiedenen Gitarrenelektroniken darstellen kann. Aus der Praxis weiß ich, daß die Ergebnisse einer solchen Simulation sich mit den praktischen Höreindrücken decken. Also kommt dieser Simulator, er heißt übrigens GiSi, auch in diesem Fall zum Einsatz.
Abbildung 1: Ein Blick auf GiSi
Wer simuliert, der muß auch sagen unter welchen Bedingungen die Simulation stattgefunden hat. Also, welche Schaltung und welche elektrischen Daten sind das mindeste. Besser noch wäre auch eine Aussage über das verwendete elektrische Modell der Schaltung. Also geht es zunächst um die Definition der Simulationen und anschließend um die einzelnen Simulationen und deren Ergebnisse. Los geht es...
1. Futter für den Simulanten
Simulationen für elektronische Schaltungen gibt es eine ganze Menge. Die wohl bekannteste ist Spice, die für diesen Fall - zumindest zum Teil - auch angewendet werden könnte. Aber egal, welchen Simulator man verwendet, muß zunächst geklärt werden, welche Schaltung oder welches Modell es zu simulieren gilt und welche Parameter zu simulieren sind.
1.1 Die Simulationsmodelle
Sehen wir uns zunächst die elektrische Ersatzschaltung der zu simulierenden Gitarrenelektronik an:
Abbildung 2: Die Standardbeschaltung eines Tonabnehmers mit Tonblende, Volume und externer Belastung
In der Ersatzschaltung wird der magnetischen Tonabnehmer durch die Spannungsquelle U0, die Spuleninduktivität Ls, den Gleichstromwiderstand Rs und die Wicklungskapazität Cs modelliert. Diese Bestandteile wurden, der besseren Übersichtlichkeit halber, in Blau dargestellt.
Die Tonblende (engl. Tone) wird durch die Bauelemente PT, RT und CT repräsentiert, wobei RT in den meisten Schaltungen einen Wert von 0 hat und darum weggelassen wird. Die Lautstärkeeinstellung (engl. Volume) besteht aus dem als Spannungsteiler geschalteten Potentiometer PV. Beide Schaltungsteile wurden in Grün dargestellt.
Die externe Belastung wird durch die Kabelkapazität CK, den Eingangswiderstand des Verstärkers Rin und seiner Eingangskapazität Cin gebildet.
Mit dieser passiven Ersatzschaltung läßt sich das elektrische Übertragungsverhalten fast jede Elektrogitarre beschreiben. Das Übertragungsverhalten selber ist der Quotient aus den Spannungen Uout und U0. Aus ihm wird durch Betragsbildung der sogenannte Amplitudengang erzeugt, der dann in doppeltlogarithmischer Form grafisch dargestellt wird.
Als Grundlage für alle folgenden Simulationen soll der Stratocastertonabnehmer dienen, dessen Werte Helmuth Lemme bereits 1977 veröffentlichte: Ls=2.2H, Cs=110pF, Rs=5.7kOhm.
Dazu kommen die für die Strat typischen Werte für Potentiometer und Tone-Kondensator: PT=250kOhm, CT=22nF, RT=0Ohm, PV=250kOhm. Die Charakteristik der Potentiometer ist logarithmisch mit einer üblichen Progression von 20%. Weitere Informationen zur Charakteristik von Potentiometern sind im Artikel "Potentiometer-Grundlagen" nachzulesen.
Als externe Belastung werden 6m Instrumentenkabel vom Typ "Sommer The Spirit" verwendet. Die Kapazität beträgt dann 468nF. Für die Simulation wird CK=470pF gesetzt.
Für den Verstärkereingang gilt: Rin=1MOhm, Cin=0pF
Als Impedanzwandler kommt ein "I-Pot" aus der SB-2P-Serie zum Einsatz. Er enthält, neben dem eigentlichen Impedanzwandler, eine Kapazität CL=470pF zur Kabelemulation sowie ein niederohmiges Potentiometer PVI=20kOhm als Lautstärkeeinsteller. Der Eingangswiderstand beträgt RIin=1MOhm.
Abbildung 3: Impedanzwandler aus der SB-2P-Serie ("I-Pot")
Für den theopraktischen Einsatz des Impedanzwandlers wird die passive Ersatzschaltung zwischen Tonblende und Lautstärkeeinstellung in Gedanken aufgetrennt und die Ersatzschaltung des Impedanzwandlers dort eingefügt. Sie besteht aus der Kapazität CL, dem Eingangswiderstand RIin und einer gesteuerten idealen Spannungsquelle v·UA. Da bei einem Impedanzwandler die Spannungsverstärkung v=1 beträgt, liegt am Ausgang des Impedanzwandlers ebenfalls die Spannung UA an. Bis auf den Lautstärkeeinsteller werden die Bestandteile des Impedanzwandlers in Rot dargestellt.
Abbildung 4: Die Standardbeschaltung eines Tonabnehmers durch Impedanzwandler (rot) erweitert
In der Praxis ersetzt das "I-Pot" einfach das Volume-Poti als Baugruppe. Einfacher geht es kaum!
Vergleicht man Abbildung 3 und 4, dann ist festzustellen, daß durch den Einsatz des Impedanzwandlers der Lautstärkeeinsteller PV dem Tonabnehmer als Belastung fehlt. An dieser Stelle sind beide Schaltungen also nicht ganz identisch. In der Folge kann man erwarten, daß die Ausprägung der Resonanzfrequenz, also die Güte der Schaltung, für den Betrieb mit Impedanzwandler etwas größer sein wird.
1.2 Simulationen
Nachdem geklärt wurde, welche Modelle Grundlage der Simulationen sein sollen und welche Werte die einzelnen Bauteile haben, geht es jetzt darum festzulegen, was eigentlich simuliert werden soll. Da es uns darum geht, Unterschiede darzustellen muß grundsätzlich jede Simulation für beide Schaltungsvarianten durchgeführt werden.
Die Existenz zweier kontinuierlicher Einsteller (Volume und Tone) ergibt natürlich eine unendliche Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten. Wir beschränken uns daher auf den klassischen Fall "Alles auf", den die meisten Musiker verwenden.
Bezüglich der Einsteller sind immer wieder Diskussionen zum Thema "Logarithmisch oder Linear"? zu finden. Also müssen wir uns auch die Einstellbarkeit vom Lautstärkeeinstellung und Tonblende, also deren Linearität, ansehen.
Unter dem Strich sind für die beiden Schaltungsvarianten je drei Simulationen notwendig, deren Ergebnisse dann gegenübergestellt werden:
2. Simulation 1: "Alles auf"
"Alles auf" heißt nichts anderes, als das der Drehwinkel von Volume und Tone 100% beträgt. Die Elektrogitarre kann also ihre maximale Spannung und maximale "Höhen" liefern. Viele Gitarristen nutzen diesen Betriebsmodus ausschließlich, weil alle anderen Einstellungen den Klang "schlecht" machen; so kann man es zumindest häufig hören oder lesen. Der Lautstärkeeinsteller dient dann allenfalls als Ausschalter für Spielpausen.
Für diesen Betriebsmodus lassen sich insgesamt drei Simulationen machen, denn die Kabelemulation des SB-2 läßt sich per Jumper abschalten. Hier sind die drei Amplitudengänge:
Abbildung 5: Die drei Amplitudengänge für den Fall "Alles auf"
Die passive Stratocaster liefert mit den in Kapitel 1 genannten Dimensionierungen eine Resonanzfrequenz von 4,091kHz mit einer Spitze von 4,02dB, was einer Güte von 1,63 entspricht. Diese blaue Kurve ist quasi unsere Referenz, mit der sich die Impedanzwandlervariante messen lassen muß. Weniger geht nicht, mehr ist unter Umständen zu akzeptieren.
Baut man den Impedanzwandler wie in Abbildung 4 ein, dann entsteht der rote Amplitudengang. Die Resonanzfrequenz liegt mit 4,335kHz um 244Hz höher und auch die Spitze ist mit 8dB um 3,98dB größer. Dieses "Mehr" an "Höhen" ist in der Praxis deutlich wahrnehmbar! Noch krasser wird es, wenn die Kabelemulation ausgeschaltet wird (Grün). Jetzt liegt die Resonanz bei 8,846kHz mit einer Spitze von 3,05dB. Ob beide Fälle nun gut oder schlecht sind, muß allerdings noch diskutiert werden. Zunächst ist einfach festzustellen, daß sich durch den Einsatz des Impedanzwandlers der Klang der Elektrogitarre verändert.
Aber eigentlich soll der Impedanzwandler den Klang doch nicht verändern! Nun, das macht er tatsächlich auch nicht, aber die verringerte ohmsche Belastung durch das Fehlen des Lautstärkeeinstellers PV führt zu einer Änderung, auch wenn die gleiche kapazitive Belastung (hier 470pF) vorgesehen wird. Ohne diese kapazitive Last ergeben sich schon fast akustische Klangfarben. Wer darauf steht, wird hier also gut bedient. Kombiniert man den Impedanzwandler mit einem vorgeschalteten C-Switch, dann kann die Resonanzfrequenz nach Belieben nach unten verringern werden. Für die Stratocaster könnte dann gelten: "Raus mit der zweiten Tonblende und rein mit dem C-Switch!" "Vintage-Strat" und "Texas Special" in einer Gitarre; das "I-Pot" macht es möglich!
Kommen wir noch einmal zurück zur roten Kurve. Sie sollte eigentlich deckungsgleich mit der blauen Kurve - unserer Referenz - sein. Da das Volume-Poti aber fehlt... Tja, ist eine so große Güte nun gut oder schlecht? Die Antwort finden wir, wenn wir das Tone-Poti durch ein NoLoad-Poti ersetzen (siehe dazu der Artikel "Die Klangeinstellung in der Elektrogitarre"), dann entsteht interessanterweise ebenfalls die rote Kurve. Wenn Fender diese starke Resonanzspitze für "teuer Geld" (7 bis 10 Euro) unter das musizierende Volk bringt, kann das, was das "I-Pot" erzeugt ja nicht wirklich schlecht sein, oder?
Was würde denn geschehen, wenn wir die Tonblende langsam "zudrehen"? Sagen wir mal in Zweiprozentschritten. Also, her mit dem Simulator und...
Abbildung 6: Übergang der Tonblende von "aktiv" zu "passiv"
... tatsächlich erreichen wir bei einem Drehwinkel von 85% genau die blaue Referenzkurve. Der Übergang zwischen der roten und der blauen Kurve erfolgt also kontinuierlich und nicht sprunghaft, wie beim NoLoad-Poti. Allein dieser Unterschied ist als Vorteil zu werten. Wer den ursprünglichen passiven Zustand mit Impedanzwandler haben will, der muß einfach nur die Tonblende nutzen und sie etwas "zudrehen" Der alte Sound ist also nicht verloren, sondern er liegt nur an einer anderen "Stelle"! Tonblendenmuffel werden dann natürlich irgendetwas von Sch...-Sound murmeln und der ganzen Sache so irgendwie doch Unrecht tun...
Fazit: Durch diesen besonderen Impedanzwandler wird der Klang der Stratocaster also hin zu mehr Höhen erweitert. Dadurch erhält der Musiker natürlich mehr Einstellmöglichkeiten. Ist die Höhenerweiterung nicht gewünscht, dann wird einfach ein Widerstand von 240kOhm oder 270kOhm parallel zum Eingang des Impedanzwandlers geschaltet und die rote Kurve nimmt dann den gleichen Verlauf ein, wie die blaue Kurve. Dann ist der Impedanzwandler tatsächlich nicht zu hören.
3. Simulation 2: Lautstärkeeinstellung (Volume)
Die Lautstärkeeinstellung wird von vielen Gitarristen geradezu stiefmütterlich behandelt. Die Begründung dafür lautet ganz einfach: "Höhenklau". Man verringert die Lautstärke und schon sind die Höhen verschwunden, obwohl man es doch nur leiser haben wollte.
Abbildung 7: Verlauf der Lautstärkeeinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und ohne (links)
Volume runter, Gitarre leise, Höhen weg. Das ist der sogenannte "Höhenklau" (linkes Bild). Die meisten Gitarristen schätzen das gar nicht und bauen einen Treble-Bleed ein (weitere Infos dazu sind im Artikel "Die Lautstärkeeinstellung in der Elektrogitarre" zu finden), über dessen Dimensionierung man seit Jahren im Internet keine vernünftige Einigung erzielt, weil es einfach keine allgemeine Lösung gibt... bis auf das "I-Pot". Volume runter, Gitarre leise, Höhen immer noch da (rechtes Bild)! So muß das sein, oder?
Der "Höhenklau" ist auch in den selektiven Linearitäten der passiven Lautstärkeeinstellung wiederzufinden. Theoretisch sollten alle drei Kurven im linken Bild von Abbildung 8 den Verlauf der roten Kurve haben, mit allenfalls einem konstanten Offset, aber in der Praxis werden Resonanzfrequenz fr (blau) und die Grenzfrequenz fg (grün) unterschiedlich stark in Abhängigkeit des normierten Drehwinkels a gedämpft. Die "schändliche" Kabelkapazität macht es eben möglich!
Abbildung 8: Linearität der Lautstärkeeinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und ohne (links)
Man erkennt, daß die Steigung der blauen Kurve zunächst deutlich größer ist. Die Lautstärkeabnahme ist bei der Resonanzfrequenz also am Anfang am stärksten - eben der "Höhenklau"! Mit Impedanzwandler verlaufen dann alle drei Kurven über weite Strecken parallel (rechts).
Natürlich kann man das Kabel jetzt noch länger als 6m machen. Das "I-Pot" ist in der Lage eine kapazitive Last von 1nF zu treiben. Das sind dann immerhin 12m Sommer The Spirit! Selbst bei 24m Kabel ändert sich am Verhalten der Lautstärkeeinstellung in der Simulation nichts. Allerdings wird der Impedanzwandler in der Praxis dann überlastet und es kommt zu nichtlinearen Verzerrungen, die von der Simulation jedoch nicht berücksichtigt werden.
Fazit: Durch den Impedanzwandler erhalten wir endlich eine "amtliche" Lösung für das Problem des "Höhenklaus". Treble-Bleeds jeglicher Art können jetzt getrost in die Schublade oder gar auf den Müll wandern und darüber hinaus hat das Instrumentenkabel jetzt keinen Einfluß mehr auf den Klang des Instrumentes. Was will man mehr?
4. Simulation 3: Tonblende (Tone)
Als nächstes wenden wir uns der Tonblende zu. Wir verringern den Drehwinkel in Schritten von 10%. In der folgenden Abbildung wird links wieder das Ergebnis der passive Schaltung und rechts das der Impedanzwandlervariante dargestellt.
Abbildung 9: Verlauf der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und ohne (links)
Für die Tonblende sind die Anfangs- und die Endresonanz charakteristisch. Die Anfangsresonanz entspricht dem schon in Kapitel 1 ermittelten Wertepaar: 4,091kHz / 4,02dB. Dreht man die Tonblende ganz zu, ist die Resonanz 651,4Hz / 4,37dB. Diese Lage wird von vielen Musikern schon einfach als "dumpf" empfunden. Bei anderen Tonabnehmern oder größeren Tone-Kondensatoren kann die Resonanzfrequenz durchaus bis auf 400Hz absinken. Wenn dann noch ein lineares Tone-Poti dazu kommt, hat man tatsächlich nur noch die Wahl zwischen dumpf und nicht dumpf, aber das ist jetzt nicht der Punkt.
Mit Impedanzwandler beträgt die Anfangsresonanz 4,335kHz / 8dB, was auch schon bekannt ist. Die Endresonanz ist mit der passiven Variante durchaus zu vergleichen: 651,8Hz / 4,99dB. Der kleine Unterschied ist wieder der fehlenden Belastung von PV zuzuschreiben und wird nicht auftreten, wenn man am Eingang des Impedanzwandlers einen parallelen Widerstand von 250kOhm vorsieht.
Der Unterschied besteht also lediglich in der stärkeren Ausprägung der Anfangsresonanz bei der Impedanzwandlervariante. Sie erreicht bereits bei einem Drehwinkel von 85% den maximalen Wert der passiven Variante. Das spiegelt sich auch im Vergleich der beiden Linearitäten der Resonanzfrequenz fr (rote Kurve) wieder.
Abbildung 10: Linearität der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und ohne (links)
Die Linearität der passiven Schaltung beträgt 89,3%. Der Impedanzwandler liefert eine etwas größere Linearität von 92,6%. Dieser Unterschied kommt allein dadurch zustande, daß die aktive Schaltung über eine stärkere Resonanzspitze verfügt. Man kann es sich so vorstellen, also ob die Tonblende im passiven Betrieb einen Drehwinkel von 115% aufweist (was praktisch natürlich unmöglich ist). Bei diesen zusätzlichen 15% ist der Verlauf der Linearitätskurve aber sehr "gerade". In der aktiven Varianten werden diese 115% auf praktisch mögliche 100% "zusammengedrückt". Die resultierende Kurve ist dann aber trotzdem "gerader" und damit läßt sich die Verbesserung der Linearität auch erklären.
Über alles betrachtet ergibt sich für die Tonblende durch den Einsatz des Impedanzwandlers also kein so bemerkenswerter Unterschied. Aber irgendwie müssen wir doch noch einen Vorteil an den Haaren "herbeiziehen" können. Dazu bekommt unsere passive Stratocaster jetzt ein NoLoad-Poti, damit die Anfangsresonanzen auch vergleichbar sind und wir nicht Äpfel mit Birnen...
Abbildung 11: Verlauf der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und passiv mit NoLoad-Poti (links)
Hier ist nun wirklich kein Unterschied mehr zu erkennen, aber wenn man einen Blick auf die Linearitäten wirft, dann ist der Sprung beim NoLoad-Poti im linken Teilbild deutlich zu erkennen.
Abbildung 12: Linearität der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und passiv mit NoLoad-Poti (links)
Die Linearität der NoLoad-Poti-Lösung beträgt 89,9% und ist damit sogar noch etwas größer als bei der passiven Lösung mit Standard-Tonblende. Hmm, das ist jetzt aber doof! Aber dieser Wert ist das Ergebnis einer linearen Regression, die von 20% bis 100% Drehwinkel läuft. Der Sprung sorgt hier also für einen besseren Wert, der in der Praxis freilich nicht da ist. Soviel also zur Theorie.
Natürlich kann man die Anfangsresonanz der passiven Schaltung auch vergößern, ohne den Sprung zu haben. Man muß einfach nur ein Potentiometer mit einem größeren Kennwiderstand nehmen. 2,5MOhm zum Beispiel (wo auch immer man das herbekommt).
Abbildung 13: Verlauf der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und passiv mit 2,5MOhm-Poti (links)
Hmm, die Anfangsresonanz erreicht mit einer Spitze von 7,49dB nicht ganz die geforderten 8dB, aber ein "größeres" Poti wird man wohl kaum finden. Also leben wir mit diesem kleinen Makel, der aber längst nicht der einzige ist, denn die Einstellbarkeit ist schlicht und ergreifend "zum Teufel"!
Abbildung 14: Linearität der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und passiv mit 2,5MOhm-Poti (links)
Das wird auch durch die Linearität bestätigt, die nur noch 57,6% beträgt. Das Poti ist im Vergleich zum Tone-Kondensator, viel zu hochohmig. Damit ist die Linearität absolut mit einer Tonblende mit linearem Tone-Poti zu vergleichen und das wird nun wirklich niemanden glücklich machen, denn zwischen 100% und 40% des Drehwinkels passiert quasi nichts! Das Poti wirkt da eher wie ein Schalter zwischen dumpf und nicht dumpf. Daß man einen solchen Einsteller in der Praxis dann kaum nutzt, ist gut nachzuvollziehen.
Da hätten wir schlußendlich also doch noch einen handfesten Vorteil für den Einsatz unseres Impedanzwandlers gefunden: Möchte man eine vergrößerte Anfangsresonanz und eine gute kontinuierlich Einstellbarkeit der Tonblende haben, dann hat das "I-Pot" eindeutig die Nase vorn! Das teure NoLoad-Poti mit seinem "sprunghaften" Verhalten kann man nun also getrost beim Händler lassen!
Fazit
Anhand der durchgeführten Simulationen konnte nachgewiesen werden, daß der Einsatz eines Impedanzwandlers, wie zum Beispiel dem "I-Pot", in der Stratocaster eine ganze Reihe von Vorteilen bietet. Man erhält dadurch
Aber natürlich kann man einen solchen Impedanzwandler auch in anderen Elektrogitarren nutzbringend verwenden. In des Onkels "Pauline", einer alten Aria Pro II PE-60BG, sitzt zum Beispiel so ein Impedanzwandler, der um je einen optimierten C-Switch für jeden Tonabnehmer ergänzt wurde.
Abbildung 15: Pauline
Welche klanglichen Werte sich in Ihrem Inneren befinden, sieht man ihr indes nicht an. Eine kurze Demonstration ihrer Klangmöglichkeiten wurde auf dem ersten Zollner-Workshop in Regensburg im Herbst 2012 auf der abendlichen Session gegeben und hat dort durchaus für Erstaunen gesorgt.
Ulf
(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist ebenfalls in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist ebenfalls in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
Einleitung
Wer sich mit dem Thema Gitarrenelektronik beschäftigt, der wird früher oder später auch mit dem Impedanzwandler konfrontiert werden. Daß diese aktive Baugruppe von vielen Gitarristen abgelehnt oder zumindest skeptisch beurteilt wird, liegt eindeutig an dem weit verbreiteten Vorurteil, daß Transistoren ja angeblich schlecht "klingen" würden. Sieht man sich einmal die Reviews zu den Impedanzwandlern der SB-1-Serie an, wird deutlich, daß das nicht so sein muß!
Bei den Guitar-Letters wurde der Impedanzwandler schon in den Artikeln "Impedanzwandler für die Elektrogitarre" und "Der Einsatz eines Impedanzwandlers in der Elektrogitarre" behandelt. In diesem weiteren Artikel soll es nun um die konkrete Auswirkung des Impedanzwandlers im praktischen Einsatz gehen. Wie wirkt sich der Impedanzwandler aus, wie verändert sich das Übertragungsverhalten und die Einstellbarkeit der Bedienelemente? Das sind die Fragen, die im weiteren Verlauf am Beispiel einer Stratocaster dargestellt werden sollen.
Aber wie kann man die praktischen Auswirkungen einer elektronischen Schaltung im schriftlicher Form darlegen? Antwort: Man macht es theopraktisch! Das Hilfsmittel dazu lautet: Simulation. Im Laufe der letzten Jahre habe ich einen wohl einmaligen Simulator entwickelt, der unter anderem das Übertragungsverhalten der verschiedenen Gitarrenelektroniken darstellen kann. Aus der Praxis weiß ich, daß die Ergebnisse einer solchen Simulation sich mit den praktischen Höreindrücken decken. Also kommt dieser Simulator, er heißt übrigens GiSi, auch in diesem Fall zum Einsatz.
Abbildung 1: Ein Blick auf GiSi
Wer simuliert, der muß auch sagen unter welchen Bedingungen die Simulation stattgefunden hat. Also, welche Schaltung und welche elektrischen Daten sind das mindeste. Besser noch wäre auch eine Aussage über das verwendete elektrische Modell der Schaltung. Also geht es zunächst um die Definition der Simulationen und anschließend um die einzelnen Simulationen und deren Ergebnisse. Los geht es...
1. Futter für den Simulanten
Simulationen für elektronische Schaltungen gibt es eine ganze Menge. Die wohl bekannteste ist Spice, die für diesen Fall - zumindest zum Teil - auch angewendet werden könnte. Aber egal, welchen Simulator man verwendet, muß zunächst geklärt werden, welche Schaltung oder welches Modell es zu simulieren gilt und welche Parameter zu simulieren sind.
1.1 Die Simulationsmodelle
Sehen wir uns zunächst die elektrische Ersatzschaltung der zu simulierenden Gitarrenelektronik an:
Abbildung 2: Die Standardbeschaltung eines Tonabnehmers mit Tonblende, Volume und externer Belastung
In der Ersatzschaltung wird der magnetischen Tonabnehmer durch die Spannungsquelle U0, die Spuleninduktivität Ls, den Gleichstromwiderstand Rs und die Wicklungskapazität Cs modelliert. Diese Bestandteile wurden, der besseren Übersichtlichkeit halber, in Blau dargestellt.
Die Tonblende (engl. Tone) wird durch die Bauelemente PT, RT und CT repräsentiert, wobei RT in den meisten Schaltungen einen Wert von 0 hat und darum weggelassen wird. Die Lautstärkeeinstellung (engl. Volume) besteht aus dem als Spannungsteiler geschalteten Potentiometer PV. Beide Schaltungsteile wurden in Grün dargestellt.
Die externe Belastung wird durch die Kabelkapazität CK, den Eingangswiderstand des Verstärkers Rin und seiner Eingangskapazität Cin gebildet.
Mit dieser passiven Ersatzschaltung läßt sich das elektrische Übertragungsverhalten fast jede Elektrogitarre beschreiben. Das Übertragungsverhalten selber ist der Quotient aus den Spannungen Uout und U0. Aus ihm wird durch Betragsbildung der sogenannte Amplitudengang erzeugt, der dann in doppeltlogarithmischer Form grafisch dargestellt wird.
Als Grundlage für alle folgenden Simulationen soll der Stratocastertonabnehmer dienen, dessen Werte Helmuth Lemme bereits 1977 veröffentlichte: Ls=2.2H, Cs=110pF, Rs=5.7kOhm.
Dazu kommen die für die Strat typischen Werte für Potentiometer und Tone-Kondensator: PT=250kOhm, CT=22nF, RT=0Ohm, PV=250kOhm. Die Charakteristik der Potentiometer ist logarithmisch mit einer üblichen Progression von 20%. Weitere Informationen zur Charakteristik von Potentiometern sind im Artikel "Potentiometer-Grundlagen" nachzulesen.
Als externe Belastung werden 6m Instrumentenkabel vom Typ "Sommer The Spirit" verwendet. Die Kapazität beträgt dann 468nF. Für die Simulation wird CK=470pF gesetzt.
Für den Verstärkereingang gilt: Rin=1MOhm, Cin=0pF
Als Impedanzwandler kommt ein "I-Pot" aus der SB-2P-Serie zum Einsatz. Er enthält, neben dem eigentlichen Impedanzwandler, eine Kapazität CL=470pF zur Kabelemulation sowie ein niederohmiges Potentiometer PVI=20kOhm als Lautstärkeeinsteller. Der Eingangswiderstand beträgt RIin=1MOhm.
Abbildung 3: Impedanzwandler aus der SB-2P-Serie ("I-Pot")
Für den theopraktischen Einsatz des Impedanzwandlers wird die passive Ersatzschaltung zwischen Tonblende und Lautstärkeeinstellung in Gedanken aufgetrennt und die Ersatzschaltung des Impedanzwandlers dort eingefügt. Sie besteht aus der Kapazität CL, dem Eingangswiderstand RIin und einer gesteuerten idealen Spannungsquelle v·UA. Da bei einem Impedanzwandler die Spannungsverstärkung v=1 beträgt, liegt am Ausgang des Impedanzwandlers ebenfalls die Spannung UA an. Bis auf den Lautstärkeeinsteller werden die Bestandteile des Impedanzwandlers in Rot dargestellt.
Abbildung 4: Die Standardbeschaltung eines Tonabnehmers durch Impedanzwandler (rot) erweitert
In der Praxis ersetzt das "I-Pot" einfach das Volume-Poti als Baugruppe. Einfacher geht es kaum!
Vergleicht man Abbildung 3 und 4, dann ist festzustellen, daß durch den Einsatz des Impedanzwandlers der Lautstärkeeinsteller PV dem Tonabnehmer als Belastung fehlt. An dieser Stelle sind beide Schaltungen also nicht ganz identisch. In der Folge kann man erwarten, daß die Ausprägung der Resonanzfrequenz, also die Güte der Schaltung, für den Betrieb mit Impedanzwandler etwas größer sein wird.
1.2 Simulationen
Nachdem geklärt wurde, welche Modelle Grundlage der Simulationen sein sollen und welche Werte die einzelnen Bauteile haben, geht es jetzt darum festzulegen, was eigentlich simuliert werden soll. Da es uns darum geht, Unterschiede darzustellen muß grundsätzlich jede Simulation für beide Schaltungsvarianten durchgeführt werden.
Die Existenz zweier kontinuierlicher Einsteller (Volume und Tone) ergibt natürlich eine unendliche Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten. Wir beschränken uns daher auf den klassischen Fall "Alles auf", den die meisten Musiker verwenden.
Bezüglich der Einsteller sind immer wieder Diskussionen zum Thema "Logarithmisch oder Linear"? zu finden. Also müssen wir uns auch die Einstellbarkeit vom Lautstärkeeinstellung und Tonblende, also deren Linearität, ansehen.
Unter dem Strich sind für die beiden Schaltungsvarianten je drei Simulationen notwendig, deren Ergebnisse dann gegenübergestellt werden:
- Amplitudengang für den Fall "Alles auf",
- die Linearität der Lautstärkeeinstellung und
- die Linearität der Tonblende.
2. Simulation 1: "Alles auf"
"Alles auf" heißt nichts anderes, als das der Drehwinkel von Volume und Tone 100% beträgt. Die Elektrogitarre kann also ihre maximale Spannung und maximale "Höhen" liefern. Viele Gitarristen nutzen diesen Betriebsmodus ausschließlich, weil alle anderen Einstellungen den Klang "schlecht" machen; so kann man es zumindest häufig hören oder lesen. Der Lautstärkeeinsteller dient dann allenfalls als Ausschalter für Spielpausen.
Für diesen Betriebsmodus lassen sich insgesamt drei Simulationen machen, denn die Kabelemulation des SB-2 läßt sich per Jumper abschalten. Hier sind die drei Amplitudengänge:
Abbildung 5: Die drei Amplitudengänge für den Fall "Alles auf"
Die passive Stratocaster liefert mit den in Kapitel 1 genannten Dimensionierungen eine Resonanzfrequenz von 4,091kHz mit einer Spitze von 4,02dB, was einer Güte von 1,63 entspricht. Diese blaue Kurve ist quasi unsere Referenz, mit der sich die Impedanzwandlervariante messen lassen muß. Weniger geht nicht, mehr ist unter Umständen zu akzeptieren.
Baut man den Impedanzwandler wie in Abbildung 4 ein, dann entsteht der rote Amplitudengang. Die Resonanzfrequenz liegt mit 4,335kHz um 244Hz höher und auch die Spitze ist mit 8dB um 3,98dB größer. Dieses "Mehr" an "Höhen" ist in der Praxis deutlich wahrnehmbar! Noch krasser wird es, wenn die Kabelemulation ausgeschaltet wird (Grün). Jetzt liegt die Resonanz bei 8,846kHz mit einer Spitze von 3,05dB. Ob beide Fälle nun gut oder schlecht sind, muß allerdings noch diskutiert werden. Zunächst ist einfach festzustellen, daß sich durch den Einsatz des Impedanzwandlers der Klang der Elektrogitarre verändert.
Aber eigentlich soll der Impedanzwandler den Klang doch nicht verändern! Nun, das macht er tatsächlich auch nicht, aber die verringerte ohmsche Belastung durch das Fehlen des Lautstärkeeinstellers PV führt zu einer Änderung, auch wenn die gleiche kapazitive Belastung (hier 470pF) vorgesehen wird. Ohne diese kapazitive Last ergeben sich schon fast akustische Klangfarben. Wer darauf steht, wird hier also gut bedient. Kombiniert man den Impedanzwandler mit einem vorgeschalteten C-Switch, dann kann die Resonanzfrequenz nach Belieben nach unten verringern werden. Für die Stratocaster könnte dann gelten: "Raus mit der zweiten Tonblende und rein mit dem C-Switch!" "Vintage-Strat" und "Texas Special" in einer Gitarre; das "I-Pot" macht es möglich!
Kommen wir noch einmal zurück zur roten Kurve. Sie sollte eigentlich deckungsgleich mit der blauen Kurve - unserer Referenz - sein. Da das Volume-Poti aber fehlt... Tja, ist eine so große Güte nun gut oder schlecht? Die Antwort finden wir, wenn wir das Tone-Poti durch ein NoLoad-Poti ersetzen (siehe dazu der Artikel "Die Klangeinstellung in der Elektrogitarre"), dann entsteht interessanterweise ebenfalls die rote Kurve. Wenn Fender diese starke Resonanzspitze für "teuer Geld" (7 bis 10 Euro) unter das musizierende Volk bringt, kann das, was das "I-Pot" erzeugt ja nicht wirklich schlecht sein, oder?
Was würde denn geschehen, wenn wir die Tonblende langsam "zudrehen"? Sagen wir mal in Zweiprozentschritten. Also, her mit dem Simulator und...
Abbildung 6: Übergang der Tonblende von "aktiv" zu "passiv"
... tatsächlich erreichen wir bei einem Drehwinkel von 85% genau die blaue Referenzkurve. Der Übergang zwischen der roten und der blauen Kurve erfolgt also kontinuierlich und nicht sprunghaft, wie beim NoLoad-Poti. Allein dieser Unterschied ist als Vorteil zu werten. Wer den ursprünglichen passiven Zustand mit Impedanzwandler haben will, der muß einfach nur die Tonblende nutzen und sie etwas "zudrehen" Der alte Sound ist also nicht verloren, sondern er liegt nur an einer anderen "Stelle"! Tonblendenmuffel werden dann natürlich irgendetwas von Sch...-Sound murmeln und der ganzen Sache so irgendwie doch Unrecht tun...
Fazit: Durch diesen besonderen Impedanzwandler wird der Klang der Stratocaster also hin zu mehr Höhen erweitert. Dadurch erhält der Musiker natürlich mehr Einstellmöglichkeiten. Ist die Höhenerweiterung nicht gewünscht, dann wird einfach ein Widerstand von 240kOhm oder 270kOhm parallel zum Eingang des Impedanzwandlers geschaltet und die rote Kurve nimmt dann den gleichen Verlauf ein, wie die blaue Kurve. Dann ist der Impedanzwandler tatsächlich nicht zu hören.
3. Simulation 2: Lautstärkeeinstellung (Volume)
Die Lautstärkeeinstellung wird von vielen Gitarristen geradezu stiefmütterlich behandelt. Die Begründung dafür lautet ganz einfach: "Höhenklau". Man verringert die Lautstärke und schon sind die Höhen verschwunden, obwohl man es doch nur leiser haben wollte.
Abbildung 7: Verlauf der Lautstärkeeinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und ohne (links)
Volume runter, Gitarre leise, Höhen weg. Das ist der sogenannte "Höhenklau" (linkes Bild). Die meisten Gitarristen schätzen das gar nicht und bauen einen Treble-Bleed ein (weitere Infos dazu sind im Artikel "Die Lautstärkeeinstellung in der Elektrogitarre" zu finden), über dessen Dimensionierung man seit Jahren im Internet keine vernünftige Einigung erzielt, weil es einfach keine allgemeine Lösung gibt... bis auf das "I-Pot". Volume runter, Gitarre leise, Höhen immer noch da (rechtes Bild)! So muß das sein, oder?
Der "Höhenklau" ist auch in den selektiven Linearitäten der passiven Lautstärkeeinstellung wiederzufinden. Theoretisch sollten alle drei Kurven im linken Bild von Abbildung 8 den Verlauf der roten Kurve haben, mit allenfalls einem konstanten Offset, aber in der Praxis werden Resonanzfrequenz fr (blau) und die Grenzfrequenz fg (grün) unterschiedlich stark in Abhängigkeit des normierten Drehwinkels a gedämpft. Die "schändliche" Kabelkapazität macht es eben möglich!
Abbildung 8: Linearität der Lautstärkeeinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und ohne (links)
Man erkennt, daß die Steigung der blauen Kurve zunächst deutlich größer ist. Die Lautstärkeabnahme ist bei der Resonanzfrequenz also am Anfang am stärksten - eben der "Höhenklau"! Mit Impedanzwandler verlaufen dann alle drei Kurven über weite Strecken parallel (rechts).
Natürlich kann man das Kabel jetzt noch länger als 6m machen. Das "I-Pot" ist in der Lage eine kapazitive Last von 1nF zu treiben. Das sind dann immerhin 12m Sommer The Spirit! Selbst bei 24m Kabel ändert sich am Verhalten der Lautstärkeeinstellung in der Simulation nichts. Allerdings wird der Impedanzwandler in der Praxis dann überlastet und es kommt zu nichtlinearen Verzerrungen, die von der Simulation jedoch nicht berücksichtigt werden.
Fazit: Durch den Impedanzwandler erhalten wir endlich eine "amtliche" Lösung für das Problem des "Höhenklaus". Treble-Bleeds jeglicher Art können jetzt getrost in die Schublade oder gar auf den Müll wandern und darüber hinaus hat das Instrumentenkabel jetzt keinen Einfluß mehr auf den Klang des Instrumentes. Was will man mehr?
4. Simulation 3: Tonblende (Tone)
Als nächstes wenden wir uns der Tonblende zu. Wir verringern den Drehwinkel in Schritten von 10%. In der folgenden Abbildung wird links wieder das Ergebnis der passive Schaltung und rechts das der Impedanzwandlervariante dargestellt.
Abbildung 9: Verlauf der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und ohne (links)
Für die Tonblende sind die Anfangs- und die Endresonanz charakteristisch. Die Anfangsresonanz entspricht dem schon in Kapitel 1 ermittelten Wertepaar: 4,091kHz / 4,02dB. Dreht man die Tonblende ganz zu, ist die Resonanz 651,4Hz / 4,37dB. Diese Lage wird von vielen Musikern schon einfach als "dumpf" empfunden. Bei anderen Tonabnehmern oder größeren Tone-Kondensatoren kann die Resonanzfrequenz durchaus bis auf 400Hz absinken. Wenn dann noch ein lineares Tone-Poti dazu kommt, hat man tatsächlich nur noch die Wahl zwischen dumpf und nicht dumpf, aber das ist jetzt nicht der Punkt.
Mit Impedanzwandler beträgt die Anfangsresonanz 4,335kHz / 8dB, was auch schon bekannt ist. Die Endresonanz ist mit der passiven Variante durchaus zu vergleichen: 651,8Hz / 4,99dB. Der kleine Unterschied ist wieder der fehlenden Belastung von PV zuzuschreiben und wird nicht auftreten, wenn man am Eingang des Impedanzwandlers einen parallelen Widerstand von 250kOhm vorsieht.
Der Unterschied besteht also lediglich in der stärkeren Ausprägung der Anfangsresonanz bei der Impedanzwandlervariante. Sie erreicht bereits bei einem Drehwinkel von 85% den maximalen Wert der passiven Variante. Das spiegelt sich auch im Vergleich der beiden Linearitäten der Resonanzfrequenz fr (rote Kurve) wieder.
Abbildung 10: Linearität der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und ohne (links)
Die Linearität der passiven Schaltung beträgt 89,3%. Der Impedanzwandler liefert eine etwas größere Linearität von 92,6%. Dieser Unterschied kommt allein dadurch zustande, daß die aktive Schaltung über eine stärkere Resonanzspitze verfügt. Man kann es sich so vorstellen, also ob die Tonblende im passiven Betrieb einen Drehwinkel von 115% aufweist (was praktisch natürlich unmöglich ist). Bei diesen zusätzlichen 15% ist der Verlauf der Linearitätskurve aber sehr "gerade". In der aktiven Varianten werden diese 115% auf praktisch mögliche 100% "zusammengedrückt". Die resultierende Kurve ist dann aber trotzdem "gerader" und damit läßt sich die Verbesserung der Linearität auch erklären.
Über alles betrachtet ergibt sich für die Tonblende durch den Einsatz des Impedanzwandlers also kein so bemerkenswerter Unterschied. Aber irgendwie müssen wir doch noch einen Vorteil an den Haaren "herbeiziehen" können. Dazu bekommt unsere passive Stratocaster jetzt ein NoLoad-Poti, damit die Anfangsresonanzen auch vergleichbar sind und wir nicht Äpfel mit Birnen...
Abbildung 11: Verlauf der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und passiv mit NoLoad-Poti (links)
Hier ist nun wirklich kein Unterschied mehr zu erkennen, aber wenn man einen Blick auf die Linearitäten wirft, dann ist der Sprung beim NoLoad-Poti im linken Teilbild deutlich zu erkennen.
Abbildung 12: Linearität der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und passiv mit NoLoad-Poti (links)
Die Linearität der NoLoad-Poti-Lösung beträgt 89,9% und ist damit sogar noch etwas größer als bei der passiven Lösung mit Standard-Tonblende. Hmm, das ist jetzt aber doof! Aber dieser Wert ist das Ergebnis einer linearen Regression, die von 20% bis 100% Drehwinkel läuft. Der Sprung sorgt hier also für einen besseren Wert, der in der Praxis freilich nicht da ist. Soviel also zur Theorie.
Natürlich kann man die Anfangsresonanz der passiven Schaltung auch vergößern, ohne den Sprung zu haben. Man muß einfach nur ein Potentiometer mit einem größeren Kennwiderstand nehmen. 2,5MOhm zum Beispiel (wo auch immer man das herbekommt).
Abbildung 13: Verlauf der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und passiv mit 2,5MOhm-Poti (links)
Hmm, die Anfangsresonanz erreicht mit einer Spitze von 7,49dB nicht ganz die geforderten 8dB, aber ein "größeres" Poti wird man wohl kaum finden. Also leben wir mit diesem kleinen Makel, der aber längst nicht der einzige ist, denn die Einstellbarkeit ist schlicht und ergreifend "zum Teufel"!
Abbildung 14: Linearität der Tonblendeneinstellung mit Impedanzwandler (rechts) und passiv mit 2,5MOhm-Poti (links)
Das wird auch durch die Linearität bestätigt, die nur noch 57,6% beträgt. Das Poti ist im Vergleich zum Tone-Kondensator, viel zu hochohmig. Damit ist die Linearität absolut mit einer Tonblende mit linearem Tone-Poti zu vergleichen und das wird nun wirklich niemanden glücklich machen, denn zwischen 100% und 40% des Drehwinkels passiert quasi nichts! Das Poti wirkt da eher wie ein Schalter zwischen dumpf und nicht dumpf. Daß man einen solchen Einsteller in der Praxis dann kaum nutzt, ist gut nachzuvollziehen.
Da hätten wir schlußendlich also doch noch einen handfesten Vorteil für den Einsatz unseres Impedanzwandlers gefunden: Möchte man eine vergrößerte Anfangsresonanz und eine gute kontinuierlich Einstellbarkeit der Tonblende haben, dann hat das "I-Pot" eindeutig die Nase vorn! Das teure NoLoad-Poti mit seinem "sprunghaften" Verhalten kann man nun also getrost beim Händler lassen!
Fazit
Anhand der durchgeführten Simulationen konnte nachgewiesen werden, daß der Einsatz eines Impedanzwandlers, wie zum Beispiel dem "I-Pot", in der Stratocaster eine ganze Reihe von Vorteilen bietet. Man erhält dadurch
- eine erweiterte Höhenwiedergabe, wie sie auch durch den Einsatz eines teuren NoLoad-Potis ermöglicht wird,
- eine optimale Lösung für den "Höhenklau", der das Problem wirklich löst und alle Bastelleien a la Treble Bleed obsolet macht,
- ein Instrument, dessen Klang unabhängig von der Länge des Instrumentenkabels ist sowie
- eine bessere Einstellbarkeit von Volume und Tone.
Aber natürlich kann man einen solchen Impedanzwandler auch in anderen Elektrogitarren nutzbringend verwenden. In des Onkels "Pauline", einer alten Aria Pro II PE-60BG, sitzt zum Beispiel so ein Impedanzwandler, der um je einen optimierten C-Switch für jeden Tonabnehmer ergänzt wurde.
Abbildung 15: Pauline
Welche klanglichen Werte sich in Ihrem Inneren befinden, sieht man ihr indes nicht an. Eine kurze Demonstration ihrer Klangmöglichkeiten wurde auf dem ersten Zollner-Workshop in Regensburg im Herbst 2012 auf der abendlichen Session gegeben und hat dort durchaus für Erstaunen gesorgt.
Ulf
(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist ebenfalls in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
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