DerOnkel
HCA Elektronik Saiteninstrumente
Im Zusammenhang mit dem sogenannten "Lastkondensator" taucht auch immer wieder der Begriff "Impedanzwandler" auf. Ich habe mich daher entschlossen, an dieser Stelle ein paar Informationen zum Thema Impedanzwandler und Vorverstärker zusammenzustellen. Neben der Erklärung der Funktion gehört auch immer ein Schaltbild dazu, welches leicht nachgebaut werden kann.
Die Dimensionierung der Schaltungen werde ich nicht immer vorgeben. Ich halte es für wesentlich wichtiger, daß man weiß, wofür die einzelnen Komponenten gut sind und wie man sie dimensionieren muß, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Und los geht es...
1. Begriffsdefinition
Laut Wikipedia ist eine Impedanz der komplexe Wechselstromwiderstand eines linearen Zweipols.
Soweit so gut, aber was läßt sich daran wandeln?
Elektrotechniker teilen ihre Schaltungen in Zwei- und Vierpole ein. Ein Tonabnehmer ist ein Zweipol. Da er eine Quelle darstellt, sind die beiden Anschlussdrähte quasi der Ausgang eines Zweipols. Jedem Zweipol läßt sich ein sogenannter Innenwiderstand zuweisen, der natürlich auch komplex sein kann und somit eine Impedanz darstellt.
Wird der Zweipol mit einem weiteren Zweipol belastet, so wirken die beiden Widerstände als Spannungsteiler, der die Leerlaufspannung der Quelle verringert. Handelt es sich bei diesen Widerständen um Impedanzen, so ist diese Verringerung frequenzabhängig und es liegt ein sogenanntes Filter vor.
Ein Vierpol besteht quasi aus zwei Zweipolen, die intern miteinander verknüpft sind. Er hat also einen Eingang und einen Ausgang. Ein gutes Beispiel für einen passiven Vierpol ist der sogenannte Spannungsteiler. Aber auch ein einfacher passiver Tiefpaß ist ein solcher passiver Vierpol.
Ein Verstärker, zu denen auch die hier diskutierten aktiven Impedanzwandler zählen, ist ein aktiver Vierpol. Er hat, neben einem Eingangs- und einem Ausgangswiderstand, auch immer ein Übertragungsverhalten, welches beschreibt, wie sich eine Änderung der Eingangsgröße am Ausgang auswirkt.
Impedanzwandler gehören in die Gruppe der Anpassungsschaltungen. Um zu verstehen, was damit gemeint ist, jetzt ein kleines Beispiel:
Man kann jetzt eine aktive Schaltung einfügen, die den sich aus der Leistungsanpassung ergebenden Forderungen entspricht. Also
Grundsätzlich stellt eine solche aktive Schaltung eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle mit niedrigem Innenwiderstand dar.
2. Die praktische Realisierung eines Impedanzwandlers
Theoretisch ist bereits eine einfache Schaltung mit einem Transistor in Kollektorschaltung ausreichend. Dabei ist es unerheblich, ob man einen bipolaren Transistor oder einen FET nimmt. Bei einem FET ist es dann eben die Drain-Schaltung.
Diese diskreten Schaltungen haben den großen Vorteil, daß sie mit sehr wenigen Bauelementen auskommen und folglich entsprechend klein sein können. Für den aktiven Gitarristen, der ja in der Regel höchstens ein Gelegenheitselektroniker ist, ergeben sich jedoch häufig ein paar unlösbare Probleme bei der Dimensionierung einer geeigneten Schaltung. Das fängt bei der Festlegung des sogenannten Arbeitspunktes an und hört bei der Auswahl eines geeigneten Transistors nicht auf. Wer nicht bereit ist, sich da etwas intensiver mit der Materie zu befassen, wird Probleme haben, eine vernünftige Lösung zu erzeugen!
Aus diesem Grund entscheiden wir uns für ein Bauelement, welches die meisten Probleme schon intern gelöst hat und uns das Leben leichter macht: Den Operationsverstärker, kurz OP.
In der Theorie handelt es sich hierbei um einen Differenzverstärker mit unendlich hoher Spannungsverstärkung. Der OP hat zwei Eingänge (+ und -) und einen Ausgang, an dem die Differenzspannung der beiden Eingänge um den Faktor der Leerlaufverstärkung v0 vergrößert erscheint. Verbindet man den Ausgang des OP mit dem negativen Eingang und speist das Nutzsignal am positiven Eingang ein, so hat man was man möchte: Einen Impedanzwandler!
3. Einfacher Impedanzwandler für asymmetrische Versorgungsspannung
Wenn man schon eine Batterie in die Gitarre einbaut, dann bitte nur eine. OP-Schaltungen werden in der Regel mit eine symmetrischen Versorgungsspannung betrieben (z.B. +/- 12V). Möchte man nur eine Spannungsquelle verwenden, müssen ein paar Vorkehrungen getroffen werden. Hier zunächst das Schaltbild:
Kommen wir nun zur Beschreibung der einzelnen Komponenten:
3.1 OP1
Als Operationsverstärker kann man eigentlich jeden gängigen Typen nehmen. Es gibt sie in unterschiedlichen Gehäusevariationen, Preisen und elektrischen Eigenschaften. Zu Auswahl eines geeigneten Typen werde ich gegebenenfalls später etwas schreiben. Für die ersten Experimente ist zum Beispiel ein TL061, TL081 oder TL071 ausreichend. Dieses OPs sind bei den meisten Elektronikversendern für ein paar Cent verfügbar.
Das sogenannte Pinning ist glücklicherweise weitgehend genormt. Hier wurde das Pinning für einen Single-OP in einem DIP8-Gehäuse angenommen, wie es auch schon beim alten µA741 der Fall war.
3.2 Re1 und Re2
Da wir mit nur einer Betriebsspannung arbeiten wollen, muß der Eingang unserer Schaltung einen Arbeitspunkt erhalten, der dem Signal die Möglichkeit gibt, in beide Richtungen möglichst weit ausschwingen zu können. Das ist genau bei der halben Betriebsspannung der Fall. Aus diesem Grunde gilt grundsätzlich
Beide Widerstände legen auch den Eingangswiderstand der Schaltung fest. Dieser besteht aus der Parallelschaltung der beiden Widerstände. Da sie gleich groß sind, gilt für den Eingangswiderstand:
Um den Tonabnehmer möglichst nicht zu belasten, macht man den Eingangswiderstand hochohmig. Werte von 500kOhm bis 2,2MOhm sind dabei nicht ungewöhnlich. Welchen man wählt hängt auch davon ab, wie stark man die Resonanz des Tonabnehmers dämpfen möchte.
Kommt der Impedanzwandler direkt an den Tonabnehmer, so sind mindestens 330kOhm erforderlich, um die gleichen Verhältnisse wie mit den Potis und dem Eingangswiderstand des Instrumentenverstärkers zu erreichen. Setzt man den Impedanzwandler an den Ausgang der Gitarre, also hinter die Potis, so sollte mindestens ein Eingangswiderstand von 1 MOhm vorgesehen werden.
3.3 Ce
Damit unser Arbeitspunkt nicht von den anderen Schaltungsteilen vor dem OP negativ beeinflußt wird, trennt der Kondensator Ce die Schaltungsteile gleichspannungsmäßig. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem Koppelkondensator.
Zusammen mit dem Eingangswiderstand der Schaltung bildet Ce eine sogenannten Hochpaß, dessen Grenzfrequenz sich wie folgt berechnen läßt:
Frequenzen, die kleiner als fge sind, werden quasi nicht übertragen.
Wenn man Re1 und Re2 festgelegt hat, so muß man jetzt festlegen, wo diese Grenzfrequenz liegen soll. Die tiefste Frequenz für eine Elektrogitarre (E-Saite) liegt bei knapp 80 Hz (40 beim E-Bass). Wer jedoch dropped D oder gar C (65Hz) spielt, der muß noch etwas tiefer gehen und auch ein 5-Saiter mit tiefer H-Saite liegt mit 30Hz deutlich tiefer.
Mit Rin und fge läßt sich dann der Kondensator Ce bestimmen:
Für Ce sollte im Hinblick auf den Klang kein Elko eingesetzt werden, sondern ein geeigneter Folienkondensator.
3.4 Ca
Für diesen Kondensator gelten ähnliche Dinge, wie für Ce. Auch er dient zur Absicherung des Arbeitspunktes (jetzt am Ausgang) und auch er bildet einen Hochpaß (nun allerdings mit dem Eingangswiderstand der folgenden Schaltung).
Die Dimensionierung ist daher etwas schwierig. Ein alter Marshall oder Fender-Verstärker hat einen Eingangswiderstand von 168kOhm (Low) oder 1MOhm (High) bei modernen Systemen mit nur einem Eingang, kann man von 1MOhm ausgehen. Die Grenzfrequenz ist dann analog zu fge:
Wobei Rin hier der Eingangswiderstand des folgenden Verstärkers ist. Bei der Dimensionierung sollte man von dem kleinsten möglichen Eingangswiderstand ausgehen (hier also 168kOhm) Ca ist dann
Wir nehmen für fga einmal 30Hz an. Mit 168kOhm ergibt sich dann Ca=31,6nF. In der Praxis nimmt man jedoch häufig noch größere Werte. 100nF sind da nicht selten.
Man sollte die Kapazität der Koppelkondensatoren jedoch nicht zu groß machen. Bei Röhrenschaltungen kann man schon mal einen Schluckauf hören, da die Schaltung nicht in der Lage ist, die Kapazität schnell genug zu laden.
3.5 R
OP's haben eine ganze Reihe sehr guter Eigenschaften. Das Treiben von kapazitiven Lasten, wie es unser Gitarrenkabel darstellt, gehört jedoch nicht dazu. Je nachdem, wie groß die Verstärkung der Schaltung ist, entsteht am Ausgang eine Phasendrehung. Im schlimmsten Fall ist diese so groß, daß aus der Rückkopplung von Pin 6 nach Pin 4 eine Mitkopplung geworden ist und die Schaltung schwingt. R dient dazu, die externe Kapazität in ihrer Wirkung etwas einzuschränken und so die Schwingneigung zu unterdrücken.
Da unser Impedanzwandler ja nur eine Verstärkung von 1 hat, sind solche Problem nicht zu befürchten und R kann entfallen. Wer ihn jedoch benötigt, der muß ein wenig experimentieren. Werte zwischen 30Ohm und 200Ohm sind da gängig.
Man vergrößert mit R allerdings den Ausgangswiderstand der Schaltung. Zusammen mit der Kabelkapazität (typisch 500pF bis 1nF) ergibt sich dann ein Tiefpaß, der die Übertragung der hohen Frequenzen begrenzt. Diese Frequenz berechnet sich aus
Für die Elektrogitarre sollten es schon 7kHz sein!
3.6 D
Manchmal verpolt man die Batterie beim Anschließen an den Batterie-Clip. Das mag ein OP nicht gerne und einige verabschieden sich dann. Damit ein hoffnungsvoller Auftritt nicht aus so einem Grund vorzeitig beendet wird, ist D da. Hier kann eine ganz normale Silizium-Diode, wie die 1N4148 eingesetzt werden. Wer allerdings einen möglichst geringen Spannungsverlust wünscht, der sollte eine Schottky-Diode wählen. Sie haben eine Durchlassspannung von nur 0,1 bis 0,3V gegenüber den 0,7V einer Silizium-Diode.
3.7 CL
Dieser Kondensator ist ein sehr wichtiges Bauelement, wenn der Impedanzwandler in einer Gitarre eingesetzt werden soll. Aufgrund der sehr geringen Eingangskapazität des OPs (typisch 5pF) arbeitet der Tonabnehmer quasi im Leerlauf. Er hat daher eine wesentlich größere Resonanzfrequenz, als es eigentlich der Fall ist. CL ist also der Ersatz für die Kabelkapazität. Fehlt er, so klingt es sehr höhenlastig. Wenn man nicht weiß, wie groß die Kapazität seines Kabels ist, so probiert man am besten ein paar geeignete Werte aus. Welche das sein könne, steht unter anderem in Guitar-Letter II.
So, das war es fürs erste. Beim nächsten mal gibt es dann ein paar sinnvolle Erweiterungen.
Ulf
Die Dimensionierung der Schaltungen werde ich nicht immer vorgeben. Ich halte es für wesentlich wichtiger, daß man weiß, wofür die einzelnen Komponenten gut sind und wie man sie dimensionieren muß, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Und los geht es...
1. Begriffsdefinition
Laut Wikipedia ist eine Impedanz der komplexe Wechselstromwiderstand eines linearen Zweipols.
Soweit so gut, aber was läßt sich daran wandeln?
Elektrotechniker teilen ihre Schaltungen in Zwei- und Vierpole ein. Ein Tonabnehmer ist ein Zweipol. Da er eine Quelle darstellt, sind die beiden Anschlussdrähte quasi der Ausgang eines Zweipols. Jedem Zweipol läßt sich ein sogenannter Innenwiderstand zuweisen, der natürlich auch komplex sein kann und somit eine Impedanz darstellt.
Wird der Zweipol mit einem weiteren Zweipol belastet, so wirken die beiden Widerstände als Spannungsteiler, der die Leerlaufspannung der Quelle verringert. Handelt es sich bei diesen Widerständen um Impedanzen, so ist diese Verringerung frequenzabhängig und es liegt ein sogenanntes Filter vor.
Ein Vierpol besteht quasi aus zwei Zweipolen, die intern miteinander verknüpft sind. Er hat also einen Eingang und einen Ausgang. Ein gutes Beispiel für einen passiven Vierpol ist der sogenannte Spannungsteiler. Aber auch ein einfacher passiver Tiefpaß ist ein solcher passiver Vierpol.
Ein Verstärker, zu denen auch die hier diskutierten aktiven Impedanzwandler zählen, ist ein aktiver Vierpol. Er hat, neben einem Eingangs- und einem Ausgangswiderstand, auch immer ein Übertragungsverhalten, welches beschreibt, wie sich eine Änderung der Eingangsgröße am Ausgang auswirkt.
Impedanzwandler gehören in die Gruppe der Anpassungsschaltungen. Um zu verstehen, was damit gemeint ist, jetzt ein kleines Beispiel:
Beispiel 1 schrieb:
Man kann jetzt eine aktive Schaltung einfügen, die den sich aus der Leistungsanpassung ergebenden Forderungen entspricht. Also
- Eingangswiderstand: 100kOhm
- Ausgangswiderstand: 8Ohm
- Verstärkung: 1
Grundsätzlich stellt eine solche aktive Schaltung eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle mit niedrigem Innenwiderstand dar.
2. Die praktische Realisierung eines Impedanzwandlers
Theoretisch ist bereits eine einfache Schaltung mit einem Transistor in Kollektorschaltung ausreichend. Dabei ist es unerheblich, ob man einen bipolaren Transistor oder einen FET nimmt. Bei einem FET ist es dann eben die Drain-Schaltung.
Diese diskreten Schaltungen haben den großen Vorteil, daß sie mit sehr wenigen Bauelementen auskommen und folglich entsprechend klein sein können. Für den aktiven Gitarristen, der ja in der Regel höchstens ein Gelegenheitselektroniker ist, ergeben sich jedoch häufig ein paar unlösbare Probleme bei der Dimensionierung einer geeigneten Schaltung. Das fängt bei der Festlegung des sogenannten Arbeitspunktes an und hört bei der Auswahl eines geeigneten Transistors nicht auf. Wer nicht bereit ist, sich da etwas intensiver mit der Materie zu befassen, wird Probleme haben, eine vernünftige Lösung zu erzeugen!
Aus diesem Grund entscheiden wir uns für ein Bauelement, welches die meisten Probleme schon intern gelöst hat und uns das Leben leichter macht: Den Operationsverstärker, kurz OP.
In der Theorie handelt es sich hierbei um einen Differenzverstärker mit unendlich hoher Spannungsverstärkung. Der OP hat zwei Eingänge (+ und -) und einen Ausgang, an dem die Differenzspannung der beiden Eingänge um den Faktor der Leerlaufverstärkung v0 vergrößert erscheint. Verbindet man den Ausgang des OP mit dem negativen Eingang und speist das Nutzsignal am positiven Eingang ein, so hat man was man möchte: Einen Impedanzwandler!
3. Einfacher Impedanzwandler für asymmetrische Versorgungsspannung
Wenn man schon eine Batterie in die Gitarre einbaut, dann bitte nur eine. OP-Schaltungen werden in der Regel mit eine symmetrischen Versorgungsspannung betrieben (z.B. +/- 12V). Möchte man nur eine Spannungsquelle verwenden, müssen ein paar Vorkehrungen getroffen werden. Hier zunächst das Schaltbild:
Kommen wir nun zur Beschreibung der einzelnen Komponenten:
3.1 OP1
Als Operationsverstärker kann man eigentlich jeden gängigen Typen nehmen. Es gibt sie in unterschiedlichen Gehäusevariationen, Preisen und elektrischen Eigenschaften. Zu Auswahl eines geeigneten Typen werde ich gegebenenfalls später etwas schreiben. Für die ersten Experimente ist zum Beispiel ein TL061, TL081 oder TL071 ausreichend. Dieses OPs sind bei den meisten Elektronikversendern für ein paar Cent verfügbar.
Das sogenannte Pinning ist glücklicherweise weitgehend genormt. Hier wurde das Pinning für einen Single-OP in einem DIP8-Gehäuse angenommen, wie es auch schon beim alten µA741 der Fall war.
3.2 Re1 und Re2
Da wir mit nur einer Betriebsspannung arbeiten wollen, muß der Eingang unserer Schaltung einen Arbeitspunkt erhalten, der dem Signal die Möglichkeit gibt, in beide Richtungen möglichst weit ausschwingen zu können. Das ist genau bei der halben Betriebsspannung der Fall. Aus diesem Grunde gilt grundsätzlich
Re1=Re2
Beide Widerstände legen auch den Eingangswiderstand der Schaltung fest. Dieser besteht aus der Parallelschaltung der beiden Widerstände. Da sie gleich groß sind, gilt für den Eingangswiderstand:
Rin=Re1/2=Re2/2
Um den Tonabnehmer möglichst nicht zu belasten, macht man den Eingangswiderstand hochohmig. Werte von 500kOhm bis 2,2MOhm sind dabei nicht ungewöhnlich. Welchen man wählt hängt auch davon ab, wie stark man die Resonanz des Tonabnehmers dämpfen möchte.
Kommt der Impedanzwandler direkt an den Tonabnehmer, so sind mindestens 330kOhm erforderlich, um die gleichen Verhältnisse wie mit den Potis und dem Eingangswiderstand des Instrumentenverstärkers zu erreichen. Setzt man den Impedanzwandler an den Ausgang der Gitarre, also hinter die Potis, so sollte mindestens ein Eingangswiderstand von 1 MOhm vorgesehen werden.
3.3 Ce
Damit unser Arbeitspunkt nicht von den anderen Schaltungsteilen vor dem OP negativ beeinflußt wird, trennt der Kondensator Ce die Schaltungsteile gleichspannungsmäßig. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem Koppelkondensator.
Zusammen mit dem Eingangswiderstand der Schaltung bildet Ce eine sogenannten Hochpaß, dessen Grenzfrequenz sich wie folgt berechnen läßt:
fge=1/(2*pi*Rin*Ce)
Frequenzen, die kleiner als fge sind, werden quasi nicht übertragen.
Wenn man Re1 und Re2 festgelegt hat, so muß man jetzt festlegen, wo diese Grenzfrequenz liegen soll. Die tiefste Frequenz für eine Elektrogitarre (E-Saite) liegt bei knapp 80 Hz (40 beim E-Bass). Wer jedoch dropped D oder gar C (65Hz) spielt, der muß noch etwas tiefer gehen und auch ein 5-Saiter mit tiefer H-Saite liegt mit 30Hz deutlich tiefer.
Mit Rin und fge läßt sich dann der Kondensator Ce bestimmen:
Ce=1/(2*pi*Rin*fge)
Für Ce sollte im Hinblick auf den Klang kein Elko eingesetzt werden, sondern ein geeigneter Folienkondensator.
3.4 Ca
Für diesen Kondensator gelten ähnliche Dinge, wie für Ce. Auch er dient zur Absicherung des Arbeitspunktes (jetzt am Ausgang) und auch er bildet einen Hochpaß (nun allerdings mit dem Eingangswiderstand der folgenden Schaltung).
Die Dimensionierung ist daher etwas schwierig. Ein alter Marshall oder Fender-Verstärker hat einen Eingangswiderstand von 168kOhm (Low) oder 1MOhm (High) bei modernen Systemen mit nur einem Eingang, kann man von 1MOhm ausgehen. Die Grenzfrequenz ist dann analog zu fge:
fga=1/(2*pi*Rin*Ca)
Wobei Rin hier der Eingangswiderstand des folgenden Verstärkers ist. Bei der Dimensionierung sollte man von dem kleinsten möglichen Eingangswiderstand ausgehen (hier also 168kOhm) Ca ist dann
Ca=1/(2*pi*Rin*fga)
Wir nehmen für fga einmal 30Hz an. Mit 168kOhm ergibt sich dann Ca=31,6nF. In der Praxis nimmt man jedoch häufig noch größere Werte. 100nF sind da nicht selten.
Man sollte die Kapazität der Koppelkondensatoren jedoch nicht zu groß machen. Bei Röhrenschaltungen kann man schon mal einen Schluckauf hören, da die Schaltung nicht in der Lage ist, die Kapazität schnell genug zu laden.
3.5 R
OP's haben eine ganze Reihe sehr guter Eigenschaften. Das Treiben von kapazitiven Lasten, wie es unser Gitarrenkabel darstellt, gehört jedoch nicht dazu. Je nachdem, wie groß die Verstärkung der Schaltung ist, entsteht am Ausgang eine Phasendrehung. Im schlimmsten Fall ist diese so groß, daß aus der Rückkopplung von Pin 6 nach Pin 4 eine Mitkopplung geworden ist und die Schaltung schwingt. R dient dazu, die externe Kapazität in ihrer Wirkung etwas einzuschränken und so die Schwingneigung zu unterdrücken.
Da unser Impedanzwandler ja nur eine Verstärkung von 1 hat, sind solche Problem nicht zu befürchten und R kann entfallen. Wer ihn jedoch benötigt, der muß ein wenig experimentieren. Werte zwischen 30Ohm und 200Ohm sind da gängig.
Man vergrößert mit R allerdings den Ausgangswiderstand der Schaltung. Zusammen mit der Kabelkapazität (typisch 500pF bis 1nF) ergibt sich dann ein Tiefpaß, der die Übertragung der hohen Frequenzen begrenzt. Diese Frequenz berechnet sich aus
fg=1/(2*pi*(Rout+R)*Ckabel)
Für die Elektrogitarre sollten es schon 7kHz sein!
3.6 D
Manchmal verpolt man die Batterie beim Anschließen an den Batterie-Clip. Das mag ein OP nicht gerne und einige verabschieden sich dann. Damit ein hoffnungsvoller Auftritt nicht aus so einem Grund vorzeitig beendet wird, ist D da. Hier kann eine ganz normale Silizium-Diode, wie die 1N4148 eingesetzt werden. Wer allerdings einen möglichst geringen Spannungsverlust wünscht, der sollte eine Schottky-Diode wählen. Sie haben eine Durchlassspannung von nur 0,1 bis 0,3V gegenüber den 0,7V einer Silizium-Diode.
3.7 CL
Dieser Kondensator ist ein sehr wichtiges Bauelement, wenn der Impedanzwandler in einer Gitarre eingesetzt werden soll. Aufgrund der sehr geringen Eingangskapazität des OPs (typisch 5pF) arbeitet der Tonabnehmer quasi im Leerlauf. Er hat daher eine wesentlich größere Resonanzfrequenz, als es eigentlich der Fall ist. CL ist also der Ersatz für die Kabelkapazität. Fehlt er, so klingt es sehr höhenlastig. Wenn man nicht weiß, wie groß die Kapazität seines Kabels ist, so probiert man am besten ein paar geeignete Werte aus. Welche das sein könne, steht unter anderem in Guitar-Letter II.
So, das war es fürs erste. Beim nächsten mal gibt es dann ein paar sinnvolle Erweiterungen.
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