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  Musiker-Board 25.06.2010
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Der Einsatz eines Impedanzwandlers in der Elektrogitarre

Einleitung

Der Impedanzwandler wird in vielen Veröffentlichungen der klassischen Gitarrenelektronik, aber auch an vielen Stellen im Internet, als klangliches Allheilmittel gepriesen. Andere sehen in ihm ein "Teufelswerk", das den Sound zerstört. Beide Sichtweisen sind richtig oder können besser gesagt richtig sein. Welche der beiden Standpunkte tatsächlich gültig ist, hängt ganz davon ab, wie man es macht!

Wem der Sinn nach einem solchen Gerät steht, der muß in der Regel selber aktiv werden und in die elektrotechnischen Niederungen herabsteigen. Hilfestellung bieten einige Hersteller, die Bausätze oder fertig bestückte Platinen anbieten. Wer sich das Angebot jedoch einmal genauer ansieht, findet schnell heraus, daß sich hinter dem Begriff "Impedanzwandler" durchaus verschiedene Schaltungskonzepte mit unterschiedlichen Eigenschaften verbergen.

Worauf soll man, worauf muß man also achten?

Wie wird der Impedanzwandler sinnvoll in der Gitarre eingesetzt?

Das sind Fragen, die man am besten vor dem Erwerb oder dem Bau einer solchen Schaltung klärt! Der nachfolgende Artikel versucht Antworten auf diese und andere Fragen zu geben. Als Einstieg mag der Artikel Impedanzwandler für die Elektrogitarre dienen, in dem bereits einige Grundlagen des Impedanzwandlers beschrieben und eine einfache Lösung mit Hilfe eines Operationsverstärkers vorgestellt wurde.


1. Grundlagen

1.1 Der ideale Impedanzwandler für die Elektrogitarre

Für die nachfolgenden Überlegungen in diesem Artikel benutzen wir ein Bauelement, daß es in der Praxis gar nicht gibt: Den idealen Impedanzwandler (engl. Buffer). Er hat eine Spannungsverstärkung von 1, einen unendlich großen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0! In der Folge ist seine Stromverstärkung unendlich groß. Aufgrund dieser Eigenschaften kann man den Impedanzwandler auch als gesteuerte ideale Spannungsquelle auffassen.

Abbildung 1: Symbol des idealen Impedanzwandlers

Da Impedanzwandler zu den Verstärkern zählen, benutzen wir als Symbol ein Dreieck in dem die 1 auf die Spannungsverstärkung hinweist.

1.2 Der reale Impedanzwandler

Mit den gängigen Schaltungskonzepten ist es in der Praxis möglich, dem eben beschriebenen Ideal recht nahe zu kommen. Moderne Operationsverstärker oder diskrete Schaltungen mit Feldeffekttransistoren ermöglichen leicht Eingangswiderstände bis zu 10MOhm. Bei reinen Spannungsfolgern sind Ausgangswiderstände von einigen wenigen Ohm ohne Probleme zu realisieren. Die Grenze wird hier in der Regel durch die zur Verfügung stehende Betriebsspannung und die gewünschte Stromaufnahme definiert.

1.3 Der "schlechte" Impedanzwandler

Gibt es eigentlich einen "schlechten" Impedanzwandler? Nun eigentlich nicht! Jeder Schaltung, die einen unterschiedlichen Ein- und Ausgangswiderstand aufweist, ist immer auch ein Impedanzwandler. Das kann im Prinzip jeder Verstärker sein. Aber es gibt Impedanzwandler, die für den Einsatz und die Bedürfnisse in der Elektrogitarre nur bedingt oder gar nicht geeignet sind!

Als Kriterien sind hier in erster Linie ein zu kleiner Eingangswiderstand sowie eine mangelnde Treiberfähigkeit zu nennen. Aber auch der teilweise recht hohe Ausgangswiderstand einiger Vorverstärker (Preamps) ist in der Regel kontraproduktiv. Solche Impedanzwandler sind dann tatsächlich "schlecht"... für die Elektrogitarre, denn sie lösen die anstehenden Probleme nicht, sondern verschärfen sie manchmal sogar!

1.4 Die Belastung der Elektrogitarre

Verbindet man eine Elektrogitarre mit einem Verstärker oder Effektgerät, dann wird aus elektrotechnischer Sicht eine Last hinzugefügt. Diese besteht in der Regel aus dem Eingangswiderstand der Schaltung, der als Rin bezeichnet wird, und der Kapazität CK des Instrumentenkabels. Natürlich besitzt der Verstärker ebenfalls eine Eingangskapazität, die aber vergleichsweise gering ist und daher vernachlässigt wird. Beide Komponenten liegen parallel zum Ausgang der Gitarre und sorgen für eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und eine Verringerung der Güte. Sie tragen daher zum "Klang" einer passiven Elektrogitarre entscheidend bei!

Über das Instrumentenkabel kann man notfalls Bücher schreiben und viele Hersteller machen aus den Eigenschaften ihrer Produkte ein ähnlich großes Geheimniss, wie die Hersteller von Tonabnehmern aus ihren "sagenhaften" Pickups. Für unsere Belange ist nur die Kabelkapazität oder besser gesagt der Kapazitätsbelag von Interesse. Alle weiteren Größen können im Audio-Bereich getrost vernachlässigt werden!

Der Kapazitätsbelag hängt in erster Linie vom Abstand des Innenleiters zum Schirm und vom dazwischen befindlichen Isolationsmaterial ab. Also, je dicker das Kabel, desto geringer der Kapazitätsbelag. Bei gängigen Instrumentenkabeln kann man als Daumenwert 100pF pro Meter ansetzen. Die Kapazität des Kabels ist dann das Produkt aus Kapazitätsbelag und Kabellänge.

Der Eingangswiderstand von Gitarrenverstärkern beträgt heute typisch 1MOhm und bei Effektgeräten findet man in der Mehrzahl einen Eingangswiderstand von 470kOhm. Weitere Details zu diesem Thema sind im Artikel "Ein- und Ausgangsschaltungen von Effektgeräten und Verstärkern" nachzulesen.


2. Probleme der passiven Elektrogitarre

2.1 Das klangliche Kernproblem

Eingangswiderstand und Kabelkapazität führen zu einer Veränderung der Resonanz. Grundsätzlich gilt: Je länger das Kabel, desto größer die Kapazität, desto kleiner die Resonanzfrequenz und desto "weicher" der Klang!

Prinzipiell ist gegen diese Belastung nichts einzuwenden. Im Gegenteil! Ohne eine bestimmte kapazitive Last würde die Elektrogitarre ziemlich farblos klingen, da die Leerlaufresonanz der Tonabnehmer in der Regel im Bereich von 10kHz oder mehr liegt. Ein "Stück" Kabel muß folglich sein! Gängige Werte liegen hier zwischen 300pF und 800pF.

Das Kabel beeinflußt also den Klang der Elektrogitarre. Wenn man immer mit dem gleichen Kabel spielt, dann wird man in der Regel nichts Böses ahnen und mit dem klanglichen Ergebnis zufrieden sein. Wer jedoch Zuhause mit einem 2m langen Kabel musiziert und sich dort an dem schönen drahtigen Sounds seiner Stratocaster erfreut, wird gar nicht mehr erfreut sein, wenn es im Probenraum plötzlich viel mittiger klingt. Tja, 7m Kabel haben eben eine deutlich höhere Kapazität und schon sind sie futsch, die schönen Höhen! Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?

2.2 Der "Höhenklau" und die Lautstärke

Jeder kennt es: Man verringert die Lautstärke an der Gitarre und gleichzeitig verschwinden die Höhen! Ursache ist immer die große Kabelkapazität und der Widerstand des Lautstärkeeinstellers (Volume). Eine genauere Erklärung für dieses Verhalten findet sich im Artikel "Die Lautstärkeeinstellung in der Elektrogitarre".

Alle normalen passiven Schaltungstricks basteln nur ein wenig an den Symptomen herum. Die Ursache beseitigen sie jedoch nicht! Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?

2.3 Ja wer klopft denn da?

Sound-Check: Der Onkel steht auf der Bühne und "schüttelt" sein Kabel aus. Es gibt ein polterndes Geräusch!

"Sach ma, is dein Kabel mikrofonisch? Kann ja wohl nich angeh'n!"

Tontechniker sind mit ihrer Kritik manchmal gnadenlos, aber Recht hatte er leider schon! Mikrofonie und Klopfempfindlichkeit sind Eigenschaften, die bei den meisten Instrumentenkabeln in unterschiedlicher Ausprägung vorhanden sind. Ursache ist eine Kapazitätsänderung die entsteht, wenn sich der Abstand zwischen dem Innenleiter und der Abschirmung verändert. Ein Tritt oder Schlag ist da häufig schon ausreichend.

Dieses Problem zu lösen, gleicht der Quadratur des Kreises. Um den Abstand zwischen Abschirmung und Innenleiter zu fixieren, sind festere Materialien gefordert, aber darunter leidet die Flexibilität des Kabels, was bei den Musikern ebenfalls nicht auf der Wunschliste steht. Teure Kabel versprechen da zumindest Linderung, wie aber diverses Tests zeigen, ist ein hoher Verkaufspreis noch lange keine Garantie für eine geringe Mikrofonie.

"Tools4Music" veröffentlichte im Mai 2005 einen Kabeltest, in dem ausgerechnet zwei hochpreisige Kabel von Klotz und Planet Waves bezüglich der Mikrofonie die hintersten Ränge belegten. Ein billiges Kabel von Adam Hall für ein Drittel des Preises der "hochwertigen" Konkurrenz lag da überraschend an der Spitze! Mit der Mikrofonie von Kabeln muß man also irgendwie leben. Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?

2.4 Rauschen und andere elektrische Lästigkeiten

Rauschen, Zischen, Knistern, Brummen - Der Äther ist voller elektrischer Signale, die von Musikern nicht gern gehört werden. Da hilft nur eine vernünftige Abschirmung der Signalwege! Gute Instrumentenkabel haben daher einen koaxialen Aufbau. Die Signalleitungen werden durch einen schlauchförmigen Außenleiter umschlossen, der mit der Schaltungsmasse verbunden wird und so als Abschirmung dient.

Abbildung 2: Aufbau eines Koaxkabels

Ordentliche Kabel überzeugen hier mit einem Schirmungsmaß von mehr als 110dB! Aber wie schon bei der Mikrofonie ist ein hoher Preis ebenfalls kein Garant für ein hohes Schirmungsmaß!

Leider ist nichts für die Ewigkeit gemacht! Auch kein Instrumentenkabel! Häufiges Auf- und Abrollen, Tritte oder gar Knicke können die Abschirmung schnell und dauerhaft beschädigen. Auf das bei Antennenkabeln zu findende Abschirmungsgeflecht - eventuell sogar mit einer zusätzlichen leitenden Folie - wird bei Instrumentenkabeln aus Gründen der Flexibilität und des Preises häufig verzichten. Ein kleiner Knick und schon hat sich die Abschirmung verschoben und das Kabel hat ein "elektrisches Loch". Dann heißt es wieder: "Freie Bahn für Rauschen, Zischen, Knistern, Brummen...!"

Besitzer schlechter Kabel haben es da leichter, denn sie haben sich daran bereits gewöhnt. Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?

2.5 Ich möchte mehr "Höhen" haben! Welchen Tonabnehmer soll ich kaufen?

Da ist sie wieder, die typische Frage, die man wohl täglich und weltweit in diversen Internetforen in mehrfacher Ausfertigung lesen kann. Sie wird insbesondere von Gitarristen gestellt, deren Instrumente über sogenannte "High-Gain-Pickups" verfügen. Das, was in diesem Fall aus elektrischer Sicht notwendig ist, ist eine Vergrößerung der Resonanzfrequenz und - unter Umständen - eine Erhöhung der Resonanzspitze. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es zwei Möglichkeiten:

  1. Eine Verringerung der Induktivität. Das erreicht man in der Regel nur durch einen neuen Tonabnehmer mit sogenanntem "Vintage Output". Sie haben in der Regel deutlich geringere Windungszahlen und klingen daher "heller". Meistens sind sie jedoch auch deutlich leiser!
     
  2. Eine Verringerung der Kapazität. Diese Lösung ist mit passiven Mitteln schwer, wenn nicht gar unmöglich, denn sie läuft auf eine Verringerung der Kabelkapazität hinaus. Ein Kabel mit einem deutlich geringeren Kapazitätsbelag, ist da sicherlich ein Schritt in die richtige Richtung, wird aber nicht ganz das Ziel erreichen können, denn wer möchte schon mit einem Kabel von 1,2m Länge (ca. 120pF) spielen, wenn 7m aus praktischen Gründen erforderlich sind?

Wer sich mit einer aktiven Lösung schwer tut, der wird wohl um den Kauf eines anderen Tonabnehmers nicht umhin kommen. Aber das kostet... Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?


3. Der Impedanzwandler, die eierlegende Wollmilchsau

Die im letzten Abschnitt angesprochenen Probleme sind evident. Die ultimative Lösung ist der Einsatz eines Impedanzwandlers nicht, aber er kann in allen Fällen die Situation deutlich verbessern. Sehen wir uns das einmal genauer an:

3.1 Der Einfluß der Last

Aufgrund der sehr geringen Rückwirkung entkoppelt der Impedanzwandler - wie auch jeder andere Verstärker - die Gitarre von der Kabelkapazität und dem Eingangswiderstand des folgenden Gerätes. Sie werden durch die Eingangskapazität und den Eingangswiderstand des Impedanzwandlers ersetzt. Die äußere Belastung hat jetzt also keinen Einfluß mehr auf den Klang der Gitarre! Diesbezüglich spielt es also keine Rolle mehr, wie lang das Kabel und wie klein der Eingangswiderstand des Verstärkers ist!

Da der Impedanzwandler eine vergleichsweise geringe Eingangskapazität aufweist (typisch 5pF - 10pF), ergibt sich eine deutlich höhere Resonanzfrequenz. Es klingt dann "heller" und vielleicht sogar etwas spitz. "Tja, die Transistoren, die klingen halt sch..."

Nein! Dem Tonabnehmer fehlt jetzt nur seine gewohnte kapazitive Last! Benutzt man zum Beispiel 6m "Sommer The Spirit" als Kabel, dann sind das 468pF. Also schaltet man einen Folienkondensator von 470pF parallel zum Eingang des Impedanzwandlers und alles ist gut. Dieser Lastkondensator emuliert quasi das Kabel.

Als Eingangswiderstand benutzt man den Wert des Verstärkers. Also 1MOhm oder 470kOhm. Zusammen mit dem Lastkondensator hat man für den Tonabnehmer dann die gleiche elektrische Belastung hergestellt und der daraus resultierende Klang ist unabhängig vom verwendeten Kabel. Ist es nicht schön, daß dieses Problem nicht mehr auftritt?

Natürlich kann man den Lastkondensator und den Eingangswiderstand auch dazu benutzen, um den Klang zu verändern. Eine geringere Kapazität macht den Klang "heller", eine größere "weicher". Jetzt noch einen Drehschalter mit verschiedenen Kondensatoren und fertig ist der sogenannte "C-Switch". Weitere Details zur Klangeinstellung mit dem Lastkondensator sind in Guitar-Letter II zu finden.

Dem "Höhenklau" hat man auf diese Weise leider auch nichts entgegenzusetzen. Zumindest solange sich der Lautstärkeeinsteller "vor" dem Impedanzwandler oder die Lastkapazität sich "hinter" dem Lautstärkeeinsteller befindet. Aber wer sagt denn, daß das so bleiben muß? Die kapazitive Last wird doch nur vom Tonabnehmer benötigt. Also verschieben wir den Lastkondensator einfach "vor" den Lautstärkeeinsteller und dann kann man wieder sagen:

Ist es nicht schön, daß dieses Problem nicht mehr auftritt?

3.2 Das Klopfproblem

Im Betrieb wird die Kabelkapazität immer irgendwie aufgeladen. Verändert sich diese Kapazität, so ist eine Spannungsänderung die Folge. Das "sieht" unser Impedanzwandler aber gar nicht gerne, denn er ist - im besten Fall - ein Spannungsfolger, der seinem Ausgang die am Eingang anliegende Spannung aufprägt. Durch seinen sehr geringen und variablen Ausgangswiderstand kann sich die Kabelkapazität nur noch auf sehr geringe Spannungen aufladen und wenn sich dann eine Spannungsänderung durch eine Kapazitätsänderung (Tritt oder Schlag) ergibt, gibt es von unserem Impedanzwandler prompt "eins auf den Deckel"! Ohne seinen Willen ändert sich die Spannung am Ausgang also nicht und wenn doch, dann wird eben "nachgelegt", bis die gewünschten Verhältnisse wieder hergestellt sind und das auch noch schnell!

Mein "klopfendes" Klotzkabel ist in Kombination mit meinen aktivierten Instrumenten mucksmäuschenstill, was jetzt auch für unseren Tontechniker gilt.

Ist es nicht schön, daß dieses Problem nicht mehr auftritt?

3.3 Das Abschirmungsproblem

"Keine Telefonkabel auf der Bühne!" Da war er wieder, unser Tontechniker. Bleich und misstrauisch betrachtet er den Onkel, der gerade ein Spiralkabel auspackt. Irgendwie sehen die Dinger ja cool aus, aber natürlich hat der "Toni" wieder mal Recht. Aus elektrischer und mechanischer Sicht sind diese Kabel einfach eine Katastrophe. Einmal überdehnt, ist mit Sicherheit die Abschirmung im Eimer und die Kabelkapazität... Nun ja, es gibt solche und solche, aber ein Kapazitätsbelag von bis zu 300pF/m ist dann doch etwas zu viel!

Abbildung 3: Das gefürchtete Spiralkabel

Heute werden Spiralkabel angeboten, die angeblich deutlich besser sind, als ihre Ahnen aus den frühen 80er Jahren. Das mag schon sein, aber leider gilt das nicht für das Kabel, welches der Onkel aus seiner Kiste geholt hat! Dieses Relikt aus seiner Jugend schreit nach 30 Jahren geradezu: "Störungen aller Welt kommt zu mir!"

"Toni" ist jedoch sehr erstaunt, denn zusammen mit der Cimar 2070 des Onkels breitet sich eine vergleichsweise wohlige Stille aus. Nichts mit "Rauschen, Zischen, Knistern, Brummen"! Wie kommt das?

Nun, nichts geht über eine gute Abschirmung, aber es ist auch nichts perfekt! Wenn elektrische Störungen in ein System eingedrungen sind, ist das Kind zwar in den Brunnen gefallen, aber noch nicht sofort ertrunken! Es gibt also noch einen Rettungsring und der heißt: Verringerung der Störempfindlichkeit.

Elektrische Störungen beziehen sich eigentlich immer auf das Erdpotential. Die verursachten Störströme in den Signalleitungen eines Kabels versuchen also, auf einem möglichst einfachen und leichten Weg dorthin zu gelangen. Führt dieser Weg über den Eingangswiderstand eines Verstärkers, dann sorgt der entstehende Spannungsabfall dafür, daß diese Störungen wirklich störend in Erscheinung treten. Sie sind umso größer, je größer der Wert des Eingangswiderstandes ist. Aus diesem Grunde ist ein großer Eingangswiderstand also schlecht, aber als Abschluß für den Tonabnehmer sind kleine Eingangswiderstände auch schlecht, denn sie dämpfen die Resonanz! Und nun?

Am Eingangswiderstand eines Verstärkers kann man in der Regel nicht viel machen, aber ein Kabel hat bekanntlich zwei Enden und so fließt ein Teil des Störstromes auch über den Ausgangswiderstand der treibenden Schaltung gen Erde. Man muß nur dafür sorgen, daß dieser Widerstand deutlich kleiner ist, als der Eingangswiderstand des Verstärkers und schon fließen die störenden Elektronen in der Mehrzahl nicht mehr zum Verstärkereingang. Folge: Die Größe der hörbaren Störung hat sich verringert!

"Hoppla, kleiner Ausgangswiderstand? Das hat doch unser Impedanzwandler!" Sehr richtig! Der niederohmige Ausgangswiderstand eines Impedanzwandlers schließt die Störströme quasi kurz und dämpft so die Störungen in ihrer Wirksamkeit. Der sogenannte "Geräusch-Abstand" ist dabei proportional zum Quotienten aus Eingangswiderstand und Ausgangswiderstand. Also, je kleiner der Ausgangswiderstand, desto größer der Signal-Geräusch-Abstand!

Durch einen niederohmigen Ausgangswiderstand wird die Störempfindlichkeit der gesamten Schaltung also herabgesetzt und die Wirkung der Störungen stark verringert.

Ist es nicht schön, daß dieses Problem nicht mehr (so stark) auftritt?

3.4 Mehr "Höhen" will ich haben,...

Wie war das doch gleich mit der Resonanzfrequenz und dem Impedanzwandler? In 3.1 war zu lesen:

Da der Impedanzwandler eine vergleichsweise geringe Eingangskapazität aufweist, ... ergibt sich eine deutlich höhere Resonanzfrequenz.

Wenn wir also die notwendige Lastkapazität zur Nachbildung des Kabels verringern, erhalten wir eine höhere Resonanzfrequenz!

Ein bekannter Vertreter der "Bösen Buben" ist der Epiphone HOTCH, der auf vielen Epis an der Stegposition eingesetzt wird. Eine Last von 6m "Sommer The Spirit", ein Lastwiderstand von 1MOhm sowie Volume und Tone mit 500kOhm bescheren ihm eine Resonanz bei 1,7kHz mit einer Spitze von nur 2,6dB. Da ist's also wirklich Essig mit den Höhen!

Eine kapazitive Last von 180pF in Kombination mit einer Tonblende (500kOhm) und einem Eingangswiderstand von 2,7MOhm schieben die Resonanz dann auf 2,57kHz bei einer Spitze von 5,9dB. So kann er klanglich dann durchaus mit dem "P-490" aus den 90er Jahren mithalten. Der Lautstärkeeinsteller muß in diesem Fall hinter den Impedanzwandler, da sonst diese hohe Resonanzspitze nicht erreicht werden kann! Einen neuen Tonabnehmer zu kaufen, ist also nicht zwingend erforderlich!

Ist es nicht schön, daß dieses Problem nicht mehr auftritt?

3.5 Ist es nicht schön,...

... daß unser kleiner Impedanzwandler so viele Probleme löst? Da muß doch einfach jeder einen in seiner Gitarre haben, aber... Tja, in der Praxis verharrt die Mehrzahl der Elektrogitarren aus schaltungstechnischer Sicht leider immer noch in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts. Wie kommt das bloß? Hier ein paar Argumente:

Der Impedanzwandler benötigt eine Energiequelle!

Ja, das ist richtig und die dafür genutzten Batterien oder Akkus fürchten die meisten Gitarristen - zumindest die Vertreter der sechs- oder siebensaitigen Fraktion - wie der Teufel das Weihwasser. Schließlich ist so eine Batterie immer im unpassenden Augenblick leer! Allerdings reißen auch Saiten immer im unpassenden Augenblick! Dann greift der Musiker ohne Probleme in seine Kiste und zieht eine neue Saite auf oder er hat eine Ersatzgitarre auf der Bühne. Da wird ja wohl auch noch Platz für eine Ersatzbatterie sein oder?

By the way. Was ist eigentlich mit den Metall-Fans und ihren EMG-Pickups, mit den unzähligen Bassisten, die seit Jahrzehnten aktive Schaltungen in ihren Instrumenten verwenden und mit den Batterien in den Effektgeräten eines Gitarristen? Man sieht, das Batterie-Argument zieht nicht wirklich und scheint eher vorgeschoben zu sein!

In meiner Gitarre ist kein Platz für eine Platine und eine Batterie!

Ja, das kann schon sein. Im E-Fach einer Telecaster geht es recht eng zu, aber machbar ist es schon. Wenn man den Impedanzwandler geschickt aufbaut, reicht eine Platine von 1,5cm x 1,5cm. Die paßt sozusagen unter jedes Poti. Die 335er und ihre Verwandten verfügen zwar über ausreichenden Platz, aber aufgrund der schlechten Zugangsmöglichkeiten ist der Tausch einer Batterie leider sehr aufwändig. Bei der Paula, der Stratocaster oder vergleichbaren Instrumenten läßt sich jedoch immer eine vernünftige Lösung finden. Dieses Argument ist also nicht allgemeingültig!

Der Impedanzwandler macht den Sound schlecht!

"Stimmt, denn der Impedanzwandler verwendet Transistoren und die klingen ja sch..." Wer das glaubt, ist selber schuld! Natürlich kann eine Transistorschaltung schlecht klingen, aber das kann jede elektronische Schaltung; auch eine, die mit Röhren aufgebaut ist! Man muß sich nur "Mühe" geben!

Eine zu geringe oder gar fehlende kapazitive Last führt zu einem "dünnen" Sound. Ein zu kleiner Eingangswiderstand "vernichtet" die Resonanz und macht den Klang farblos. Zu kleine Aussteuerbereiche an Ein- und Ausgang oder eine mangelnde Treiberleistung erzeugen unerwünschte Verzerrungen. Ja, es gibt schon eine Menge Möglichkeiten, um einen Verstärker wie den Impedanzwandler schlecht klingen zu lassen. Aber das liegt dann nicht am Transistor, sondern an der Schaltung und der fachlichen Unfähigkeit ihres Entwicklers!

Wer einfach eine Schaltung aus dem Internet "zusammenhaut", ohne wirklich über ihre Funktion informiert zu sein, darf sich über schlecht klingende Ergebnisse nicht wundern! Auch wenn man einen Impedanzwandler schon mit vier bis sechs Bauteilen aufbauen kann und das ganze sehr simpel anmutet, steckt der Teufel im Detail der Dimensionierung und im Erkennen der entsprechenden Notwendigkeiten! Fertige Bausätze, wie sie von einigen Herstellern angeboten werden, garantieren da nicht unbedingt eine bessere Performance. Gerade weil diese Schaltungen leicht und schnell aufgebaut werden können und dann auch irgendwie funktionieren, vergißt man schnell, sich um die aus klanglicher Sicht wesentlichen elektrischen Eigenschaften zu kümmern!

Aus der HiFi-Technik kennen wir Verstärker mit einer Bandbreite bis zu 100kHz und Klirrfaktoren weit unterhalb von 0,2%. Die Firma Analog Devices gibt für den Operationsverstärker AD711 einen gesamten Klirrfaktor von 0,0003% an. Der neue LM4562 von National Semiconductor bietet sogar 0,00003%! Verstärker mit solchen Eigenschaften kommen dem Ideal dann schon sehr nahe und sind wirklich nicht mehr zu "hören" - sprich, sie klingen nicht!

Das Argument mit dem "schlechten Sound" zieht also nur, solange man mit ungeeigneten elektrischen Eigenschaften oder Schaltungen arbeitet. Aber, kaum macht man es richtig, funktioniert es auch! Also, dieses Argument ist auch nicht wirklich bestechend!

Der Impedanzwandler macht die Dynamik kaputt!

Ja, die Sache mit der Dynamik! Gerade von Tonabnehmern ist ja immer wieder zu lesen, dieser oder jener hätte eine bessere Dynamik. Besser als was eigentlich? Einem passiven Tonabnehmer kann man eine ganze Menge von Eigenschaften zuordnen. Dynamik gehört leider nicht dazu!

Moderne Operationsverstärker bieten bei einer Betriebsspannung von 9V einen typischen Aussteuerbereich von ±2,8V. Ein diskret aufgebauter Emitterfolger ermöglicht bei der gleichen Betriebsspannung sogar bis zu ±4,2V! Die Dynamik unseres Tonabnehmersignals (ja, die gibt es wirklich, aber sie wird durch die Spielweise des Musikers bestimmt) wird nur dann eingeschränkt, wenn dieser Aussteuerbereich überschritten wird!

Selbst die kräftigsten passiven Tonabnehmer liefern unter extremsten Bedingungen kaum mehr als einen Spitzenwert von 3V. Im Normalfall bleibt man weit darunter. Damit wird die "Dynamik" also keinesfalls eingeschränkt. Es sei denn, man dimensioniert die Schaltung falsch, sodas ein deutlich geringerer Aussteuerbereich zur Verfügung steht. Aber damit sind wir dann wieder bei dem unfähigen Entwickler!

Ein Verstärker in der Gitarre rauscht!

Ja, aktive Schaltungen erzeugen leider immer ein gewisses Maß an Rauschen! Gerade dem ersten Verstärker innerhalb einer Signalverarbeitungskette kommt diesbezüglich eine besondere Bedeutung zu, denn das von ihm erzeugte Rauschen wird ja munter von den nachfolgenden Stufen mitverstärkt. Bei einem Eingangsverstärker achtet man daher auf besonders geringes Rauschen! Hier stehen als erstes die verwendeten Bauelemente im Fokus:

  • Kohlewiderstände rauschen stärker als Metallschichtwiderstände,
     
  • Widerstände mit größerem Wert rauschen stärker, als solche mit kleinerem Wert,
     
  • MOS-Transistoren rauschen im NF-Bereich stärker als bipolare Transistoren,
     
  • bipolare Transistoren rauschen im NF-Bereich stärker als Sperrschicht-FETs

Bei Transistoren besteht darüber hinaus eine Abhängigkeit zwischen dem erzeugten Rauschen und dem Strom im Arbeitspunkt. Man kann generell sagen, daß die Stromaufnahme umso höher ist, je geringer das Rauschen eines Verstärkers ist. Der bekannte Operationsverstärker TL061 nimmt zwar nur 200µA auf, rauscht dafür jedoch schon ein wenig. Möchte man das Rauschen um den Faktor 2,3 verringern, dann greift man zum TL081 aus dem gleichen Hause. Der benötigt mit 1,4mA dann aber schon siebenmal soviel Strom!

Man sieht, daß hier wieder jede Menge "Fettnäpfchen" existieren, deren Aufsuchen dann mit hohem Rauschen bezahlt wird. Es ist jedoch egal, ob dieses Rauschen durch die Eingangsstufe eines billigen Effektgerätes mit schlechtem Design oder mit einem ebenso schlecht entwickelten Vorverstärker direkt in der Gitarre erzeugt wird! Na also, da ist er wieder, unser unfähiger Entwickler!

Wer beim Schaltungsentwurf und bei der Auswahl der Bauelemente auf geringes Rauschen achtet, kann heute ohne große Probleme sehr rauscharme Schaltungen erstellen. Rauschen beim Impedanzwandler muß also nicht sein!

3.6 Fazit

Bei allen angesprochenen Problemen stellt der Impedanzwandler eine Lösung dar oder er verbessert zumindest die Situation. Die Gegenargumente sind, eine vernünftige Dimensionierung vorausgesetzt, durch die Bank weg haltlos!


4. Das Anforderungsprofil des Impedanzwandlers

4.1 Spannungsversorgung

Leider benötigt unser Impedanzwandler eine Spannungsversorgung. Eine wichtige Angabe ist dabei die minimalen Betriebsspannung bei der die Schaltung noch einwandfrei ihre Funktion erfüllen muß. In der Elektrogitarre sowie in den dazu gehörenden Effektgeräten wird in der Regel eine 9V-Batterie vom Typ 6LR61 eingesetzt. In dieser Bauform gibt es auch entsprechende Akkus.

Beim Einsatz dieser Akkus muß man jedoch Vorsicht walten lassen, denn die Nennspannung einer Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Zelle ist mit 1,2V deutlich geringer, als die einer Zink-Kohle- und Alkali-Batterie, welche eine Spannung von 1,5V liefert. Um eine Spannung von 9V zu erreichen, werden in der 9-Volt-Batterie sechs Zellen in Reihe geschaltet. Der gleiche Ansatz führt bei einem Akku dann zu einer Nennspannung von nur 7,2V, was deutlich zu gering ist. Aus diesem Grunde enthalten die entsprechenden Akkus heute in der Regel sieben Zellen, was zu einer Spannung von 8,4V führt. Aber auch das ist für viele Anwendungen noch zu gering und so gibt es seit einiger Zeit Akkus mit acht Zellen, die dann mit einer Spannung von 9,6V aufwarten.

Dieses Verfahren hat jedoch auch seinen Preis, denn um die notwendige Anzahl von Zellen in dem genormten Gehäuse unterbringen zu können, muß die Kapazität der einzelnen Zellen verringert werden. Bei Batterien kann man typisch von einer gesamten Kapazität von 500mAh bis 700mAh ausgehen. Moderne Akkus mit sieben Zellen liegen im Bereich bis 250mAh und die 9,6V-Typen liegen mit rund 200mAh leicht darunter.

Akkus und Batterien haben ein gemeinsames Problem: Die Selbstentladung! Die Ursache dafür sind chemische Nebenreaktionen oder interne Kurzschlüsse in den Zellen.

Tabelle 1: Selbstentladung von Batterien und Akkus

Technologie Type Selbstentladung pro Jahr bei 20C Bemerkung
Alkali-Mangan Batterie 4% Zur Zeit der Standard in Sachen Batterie
Zink-Kohle Batterie 7%-10% Veralteter Batterie-Typ
Nickel-Cadmium Akku 15%-20% Seit 2009 ist der Verkauf wegen des Schwermetallgehaltes in Deutschland für die meisten Anwendungen verboten.
Nickel-Metallhydrid Akku 15%-100% Momentan der Standard-Akku für viele Anwendungen.

Für den Einsatz in der Gitarrenelektronik kommen im Grunde nur Alkali-Batterien oder NiMH-Akkus in Frage. Selbst wenn die geringere Zellenspannung der Akkus kein Problem darstellt, werden sie häufig ungern eingesetzt, denn aufgrund der wesentlich größeren Selbstentladung ist der Zeitraum ihrer Einsatzbereitschaft deutlich geringer, als der von Alkali-Batterien!

Seit einiger Zeit gibt es jedoch sogenannte "NiMH-Akkumulator mit geringer Selbstentladung" (LSD-NiMH), die ursprünglich von Sanyo entwickelt wurden. Hier wird ein neues Kathodenmaterial verwendet, welches den Effekt der Selbstentladung stark verringert und der Zelle darüberhinaus eine deutlich größere Tieftemperaturfestigkeit beschert. Sie werden im Allgemeinen vorgeladen geliefert und können sofort eingesetzt werden. Nachteilig ist ihre etwas geringere Kapazität.

Welchen Zellentyp man letztendlich einsetzt, ist eine Frage der persönlichen Anforderungen. Die folgende Tabelle gibt einen groben Überblick über Preise und technischen Daten verschiedener "9-Volt-Quellen". Sie erhebt natürlich keinen Anspruch auf Vollständigkeit und stellt, insbesondere für den Preis, nur eine partielle Momentaufname einiger weniger Händler dar.

Tabelle 2: Technische Daten und Preis für "9-Volt-Quellen" im Vergleich (Stand 13.07.2010)

Hersteller Bezeichnung Typ Spannung Kapazität Preis
Ansmann maxE NiMH 9V Akku Akku 8,4V 250mAh 12,75€
Tecxus Ready-To-Use Akku, 9-Volt Block Akku 8,4V 200mAh 7,20€
Varta Ready-To-Use Akku, 9-Volt Block Akku 8,4V 200mAh 9,95€
Ansmann maxE NiMH 9V Akku Akku 8,4V 200mAh 7,60€
GP ReCyKo+ 9-Volt-Block Akku 8,4V 155mAh 8,95€
Tecxus 9V-Block Akku Akku 8,4V 280mAh 8,40€
Ansmann 9V-Block Akku Akku 8,4V 250mAh 12,45€
GP 9-Volt-Block Akku 8,4V 200mAh 6,90€
Noname 9V-Block Akku Akku 8,4V 200mAh 4,85€
Panasonic 6LR61X/1BP Batterie 9V - 2,40€
GP Ultra Plus, 9-V Block Batterie 9V - 1,95€
Energizer 9-Volt-Block Batterie 9V - 1,80€
Panasonic 9 Volt Block Batterie 9V 572mAh 1,60€
Ansmann Red 9-Volt Batterie 9V - 1,48€
Duracell Alkaline-Batterie 6LR61 Batterie 9V - 1,20€

Neben der Nennspannung von Akku oder Batterie, ist auch die sogenannte Entladeschlußspannung von Interesse. Als "Hausnummer" kann für beide Energiequellen in etwa von einem Volt pro Zelle ausgegangen werden.

Setzen wir voraus, daß nur Batterien oder moderne Acht-Zellen-Akkus verwendet werden, so muß man von einer minimalen Betriebsspannung von 8V ausgehen. Möchte man den Sieben-Zellern auch noch eine Chance geben, dann sind 7V angesagt. In diesem Fall kann es aber schon zu Problemen mit dem gewünschten Aussteuerbereich kommen.

Nach oben hin wird die Spannungsversorgung in der Regel nur von den Grenzwerten der verwendeten Bauelemente bestimmt. Bei Operationsverstärkern sind das in der Regel 30V. In der Praxis wird man in der Gitarre aber selten mehr als zwei 9V-Batterien finden, sodas inklusive Toleranz eine maximale Spannungsfestigkeit von 20V ausreichend ist. Im Hinblick auf den maximalen Aussteuerbereich genügt allerdings schon eine Betriebsspannung von 9V.

4.2 Der Aussteuerbereich

Unser Impedanzwandler (und allgemeine die meisten Verstärker) soll eine Wechselspannung übertragen. Das heißt, die Spannung wird im Zeitverlauf mal positiv und mal negativ (Abbildung 4a). Die meisten Halbleiter, also auch Transistoren, lassen den Strom jedoch nur in eine Richtung fließen und sperren in Gegenrichtung. Dadurch wird eine Halbwelle unseres Nutzsignals quasi abgeschnitten. Das Signal wird verzerrt (Abbildung 4b) und das will keiner haben! Das Signal darf also niemals kleiner als 0 werden!

Abbildung 4: Arbeitspunkt und Aussteuerung

Abhilfe schafft ein kleiner Trick: Man addiert zum Eingangssignal einfach eine Gleichspannung (Abbildung 4c). Dadurch überlagern sich beide Spannungen und das Resultat ist eine pulsierende Gleichspannung, die vom Transistor verarbeitet werden kann (Abbildung 4d).

Im Beispiel hat das Eingangssignal eine Amplitude von 1, das heißt, die Spannung schwankt um ±1. Addiert man eine Gleichspannung von 1, so ist die Schwankung zwar immer noch ±1, aber absolut betrachtet schwankt die Spannung jetzt zwischen 0 und 2.

Man erkennt: Solange die Eingangsamplitude kleiner ist als die Gleichspannung, sind keine Verzerrungen zu befürchten! Damit legt die Gleichspannung also fest, wie groß die Amplitude des Signals maximal werden darf!

Aber, als ob das noch nicht genug des Ärgers wäre, gibt es, neben dieser "Null-Grenze", noch eine weitere Limitierung, die im Bild nicht eingezeichnet wurde: Die zur Verfügung stehende Betriebsspannung!

In unserem Beispiel würde theoretisch eine Betriebsspannung von 2 ausreichen. Die Praxis sieht jedoch etwas anders aus, denn die Transistoren benötigen eine bestimmte Spannung für ihren eigenen Bedarf. Real muß die Betriebsspannung also etwas größer sein. Aber bleiben wir bei der schönen Theorie.

Im Allgemeinen definiert man den Arbeitspunkt bei der halben Betriebsspannung, damit in beide Richtungen gleich weit ausgesteuert werden kann. Damit ist auch klar, wie groß die Signalamplitude maximal sein kann: Sie darf den Betrag der halben Betriebsspannung nicht überschreiten!

Wer in der Spezifikation seines Geräts etwas anderes schreibt, der erzählt entweder nicht die Wahrheit oder er hat noch ein Ass im Ärmel, wie eine interne Vergrößerung der Betriebsspannung (Stichwort: Ladungspumpe). So eine Schaltung ist jedoch aufwändig und teuer und wird daher aus diesem und anderen Gründen selten eingesetzt.

Die zur Überlagerung notwendige Gleichspannung wird in der Praxis durch den sogenannten Arbeitspunkt festgelegt. Hier gibt es eine Ruhespannung U0 nebst dazugehörenden Ruhestrom I0, die ohne Aussteuerung zu messen sind. Beide Größen müssen so dimensioniert sein, daß bei der gewünschten maximalen Aussteuerung keine Begrenzungen entstehen! Dies gilt wohlgemerkt für Spannung und Strom!

Bei Verstärkern muß man zwischen einem Aussteuerbereich am Eingang und am Ausgang unterscheiden, die nicht zwingend gleich sind. Insbesondere bei einfachen diskreten Schaltungen, wie dem bipolaren Spannungsfolger, können sie auch voneinander abhängig sein. In der Folge ergeben sich dort zwei voneinander abhängige Arbeitspunkte. Dazu ein kurzes Beispiel:

Am Ausgang eines bipolaren Spannungsfolgers, dem Emitter, wird man eine Ruhespannung mit dem Betrag der halben Betriebsspannung UBat festlegen. Also UE0 = 0,5 * UBat.

Da das Potential an der Basis UB um den Betrag der Basis-Emitter-Spannung UBE größer ist, wird UB0 = UBE + UE0 = UBE + 0,5 * UBat.

Damit wird der mögliche Aussteuerbereich an der Basis aber unsymmetrisch. Er beträgt nach "Oben": UBat - UB0 = 0,5 * UBat - UBE

und nach "Unten": UBE + UE0 = UBE + 0,5 * UBat.

Nach "Oben" ist also etwas weniger Platz! Damit ist der Eingangsaussteuerbereich von 0,5 * UBat - UBE die limitierende Größe. Steuert man mit der halben Betriebsspannung aus, dann wird die Schaltung am Eingang übersteuert!

Der Aussteuerbereich an Ein- und Ausgang sind also wichtige Kenngrößen für einen Verstärker. Eine angenommene Verstärkung von 10 klingt zunächst wunderbar. Auch ein theoretischer Aussteuerbereich von ±1Vs am Eingang ist prima. Am Ausgang ist die Amplitude dann 10 * ±1Vs = ±10Vs. Der gesamte "Hub" beträgt also 20Vss. Ob man das bei einer Versorgungsspannung von 9V wohl schafft?

Wer mitgedacht hat, kann sich die Antwort leicht selber geben...

4.3 Die Treiberleistung

Kommen wir nun zu einer weiteren sehr wichtigen Eigenschaft unseres Impedanzwandlers, die gerne vernachlässigt wird: Seine Treiberleistung. Was ist darunter zu verstehen?

Die Elektrogitarre liefert über ihre Tonabnehmer eine Wechselspannung mit einer bestimmten Amplitude. Da der Impedanzwandler eine Verstärkung von (annähernd) 1 besitzt, entsteht diese Spannung natürlich auch an seinem Ausgang. Kapazitive Last und der Eingangswiderstand des Verstärkers bilden zusammen eine Impedanz, einen frequenzabhängigen Widerstand. Ihr Betrag ist umso geringer, je größer die Frequenz ist.

Im Audiobereich wird in der Regel von einem maximalen Frequenzbereich bis 20kHz ausgegangen. Für die Elektrogitarre reichen jedoch meist schon 10kHz aus. Man muß dann also fordern, daß der Impedanzwandler in der Lage ist, bis zu dieser Frequenz einen der Spannung adäquaten Strom durch die angeschlossene Last zu treiben. Gelingt das nicht, sind Stromverzerrungen die unabdingbare Folge!

Für die kapazitive Last legen wir fest, daß sie 1nF nicht überschreitet, was einer maximalen Kabellänge von 8 bis 12 Metern entspricht. Diese Länge sollte für die meisten Anwendungsfälle mehr als ausreichend sein.

Zur Bestimmung der notwendigen Treiberleistung geht man am besten vom schlechtesten Fall aus. Wir nehmen einen Eingangswiderstand von 19kOhm an (zu finden zum Beispiel im "Screaming Bird"), einen Lautstärkeeinsteller von 25kOhm, eine Frequenz von bis zu 20kHz sowie eine Ausgangsamplitude von 1V, was unter Umständen schon zu klein sein kann. Zusammen mit der festgelegten kapazitiven Last von 1nF ergibt sich dann ein Spitzenwechselstrom von gut 157µA, den die Schaltung liefern können muß!

Die zu fordernde Spezifikation lautet also:

Maximale Ausgangsspannung: 1Vs an 14kOhm und 1nF bei 20kHz

Kleinere Spannungen, größere Widerstände sowie kleiner Kapazitäten sind kein Problem. Alles andere ist außerhalb der Spezifikation und sorgt für Verzerrungen!

Messungen an einem Fender Noiseless haben unter extremen Bedingungen Spannungen bis zu einem Spitzenwert von 2,5V ergeben. Man kann davon ausgehen, daß High-Gain-Humbucker diesen Wert unter gleichen Bedingungen noch einmal überschreiten. Wer also ganz sicher sein will, der rechnet mit 3V. Dann ist sogar ein Spitzenwechselstrom von 470µA zur verzerrungsfreien Übertragung notwendig!

Roland gibt für das "GT-6" einen "Nominal Output Level" von 0dBu an, was einer effektiven Wechselspannung von 775mV und einem Spitzenwert von 1V entspricht. Geht man davon aus, daß die betreffenden Entwickler nicht wissentlich Verzerrungen in Kauf nehmen, so scheint man mit diesem Spannungswert im Normalfall auf der sicheren Seite zu sein.

Um alle möglicherweise auftretenden ohmschen Belastungen erfolgreich treiben zu können, sollte man einen minimalen Lastwiderstand von 10kOhm fordern, was auch gängige Praxis bei den meisten Effektgeräten ist. Damit hätten wir die Anforderungen an die Treiberfähigkeit unseres Impedanzwandlers zusammen und wir können jetzt das gesamte Anforderungsprofil festlegen.

4.4 Das Anforderungsprofil

Ein Impedanzwandler, der in der Elektrogitarre unter allen Bedingungen erfolgreich eingesetzt werden soll, muß folgende Anforderungen erfüllen:

Tabelle 3: Anforderungsprofil des Impedanzwandlers

  Symbol min. typ. max. Bemerkung
Betriebsspannung UB 7V 9V 20V  
Eingangswiderstand RL 470kOhm 1MOhm 5MOhm Der Eingangswiderstand des Impedanzwandlers dient als Last für den Tonabnehmer und wird deshalb als RL bezeichnet.
Eingangskapazität Cin - - 10pF  
Eingangsspannung Uin 1Vs
(0dBu)
- 3Vs
(8,7dBu)
Der minimale Wert scheint gängige Praxis für viele Effektgeräte zu sein. Der maximale Wert schließt Übersteuerungen zuverlässig aus.
Spannungsverstärkung v 0,97
(-0,26dB)
1
(0dB)
- Natürlich ist auch eine größere Spannungsverstärkung denkbar. Das hat dann aber Einfluß auf die Aussteuerbereiche und die minimale Betriebsspannung.
Ausgangsspannung Uout 1Vs
(0dBu)
- 3Vs
(8,7dBu)
Der minimale Wert scheint gängige Praxis für viele Effektgeräte zu sein. Der maximale Wert schließt Übersteuerungen zuverlässig aus.
Lastwiderstand Rin 10kOhm - - Hier ist der Eingangswiderstand des nachfolgenden Verstärkers gemeint.
Kabelkapazität CK - 1nF - Der typische Wert entspricht einer Kabellänge von 8 bis 12 Metern. Größere kapazitive Lasten habe eine erhöhte Stromaufnahme zur Folge oder sie verringern den Aussteuerbereich am Ausgang.
Grenzfrequenz fg 10kHz - 20kHz  

In der Schaltungspraxis wird man diesen teilweise doch sehr weiten Bereich nicht immer abdecken können, ohne Kompromisse einzugehen. Wenn es also um eine optimierte Lösung geht, wird man die Anforderungen in geeigneter Weise einschränken müssen.

Ein wichtiges Ziel ist zum Beispiel die Stromaufnahme, denn von ihr hängt unmittelbar die mögliche Einsatzdauer ab. Bei einer Stromaufnahme von 250µA und einer gängigen Batterie kann man in etwa von 2000 Stunden ausgehen. Bei einem Akku mit 200mAh sind es dann nur noch 800 Stunden, was aber immerhin noch 33 Tage Dauerbetrieb bedeutet.


5. Nebensächliches

5.1 Bypass oder bye Bypass?

Viele Gitarristen, die eine aktive Schaltung in ihr Instrument einbauen, sehen einen sogenannten "Bypass" vor. Verwendet man dazu einen zweipoligen Umschalter, dann kann die betreffende Baugruppe vollständig aus dem Signalweg entfernt werden. Dieses Prinzip wird als "True-Bypass" bezeichnet und gerade in Effektgeräten als das Nonplultra angesehen.

Abbildung 5: Einfacher Bypass (links) und True-Bypass (rechts)

Bei einem Verstärker oder Effektgerät macht das vieleicht Sinn, denn dann kann man mit Hilfe des Schalters zwischen zwei verschiedenen Betriebsarten hin- und herschalten. Und wenn die "böse" Batterie in der Gitarre einmal unverhofft erschöpft sein sollte (wie kann sie nur?), kann man ja passiv weiterspielen.

Auch das Stromsparen in Spielpausen ist eine häufige Begründung für den dann einfachen Bypass. Der freiwerdende Schalter wird dabei zum Einschalten der Betriebsspannung genutzt. Manchmal geht diese ehrbare Absicht aber auch nach hinten los! Mehr als ein Gitarrist hat sein Instrument eingeschaltet in den Koffer gelegt und sich dann bei der nächsten Probe gewundert...

Nebenbei bemerkt, erfolgt das Einschalten häufig auch nicht geräuschlos, da die Schaltung ja erst einmal "einlaufen" muß. Ein wenig Zischeln und Blubbern ist da schon drinne! In derben Fällen gibt es auch ein lautes und vernehmliches "Knack", für das sich der Tontechniker nach dem Auftritt mit Sicherheit "erfreut" bedanken wird.

Für den Impedanzwandler macht ein solcher Schalter wenig Sinn, denn er bietet lediglich die Wahl zwischen Gut und Schlecht! Im passiven Betrieb addiert sich unter Umständen die Lastkapazität CL zur Kabelkapazität CK. Sind beide gleich groß, dann verdoppelt man auf diese Weise die gesamte kapazitive Last des Tonabnehmers. In der Folge liegt die Resonanzfrequenz dann bis zu 40% tiefer, als es im normalen passiven Betrieb der Fall wäre! Aus "Mittig" wird dann schnell "Dumpf"! Darüber hinaus wird die Anzahl der benötigten Bauelemente unötig vergrößert, denn es werden zusätzlich einige Pulldown-Widerstände zur Verhinderung eines Schaltknacks benötigt.

Statt des Schalters benutzt man lieber den bekannten Trick mit der Stereobuchse zum Einschalten der Betriebsspannung. Kabel drinne, Strom an! So einfach ist das und erspart ein zusätzliches Loch in der Gitarre!

Zum Thema Bypass kann man in diesem Fall also nur sagen: "Bye Bypass!"

5.2 Mach doch mal die Lampe an!

Ein Tritt und das Effektgerät ist an und tut der Welt seine Aktivität durch eine kleine Statusleuchte kund. Wenn sich etwas verändert, macht das durchaus Sinn, aber beim Impedanzwandler verändert sich ja nichts. Er ist einfach nur aktiv! Konsequenterweise müßte eine solche Anzeige also immer leuchten! Der Informationsgehalt ist allerdings gering, denn wenn der Impedanzwandler nicht arbeiten würde, wären Verzerrungen die Folge oder man würde gar nichts hören. Wozu also?

Ach ja! Da wäre dann noch das Argument: "Ich bin cool, ich hab 'ne blaue Leuchte in meiner Gitarre!"

Nun gut, wer es unbedingt braucht...

... sollte jedoch nicht vergessen, daß auch eine Leuchtdiode Strom zum Betrieb benötigt. Die großen LEDs mit 5mm Durchmesser erwarten typisch 10mA. Die kleinen 3mm Low-Current-Typen sind da mit 2mA etwas genügsamer.

Ein Impedanzwandler, der die in Tabelle 3 aufgestellten Anforderungen erfüllt, erfordert im Durchschnitt einen Versorgungsstrom von 0,5mA. Je nachdem, welcher LED-Typ verwendet wird, ist die Stromaufnahme für die eigentliche Funktion also um den Faktor 4 bis 20 geringer, als der LED-Strom. Sehen wir uns dazu die verschiedenen möglichen Laufzeiten bei einer Batterie mit einer Kapazität von 500mAh an:

Tabelle 4: Laufzeit des Impedanzwandlers mit Leuchtdioden

LED Gesamte Stromaufnahme Laufzeit (Dauerbetrieb)
- 0,5mA 1000h (41,7 Tage)
3mm 2,5mA 200h (8,3 Tage)
5mm 10,5mA 47,6h (2 Tage)

Wo wir gerade mal dabei sind, rechnen wir noch etwas weiter und gehen von einer täglichen Betriebszeit von 2 Stunden aus: Das wären dann also 730 Stunden im Jahr. Ohne LED reicht eine Batterie dann für 16,4 Monate. Mit der 3mm-LED reicht es dann für 3,3 Monate und wer es besonders groß braucht, muß schon nach 0,8 Monaten eine neue Batterie einlegen. Im Vergleich zur Sparversion werden dann 20 zusätzliche Batterien benötigt. Macht ja nichts! Bei einem Batteriepreis von 1,60 € sind das ja nur 32 Euronen oder 6 bis 7 Sätze Saiten!

Na, geht uns da ein Lichtlein auf?


6. Verschiedene Einsatz-Szenarien

Es gibt innerhalb der Vielzahl von Elektrogitarren unterschiedliche Schaltungskonzepte, denen beim Einsatz eines Impedanzwandlers Rechnung getragen werden muß. Besonders die Unterbringung der notwendigen Lastkapazität als Ersatz für die Kapazität des Instrumentenkabels und die Treiberleistung muß hier beachtet werden.

In den folgenden Schaltbildern wird grundsätzlich ein einspuliger Tonabnehmer dargestellt. Selbstverständlich kann statt dessen auch ein Humbucker oder mehrere verwendet werden. Sie finden dann an PU2 und PU3 Anschluß. Die "äußere" Last der Elektrogitarre, Kabelkapazität CK und der Eingangswiderstand Rin, wird in Blau dargestellt. Der beim Einsatz eines Impedanzwandlers notwendige Ersatz dieser beiden Größen, die Lastkapazität CL und der Lastwiderstand RL, sind grundsätzlich rot.

Schauen wir uns einmal fünf verschiedene Möglichkeiten an:

6.1 Das Telecaster-Setup

Die Telecaster gilt als die erste massive Elektrogitarre. Ihre Schaltung ist im Normalfall recht einfach: Zwei Tonabnehmer, die mit Hilfe eines Tonabnehmerwahlschalter einzeln oder zusammen gespielt werden können. Dazu eine Tonblende und ein Lautstärkeeinsteller, die auf beide Tonabnehmer wirken. Natürlich könnte man sich hier auch einen Schalter mit drei Tonabnehmeranschlüssen vorstellen, hat man aber - zumindest bei Fender damals (noch) - nicht gemacht. Der Onkel kann sich das schon vorstellen!

Ein Impedanzwandler läßt sich hier ohne großen Aufwand integrieren. Er wird einfach an den Schleifer des Lautstärkeeinstellers angeschlossen, wie das folgende Bild zeigt:

Abbildung 6: Telecaster-Setup

Der Widerstand RL soll den Eingangswiderstand Rin des Verstärkers ersetzen. Von daher wird er unmittelbar am Schleifer des Lautstärkeeinstellers, parallel zum Eingang des Impedanzwandlers, angeschlossen und wirkt so auf beide Tonabnehmer.

Für die Lastkapazität CL kann man sich von ähnlichen Überlegungen leiten lassen und sie parallel zu RL unterbringen. Das ist jedoch eine schlechte Lösung, denn dann bleibt einem der bekannte "Höhenklau" beim Verringern der Lautstärke erhalten! Also muß dieser Kondensator vor den Lautstärkeeinsteller. Er kann in der Praxis einfach parallel zu den beiden äußeren Anschlüssen des Lautstärkeeinstellers angeschlossen werden.

Wenn keine Effektgeräte mit niederohmigem Eingangswiderstand verwendet werden, kann man bei der Treiberfähigkeit großzügig sein. Es reicht dann aus, wenn der Impedanzwandler eine ohmsche Last von 400kOhm treiben kann. Dadurch läßt sich die Stromaufnahme der Schaltung etwas verringern.

Möchte man mit Hilfe von RL die Spitze der Resonanz vergrößern, so wird man keinen besonders großen Effekt feststellen. Bei Potentiometern mit einem Kennwiderstand von 250kOhm erzeugt eine Vergrößerung von RL von 1MOhm auf 5MOhm eine Erhöhung von etwa 1dB. Das ist zwar wahrzunehmen, aber der "große Wurf" ist das leider nicht. Für mehr ist die Belastung durch die beiden Potentiometer zu groß.

Abhilfe läßt sich da nur schaffen, wenn der Lautstärkeeinsteller "hinter" den Impedanzwandler verlegt wird. Dann geht plötzlich "die Sonne" auf und aus einer Spitze von 4,2dB werden leicht 9dB. Das ist dann schon "scharf, wie eine Rasierklinge!" Wer's braucht... Wie die Schaltung dann aussehen kann, zeigt das folgende Bild:

Abbildung 7: Modifiziertes Telecaster-Setup

Das Potentiometer PV sollte jetzt jedoch ausgewechselt werden, denn wenn man an der neuen Stelle 250kOhm einsetzt, dann ist er wieder da, der "Höhenklau"! Also, hier ist ein Potentiometer mit einem Kennwiderstand von 25kOhm gefordert und alles wird gut! Bei einer vorgesehenen kapazitiven Last von 1nF bleibt im schlechtesten Fall immer noch eine obere Grenzfrequenz von gut 13kHz übrig. Das reicht für das Spektrum der Elektrogitarre locker aus!

Durch die Verschiebung des Lautstärkeeinstellers vergrößert sich jedoch die zu treibende Last. Geht man von einem Eingangswiderstand von 470kOhm aus, den beträgt die gesamte ohmsche Last 23,7kOhm. Mit ein wenig Reserve sollte die Treiberfähigkeit also mindestens 20kOhm betragen.

Diese beiden Setups lassen sich auch für viele Superstrats verwenden, die lediglich über eine Tonblende und einen Lautstärkeeinsteller verfügen.

6.2 Das Strat-Setup

Die Stratocaster ist wohl die am meisten gebaute Elektrogitarre überhaupt. Ihre elektrische Schaltung unterscheidet sich von der der Telecaster nicht wesentlich. Neben dem einzigen Lautstärkeeinsteller spendierte Leo Fender dieser Gitarre sogar zwei Tonblenden. Nur der "arme Kleine" am Steg darf die Welt weiterhin ungebremst mit seinen schrillen Höhen "erfreuen"!

Auch hier läßt sich der Impedanzwandler leicht hinzufügen. Er wird wieder einfach an den Schleifer des Lautstärkeeinstellers angeschlossen, wie das folgende Bild zeigt:

Abbildung 8: Strat-Setup

Aus dem schon genannten Grund liegt die Lastkapazität CL wieder parallel zum Lautstärkeeinsteller und RL sitzt unmittelbar dahinter. Beide wirken auf alle Tonabnehmer. Bezüglich der Vergrößerung der Resonanzspitze gilt das gleiche, wie beim Telecaster-Setup. Wer hier mehr möchte, verfährt einfach wie folgt:

Abbildung 9: Modifiziertes Strat-Setup mit verschiedenen Tonblenden und einer Lautstärkeinstellung

Hier behält jeder Tonabnehmer weiterhin seine Tonblende und die beiden Lasten CL und RL können für alle Tonabnehmer gemeinsam genutzt werden. Bei Bedarf kann CL durch einen C-Switch ersetzt werden und ermöglicht so verschiedene Klänge. Dazu muß dann aber eine der beiden Tonblenden geopfert werden. Damit erhält man das modifizierte Telecaster-Setup von Abbildung 7. Selbstverständlich muß für PV dann wieder ein Potentiometer mit einem Kennwiderstand von 25kOhm verwendet werden!

6.3 Das Paula-Setup

Neben der Strat und der Tele von Fender gehört die Les Paul zu den bekanntesten Elektrogitarren. Sie dient hier als Vertreter der klassischen HH-Gitarre. Jeder ihrer beiden Tonabnehmer verfügt über eine eigene Tonblende und einen eigenen Lautstärkeeinsteller. Danach folgt ein Tonabnehmerwahlschalter, der die drei bekannten Kombinationen ermöglicht.

Der Impedanzwandler kann unmittelbar am "Ausgang" des Wahlschalters untergebracht werden. Das sieht dann so aus:

Abbildung 10: Paula-Setup mit Impedanzwandler

Der Widerstand RL wird unmittelbar nach dem Tonabnehmerwahlschalter, parallel zum Eingang des Impedanzwandlers, untergebracht und wirkt so auf beide Tonabnehmer.

Für die Lastkapazität CL gelten die schon bekannten Überlegungen. Sie muß vor dem Lautstärkeeinsteller untergebracht werden. Damit verschieben wir die kapazitive Last aber auch vor den Tonabnehmerwahlschalter. Aus diesem Grund muß jeder Tonabnehmer einen eigenen Lastkondensator erhalten.

Eine Erhöhung der Resonanzspitze erreicht man wieder mit einem modifizierten Setup. Dabei wird der Lautstärkeeinsteller wieder "hinter" den Impedanzwandler verlegt. Allerdings muß man dann die gesamte Schaltung der Gitarre umstellen und einen Lautstärkeeinsteller opfern. Das ist unter Umständen gar nicht so verkehrt, denn statt dessen kann man prima einen C-Switch einbauen. Wie es aussehen kann, zeigt das folgende Bild:

Abbildung 11: Modifiziertes Paula-Setup mit verschiedenen Tonblenden und einer Lautstärkeinstellung

"Hoppla, das ist doch..." Ja richtig, dieses modifizierte Paula-Setup entspricht exakt dem modifizierten Strat-Setup aus Abbildung 9. Weitere Erklärungen erübrigen sich daher.

6.4 Niederohmige Einsteller

Es gibt einige - häufig alte - Tonabnehmer von relativ unbekannten Herstellern, die sehr starke Verluste aufweisen. Eine Resonanz kommt da manchmal gar nicht zustande. Möchte man hier etwas "Farbe" ins Spiel bringen, dann kann man nur die Belastung des Tonabnehmers soweit wie möglich verringern. Dazu verschiebt man nicht nur den Lautstärkeeinsteller, sondern auch die Tonblende hinter den Impedanzwandler. Auf diese Weise erreicht man bei den meisten dieser Sensoren doch noch Resonanzspitzen von 3dB bis 6dB. Es kann schon sehr überraschend sein, wie so ein alter Tonabnehmer dann plötzlich zu leben beginnt!

Abbildung 12: Niederohmige Einsteller

Dieses Vorgehen hat jedoch Konsequenzen:

  1. Die Tonblende arbeitet jetzt nur noch als reiner Tiefpaß. Die in Kapitel 1 des Artikels "Die Klangeinstellung in der Elektrogitarre" beschriebene Ausprägung der Endresonanz unterbleibt völlig, da der Tone-Kondensator ja durch den Impedanzwandler vom Tonabnehmer getrennt ist. Dieses Verhalten weisen prinzipbedingt alle Tonblenden von aktiven Tonabnehmern auf.
     
  2. Damit die Tonblende richtig funktioniert, muß der Impedanzwandler einen definierten Ausgangswiderstand haben. Bei den aktiven Tonabnehmern von EMG ist das 10kOhm.
     
  3. Der Ausgangswiderstand des Impedanzwandlers bildet mit den beiden Potis einen Spannungsteiler, der in etwa eine Dämpfung von 5dB verursacht. Das ist fast eine Halbierung!
     
  4. Aufgrund der größeren ohmschen Belastung sollte die Schaltung mindestens 10kOhm treiben können.

Das ganze ist also ein wenig unschön! Insbesondere die Halbierung des Signalpegels wird nicht für Frohsinn sorgen. Hier wäre also eine Schaltung mit den grundsätzlichen Eigenschaften eines Impedanzwandlers und einer zusätzlichen Spannungsverstärkung von 2 wünschenswert!

6.5 Aktivierter passiver Tonabnehmer

"Ich möchte einen EMG 81 an der Steg-Position einsetzen, aber meinen passiven Neck-Pickup behalten. Geht das?"

Solche oder ähnliche Fragen findet man immer wieder. Grundsätzlich kann man beide Tonabnehmertypen gefahrlos miteinander kombinieren, aber aufgrund der unterschiedlichen Impedanzniveaus sollte man das dann doch nicht so einfach machen!

"Einfach so" wird der niedrige Ausgangswiderstand eines aktiven Tonabnehmers in der Zusammenschaltung die Resonanz eines passiven Tonabnehmers vollständig dämpfen. Darüber hinaus kann eine grundsätzliche Signaldämpfung von bis zu 6dB locker die Folge sein. Kaputt macht man mit solchen Aktionen allerdings nichts; vom Klang einmal abgesehen.

Um eine, aus elektrotechnischer Sicht, saubere Zusammenschaltung zu ermöglichen, müssen die Impedanzen angepaßt werden und da niederohmig aus verschiedenen Gründen die bessere Wahl darstellt, muß man dem hochohmigen passiven Tonabnehmer eine kleinere Impedanz verpassen; die klassische Aufgabe für einen Impedanzwandler!

In einer Les Paul verfährt man dann gemäß dem folgenden Schaltbild und kann die "alten" Bedienelemente des passiven Tonabnehmers weiter nutzen:

Abbildung 13: Aktivierter passiver Tonabnehmer in einer Les Paul

Auch in dieser Schaltungsvariante benötigt der Impedanzwandler einen definierten Ausgangswiderstand von 10kOhm. Andernfalls belastet er das Signal der aktiven Tonabnehmer im Falle der Zusammenschaltung zu stark! Damit wird jedoch auch wieder eine Verstärkung von 2 fällig!

Wer will kann natürlich auch niederohmige Einsteller verwenden. Für die Wirkungsweise der Tonblende, den Ausgangswiderstand und die notwendige Verstärkung gelten die entsprechenden Aussagen aus 6.4.

Abbildung 14: Aktivierter passiver Tonabnehmer mit niederohmige Einstellern

In einer Gitarre mit Master-Volume und Master-Tone, wie der Telecaster, geht das natürlich auch:

Abbildung 15: Aktivierter passiver Tonabnehmer mit niederohmige Master-Einstellern

Bezüglich seines Ausganges verhält sich der aktivierte passive Tonabnehmer jetzt wie ein aktiver Tonabnehmer.

6.6 Fazit

Man erkennt an diesen Beispielen, daß die an den Impedanzwandler zu stellenden Anforderungen durchaus unterschiedlich sein können. Besonders der "Positionierung" der Lastkapazität sollte man Aufmerksamkeit widmen. Die unlängst zu lesende Aussage

Die klangbeeinflussenden Bauelemente (Kondensator-Umschalter) nach dem Impedanzwandler anordnen.

ist schlicht und ergreifend falsch, wenn damit ein Lastkondensator oder gar ein sogenannter "C-Switch" gemeint ist! Aber auch ein einfaches Verschieben der Tonblende ohne eine entsprechende Anpassung der Dimensionierung wird Einfluß auf die Funktion haben.

So einfach ein Impedanzwandler zunächst auch anmutet, am Ende ist es doch ein Stück Elektrotechnik, das seine "segensreiche" Wirkung nur entfaltet, wenn es richtig eingesetzt wird. Wer nicht bereit ist, sich mit der Problematik ein wenig zu beschäftigen und stattdessen die Komponenten wie Lego nach Belieben aneinanderreiht, darf sich über schlechte Ergebnisse nicht wundern!


7. Die verschiedenen Technologien

Ein Impedanzwandler läßt sich auf verschiedene Weisen realisieren. Als passive Lösung ist in erster Linie ein Übertrager zu nennen. Er ist jedoch eine vergleichsweise teure und manchmal auch große Lösung. Geeignete Trafos sind keineswegs Standardware und müssen daher speziell angefertigt werden, was sich nachteilig auf den Preis auswirkt. Daneben kann man auch Anpassungsnetzwerke wie die Pi- oder T-Schaltung verwenden. All diese passiven Lösungen haben jedoch den großen Nachteil, daß sie nicht rückwirkungsfrei sind oder eine schlechte Entkopplung bieten. Sie scheiden daher für unseren Anwendungsfall eindeutig aus!

Bei den aktiven Lösungen unterscheidet man zwischen diskreten Schaltungen, die mit Hilfe von Transistoren aufgebaut werden und solchen die mit integrierten Schaltungen wie dem Operationsverstärker arbeiten.

7.1 Impedanzwandler als diskrete Schaltung

Impedanzwandler in diskreter Schaltungstechnik haben den großen Vorteil, daß sie mit sehr wenigen Bauelementen auskommen und folglich entsprechend klein sein können. Grundsätzlich kann man alle bekannten Transistortypen verwenden. Also, den bipolaren Transistor, den Sperrschicht-FET und den MOS-FET. Aufgrund seines erhöhten Rauschens im Niederfrequenzbereich scheidet der MOS-FET eigentlich aus, man findet ihn jedoch trotzdem in einigen Boostern. Sehen wir uns einmal die beiden verbleibenden Lösungen an:

Abbildung 16: Diskreter Impedanzwandler mit bipolarem Transistor (links) und Sperrschicht-FET (rechts)

Beide Schaltungen sind vom Aufbau her im Grunde genommen identisch. Allerdings fällt auf, daß die FET-Variante mit weniger Bauelementen auskommt. Sie hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Steuerung leistungslos erfolgt und somit sehr große Eingangswiderstände möglich sind. Dieser Eingangswiderstand wird nur durch den Widerstand Rg bestimmt. Aber wir wollen auch die Nachteile nicht verschweigen:

  1. Aufgrund der geringen Steilheit der FETs sind nur geringe Verstärkungen möglich, die typisch bei nur 0,85 (-1,5dB) liegt. Im schlechtesten Fall kann es auch nur 0,5 (-6dB) sein. Darüber hinaus streuen die Parameter eines FET leider ziemlich stark. Glauben Sie nicht? Gut, dann werfen Sie mal einen Blick in "Die FET-Vergleichsliste".
     
  2. Der Aussteuerbereich am Eingang hängt von der Abschnürspannung des Transistors ab. Leider wieder ein Parameter, der starken Streuungen unterworfen ist!

Aufgrund dieser Streuungen ist es in den meisten Fällen nicht sinnvoll, für so eine Schaltung eine Dimensionierung anzugeben. Die Wahrscheinlichkeit, daß die Parameter des gekauften FET nicht zur restlichen Dimensionierung passen und es beim Nachbau dann nicht so optimal klappt, ist nicht gerade gering. Hier hilft es dann nur, daß man die Parameter des FET bestimmt und die Schaltung anschließend entsprechend dimensioniert. Damit scheidet ein einfacher Nachbau für einen Nichtelektroniker eigentlich aus!

Einen Impedanzwandler mit bipolarem Transistor findet man sehr häufig. Aufgrund der großen Stromverstärkung ist auch die Steilheit deutlich größer, als beim FET. Damit erreicht man durchaus Spannungsverstärkungen von 0,95 und mehr. Für die Anwendung in der Elektrogitarre hat dieses Konzept jedoch auch so seine kleinen Schwachstellen:

  1. Der Eingangswiderstand ist in der Regel nicht besonders groß. Er wird von den drei Widerständen und der Stromverstärkung des Transistors bestimmt und ist immer kleiner als die Parallelschaltung aus RB1 und RB2. Damit ist der Eingangswiderstand also auch von den streuenden Eigenschaften des Transistors abhängig. Sehr unschön!
     
  2. Große Eingangswiderstände erreicht man nur, wenn man eine große Stromverstärkung B und einen großen Emitterwiderstand RE benutzt. Das geht jedoch zu Lasten des Rauschens. Darüber hinaus senkt ein großer Emitterwiderstand die Treiberfähigkeit der Schaltung. Hier muß man also immer einen Kompromis zwischen Eingangswiderstand und Treiberfähigkeit finden. Zwar kann man den Eingangswiderstand mit Hilfe eines Bootstrapping vergrößern, aber dazu sind weitere Bauelemente notwendig.

Beide Schaltungen haben den großen Vorteil, daß es sich um echte Spannungsfolger handelt. Sie binden die Last also sehr fest an.

Grundsätzlich ist so ein realer Spannungsfolger jedoch nicht kurzschlußfest! Die Stromaufnahme wird im Moment des Kurzschlusses nur noch durch den vergleichsweise geringen Ausgangswiderstand des Transistors begrenzt und kann kurzfristig auf recht hohe Werte ansteigen, bist Ca vollständig geladen ist. Dabei können unter Umständen sowohl der maximale Strom, als auch die zulässige Verlustleistung des Transistors überschritten werden! Danach bleibt dieser Kondensator als einzige Last und verursacht so einen vergleichsweise moderaten Stromanstieg.

7.2 Impedanzwandler mit integrierter Schaltung

Der Operationsverstärker - kurz OP - ein Bauelement, welches als Verstärker die meisten Probleme schon intern gelöst hat, macht uns das Leben deutlich leichter. Die folgende Schaltung wurde im Artikel Impedanzwandler für die Elektrogitarre genauer beschrieben. Dort findet man auch die notwendigen Formeln zur Dimensionierung.

Abbildung 17: Einfacher Impedanzwandler mit Operationsverstärker

Kommen wir zu den Nachteilen dieser Schaltung:

  1. Da ist zunächst einmal der vergleichsweise geringe Aussteuerbereich zu nennen. Normale Operationsverstärker bieten bei einer Versorgungsspannung von 9V typisch einen Aussteuerbereich von ±2,8V. Größere Signalspannungen führen zu Verzerrungen und anderen Fehlfunktionen der Schaltung.
     
  2. Rauscharme Schaltungen benötigen leicht Ruheströme von mehr als einem Milliampere. Das ist schlecht für die Lebensdauer der Batterie.
     
  3. Aufgrund der Größe eines Operationsverstärkers und den notwendigen zusätzlichen Bauelementen, benötigt die Schaltung deutlich mehr Platz, als eine diskrete Lösung.
     
  4. Größere kapazitive Lasten können zum Schwingen der Schaltung führen. Diese Schwingung kann sogar hochfrequent und damit unhörbar sein, führt dann aber, aufgrund der entstehenden Erwärmung des Operationsverstärkers, zu einer thermischen Überlastung des aktiven Bauelementes.

Wer möglichst wenig rechnen möchte, findet mit dem Operationsverstärker eine sehr einfache Lösung, aber leider ist sie (auch) nicht so optimal, denn OPs sind eigentlich für größere Betriebsspannungen konzipiert!

7.3 Ungeeignetes

Wenn es mit der besten Wahl schon so schwierig ist, dann wird es im Umkehrschluß vermutlich sehr leicht sein, eine ungeeignete Wahl zu treffen. Hier ein paar Beispiele:

Bei Conrad findet man unter der Best.-Nr.: 195359 - 62 einen "UNIVERSAL-VORVERSTÄRKER - BAUSATZ", der im Zusammenhang mit der Gitarrenelektronik gerne ins Spiel gebracht wird und unter der Best.-Nr.: 114987 - 62 wird ein "UNIVERSAL-VORVERSTÄRKER-MODUL 9-24 V" angeboten. Bei einem Preis von 8,16€ für den Bausatz und 10,95€ für das fertige Modul lacht das Herz des elektrotechnisch unbedarften Gitarristen natürlich, denn schließlich ist Geiz ja geil!

Abbildung 18: Universal-Vorverstärker als Bausatz und Fertigmodul von Conrad

Für beide Produkte steht eine Dokumentation im PDF-Format zur Verfügung, die man sich vor einem Kauf besser ansehen sollte!

Bei dem Bausatz handelt es sich um einen zweistufigen Verstärker, dessen Eingangswiderstand je nach Transistor zwischen 1,2MOhm und 2,4MOhm schwankt. Das steht da zwar nicht (KO-Kriterium 1), aber wer mit der Materie befaßt ist, der kann das schnell abschätzen. Das klingt schon mal nicht so schlecht! Wer es jedoch gerne definiert möchte... Als Ausgangsschaltung wird eine Emitterstufe verwendet, deren Ausgangswiderstand in etwa 2kOhm beträgt. Die Vorteile eines echten Spannungsfolgers erhält man hier also nicht.

Durch die Über-Alles-Gegenkopplung ist die Verstärkung - und damit auch die Eingangsempfindlichkeit - einstellbar. Eine Aussteuerbereich von 600mV am Eingang wird in vielen Fällen ausreichend sein, bei starken Tonabnehmern jedoch zu Verzerrungen in den Spitzen führen. Geringere Empfindlichkeiten werden dieses Problem dann weiter verschärfen.

Kleinere Betriebsspannungen als 9V werden schnell zu Problemen führen, da der Arbeitspunkt stark von der Betriebsspannungen abhängig ist. Ein Betrieb mit Akkus ist daher ausgeschlossen!

Eine Stromaufnahme von bis zu 7mA ist für den Einsatz in der Elektrogitarre schlicht der Killer. Bei einer Kapazität von 500mAh wird dann nach rund 70 Betriebsstunden Schluß sein und last but not least ist die Platine viel zu groß! Also, dieses Produkt ist so schlecht nicht, aber es gibt deutlich bessere Lösungen!

Das Kemo-Modul ist ein Mikrofonvorverstärker. Über den Eingangs- und Ausgangswiderstand schweigt sich der Hersteller leider aus. KO-Kriterium 1, denn Mikrofonvorverstärker haben in der Regel einen Eingangswiderstand, der deutlich unter 100kOhm liegt!

Eine Eingangsspannung von 50mV werden auch schwache Tonabnehmer leicht erreichen. Folge: Verzerrungen! KO-Kriterium 2. Damit ist dieses Produkt für den Einsatz in der Elektrogitarre schlicht ungeeignet!

Beim Musikding findet man das Produkt "Der Buffer" als Bausatz für 10,50€. Hier hat man offensichtlich den Versuch unternommen, die eierlegende Wollmilchsau zu realisieren. Es sind Konfigurationen mit einem bipolaren Germanium- oder Siliziumtransistor möglich, aber auch eine mit einem Feldeffekttransistor. Von der Grundkonzeption handelt es sich um einen echten diskreten Spannungsfolger gemäß Abbildung 16. Prima, damit gelten die bereits in Abschnitt 7.1 getroffenen Feststellungen. Schnell noch einmal nachlesen!

In der bipolaren Variante ist der Eingangswiderstand kleiner als 110kOhm. KO-Kriterium 1. Über die Verwendung eines Germaniumtransistors wollen wir hier nicht reden, denn schließlich stehen Klirrfaktor und Rauschen nicht auf unserer Wunschliste! Bei Nutzung eines FET steigt der Eingangswiderstand auf akzeptable 500kOhm, die sich ohne Probleme auch vergrößern lassen. Gut! Das schon erwähnte Problem der geringen Spannungsverstärkung bleibt davon jedoch unberührt!

Ein Source-Widerstand von 3,3kOhm ist wunderbar. Es stellt sich allerdings die Frage, ob der dazu passende Feldeffekttransistor selektiert wurde oder ob das Ganze einfach "irgendwie" funktioniert? Angaben zur Treiberfähigkeit, sucht man hier leider auch vergeblich. Gleiches gilt für Aussteuerbereiche und Stromaufnahme, was gegen einen selektierten Transistor spricht.

Daß die Schaltung mit der parallelen Diode D1 über einen kriminellen aber weit verbreiteten Verpolungsschutz verfügt, sei hier nur am Rande erwähnt. Allein das ist für mich ein KO-Kriterium!

Unter dem Strich ist "Der Buffer" als FET-Impedanzwandler keine so schlechte Wahl. Das Optimum ist er allerdings auch nicht, insbesonders wenn man die Größe der Platine betrachtet.

Das häufig zitierte "Lineal" des gleichen Anbieters scheidet alleine aufgrund seines kleinen Eingangswiderstandes und seines geringen Aussteuerbereiches als Impedanzwandler aus!

Man sieht, ganz so einfach ist es mit dem Kauf von Bausätzen oder gar fertigen Geräten nicht. Bevor man vorschnell zum Kauf schreitet, sollte man immer alle zur Verfügung stehenden Informationen sichten und diese mit den eigenen Anforderungen abgleichen. Andernfalls ist ein Fehlkauf vorprogrammiert! Am Ende heißt es dann wieder: "Klingt sch..! Is ja klar, 'ne Transistorschaltung!"

7.4 Die beste Wahl...

... gibt es anscheinend nicht. Jedes der drei in 7.1 und 7.2 vorgestellten Konzepte bringt auch immer ein paar Nachteile mit sich. Am besten schneidet immer noch die diskrete Schaltung mit einem Sperrschicht-FET ab. Geringer Bauelementebedarf, hoher Eingangswiderstand, großer Aussteuerbereich sowie eine vom Eingangswiderstand unabhängige Treiberfähigkeit sind genau das, was wir brauchen, wenn... ja wenn die geringe Verstärkung nicht wäre! Was hier fehlt, ist eine Möglichkeit, die geringe Steilheit zu vergrößern.

Im Zuge der Arbeiten an diesem Artikel fand sich für dieses Problem eine Lösung: Der Transconductance-Multiplier. Seine Anwendung führt zu einem diskreten Super-FET, der das Beste aus beiden Welten in sich vereint. Hier die Vorteile in Kürze:

  1. Die Verstärkung ist in fast allen Fällen größer als 0,99 (-0,09dB).
     
  2. Verringerte Stromaufnahme um bis zu 50%!
     
  3. Erhöhte Treiberleistung.
     
  4. Geringerer Klirrfaktor aufgrund starker Linearisierung der Kennlinien und Class-A-Betrieb.

Es verbleibt das Problem, daß einige Bauteile selektiert werden müssen, was aber lediglich ein Problem für den Entwickler, jedoch nicht für den Anwender darstellt! Wie das ganze funktioniert, bleibt jedoch das Geheimnis des Onkels!

Wenn man die Schaltung mit einem vernünftigen Verpolungsschutz und Pull-Ddown-Widerständen zur Verhinderung von Schaltknacksen versieht, läßt sie sich immer noch mit einem vergleichsweise geringen Platzbedarf aufbauen, wie das folgende Bild zeigt:

Abbildung 19: Diskreter Impedanzwandler mit Super-FET und Verpolungsschutz

Ich habe dieses Schaltungskonzept mittlerweile in drei Instrumenten erfolgreich eingesetzt. Die Ergebnisse der theoretischen Berechnungen wurden durch eine Spice-Simulation und praktische Messungen bestätigt. Sehen wir uns einmal ein paar Konfigurationen an. Dabei wird von kapazitiven Belastung von 1nF bei einer maximalen Frequenz von 10kHz ausgegangen:

Tabelle 5: Verschiedene Konfigurationen des "Super-FET-Buffer"

UB Uout RLmin Stromaufnahme Bemerkung
3V 1Vs 10kOhm 593µA Bei dieser geringen Betriebsspannung kann die Energiversorgung mit Hilfe einer Lithiumzelle vom Typ CR2032 erfolgen. Aus der typischen Kapazität von 230mAh ergibt sich dann eine maximale Laufzeit von gut 350 Stunden. Diese kleine Batterie kann man nur wirklich überall unterbringen!
3V 1Vs 20kOhm 413µA Die Verringerung der Treiberleistung erhöht die Laufzeit mit einer CR2032 auf 508 Stunden.
3V 1Vs 130kOhm 263µA Diese Konfiguration treibt immerhin noch den Low-Input eines Röhrenverstärkers. Laufzeit mit einer CR2032: 800 Stunden.
7V 1Vs 10kOhm 212µA Betrieb mit einem 9V-Akku? Kein Problem! Aus der typischen Kapazität von 250mAh ergibt sich dann eine maximale Laufzeit von gut 1200 Stunden.
7V 1Vs 20kOhm 149µA Laufzeit mit einem 9V-Akku: 1670 Stunden.
7V 1Vs 130kOhm 96µA Laufzeit mit einem 9V-Akku: 2600 Stunden.

Man sollte sich, angesichts dieser teilweise sehr geringen Stromaufnahmen, jedoch nichts vormachen, denn mit steigender Ausgangsspannung steigt auch der Strombedarf der Schaltung. Soll die Schaltung 3Vs an der üblichen Last treiben, dann sind schon mal 2,5mA fällig! Reicht als minimale Betriebsspannung 8V, so kann man diesen Wert auf 1,4mA verringern.

"Wie, mehr Spannung hat weniger Strom zur Folge?"

Ja, das klingt merkwürdig, ist aber durch den Verlauf der Eingangskennlinie eines Sperrschicht-FETs zu erklären. Man kann bei höheren Versorgungsspannungen einfach Transistoren mit einer größeren Abschnürspannung verwenden. Dadurch ändert sich die Stromzunahme in der Nähe des Arbeitspunktes nur wenig.

7.5 Verpolungsschutz oder nicht?

Im Artikel Impedanzwandler für die Elektrogitarre bin ich bereits auf die Notwendigkeit eines Verpolungschutzes eingegangen. Braucht man ihn denn nun oder kann man nicht auch...?

Natürlich, man kann den Verpolungschutz auch weglassen. In der Gitarre wird man die Spannungsversorgung in den meisten Fällen mit Hilfe einer Stereo-Klinkenbuchse schalten. Steckt man den (Mono)-Stecker in die Buchse, wird die Batterie mit der Schaltung verbunden. Das ist praktisch!

Wer es sich angewöhnt hat, den Batteriewechsel nur bei gezogenem Stecker und damit bei ausgeschalteter Spannungsversorgung zu machen, der benötigt keinen Verpolungschutz! Vergißt man das jedoch und verpolt dann die Batterie... Tja, dann kann guter Rat teuer sein! Ein Spannungsfolger mit bipolarem Transistor gemäß Abbildung 16 wird das wohl nicht überleben, denn dann liegen über der Basis-Emitter-Strecke schnell -7 bis -8 Volt an. Leider erlauben die gängigen Kleinsignaltransistoren hier in der Regel nur -5V!

Schaltungen mit einem Sperrschicht-FET sind da wesentlich toleranter. Die üblichen -30V wird man in der Gitarre wohl kaum erreichen, aber spätestens, wenn eine Kombination aus beiden Transistortypen verwendet wird, ist das Problem wieder latent.

Also, man kann den Verpolungsschutz weglassen, wenn man gewillt ist, ein bestimmtes Risiko einzugehen. Wer jedoch gerne auf "Nummer Sicher" geht...

Natürlich "kostet" die vorgeschlagene Reihen-Diode immer ein wenig der kostbaren Betriebsspannung und verringert so den möglichen Aussteuerbereich, aber es geht auch anders. Ich verwendet zur Zeit einen MOS-FET, der im Betriebsfall lediglich einen Spannungsabfall von wenigen Millivolt verursacht und im Fehlerfall zuverlässig sperrt. Da sind auch -18V kein Problem!


Fazit

Der Einsatz eines Impedanzwandlers in der Elektrogitarre kann viele Probleme lösen oder zumindest die Situation verbessern. In drei der gezeigten Einsatzfälle ist die klassische Verstärkung von 1 vollkommen ausreichend. Ausgehend von dem Aussteuerbereich des "GT-6" scheint ein maximaler Aussteuerbereich von 1Vs zu genügen. Um wirklich auf der sicheren Seite zu sein, sind dann 3Vs gefordert.

In den meisten Fällen reicht es aus, daß diese Spannung an einem Widerstand von 400kOhm und einer kapazitiven Last von 1nF bei einer Frequenz von 10kHz geliefert werden kann. Um allen Anforderungen gerecht zu werden, muß der minimale Lastwiderstand auf 10kOhm verringert werden können.

Ein Impedanzwandler mit diesen Eigenschaften ist dann in der Gitarre wirklich nicht zu hören und so soll es ja auch sein, oder?

Aufgrund meiner "Forschungen" bin ich in der Lage, zielgerichtet einen entsprechenden Buffer für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle zu dimensionieren, aufzubauen und zu liefern. Wer Interesse an einer solchen Schaltung hat, findet hier eine Übersicht über das aktuelle Angebot.

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Leserkommentare zu diesem Artikel

Datum Quelle Kritiker

24.07.2010

GitarreBassBau.de

Stef

Also mich hast du überzeugt. Ich werd mir demnächst so'n Ding aufbauen, da mich die Problematik mit mikrofonischen Kabeln und unterschiedlich klingenden Kabeln schon immer nervt. Ich hab zwar was gegen Batterien in E-Gitarren, aber du hast auch da Recht

19.07.2010

GitarreBassBau.de

12stringbassman

Es ist mir, wie so oft eine Freude, Deine Artikel zu lesen!

05.07.2010

Musiker-Board

SickSoul

Super geschrieben und sehr informativ. Ist ja langweilig, dass deine Artikel immer "gleich" sind

29.06.2010

Gearbuilder.de

The Dude

Vielen Dank Ulf!
Das öffnet einem schon die Augen, in Sachen DIY ohne Hintergrundwissen.

29.06.2010

Guitarworld.de

FretNoize

Vielen Dank für den (wie gewohnt ) fantastischen Artikel!

25.06.2010

Musiker-Board

Rockin'Daddy

Very interesting uncle Ulf!
Auch so'n Thema, über das man sich als normaler Mucker eigentlich keinen Kopf macht, aber als Hintergrundwissen enorm hilfreich.



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