DerOnkel
HCA Elektronik Saiteninstrumente
Eine Klangeinstellung (engl. Tone-Stack) finden man in den meisten Verstärkern. Es gibt sie in den unterschiedlichsten Ausführungen. In den meisten Fällen handelt es sich um eine dreikanalige Version (Bass/Middle/Treble), wie sie zum Beispiel von Fender oder Marshall eingesetzt werden. Einfachere Geräte verwenden einen zweikanaligen Kuschwanzentzerrer (Bass/Treble).
Neben diesen Versionen gibt es noch ein paar Varianten, die nur mit einem Poti auskommen. Allein die Anzahl der Potis zeigt an, daß hier eine Menge Eigenschaften der Schaltung miteinander verknüpft sind.
Es gab unlängst einen Thread in dem nach Veränderungsmöglichkeiten im einkanaligen Tone-Stack des "Chandler Tube Drivers" nachgefragt wurde. Ich habe mir einmal die Mühe gemacht und diese Schaltung berechnet, um sie dann in meinem Simulator nutzen zu können. Hier das Ergebnis:
1. Die Schaltung
Sehen wir uns zunächst die Schaltung an. Sie wurde am 11 06.1991 unter der Nummer 5,022,305 in den USA für Brent Butler patentiert. Das besondere besteht darin, daß hier eine Röhrenschaltung für eine Versorgungsspannung von 9 Volt präsentiert wurde. Da es an dieser Stelle nur um die Klangeinstellung geht, reicht ein Ausschnitt des Schaltbildes zum Verständnis aus. Alle die Klangeinstellung betreffenden Bauteile wurde hier in blau dargestellt:
Man erkennt eine Treiberstufe, welche mit Hilfe eines integrierten Operationsverstärkers realisiert wurde. Diese ist mit einer Verstärkung von maximal 500 (54dB) in der Lage, die nachfolgende Röhrenstufe kräftig zu übersteuern. Am Ausgang der zweistufigen Röhrenschaltung befindet sich ein, um Grunde genommen einfacher Spannungsteiler.
Für die notwendige Analyse der Schaltung ersetzen wir die letzte Röhre durch eine ideale Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand R, in dem auch der Widerstand von 2,2kOhm enthalten ist. Um die Schaltung komplett zu beschreiben, wurde zusätzlich ein Lastwiderstand am Ausgang des Volume-Potis berücksichtigt. Somit erhalten wir für die Klangeinstellung die folgende Ersatzschaltung, die es zu analysieren gilt:
Wer mit den verschiedenen Tone-Stacks vertraut ist, erkennt hier den Treble-Part des sogenannten "Kuhschwanzentzerrers", wie er zum Beispiel in der folgenden Schaltung zu finden ist:
Um die Wirkungsweise dieses Schaltungteils grob zu erfassen, betrachten wir zwei Fälle:
1. Tone=100% (Schleifer S an Endanschlag E)
Wenn man einmal CT "vergißt", so bleibt ein einfacher Hochpaß zurück, der aus CB und PT besteht. Hier spielen natürlich auch noch PV und RL eine Rolle, da sie jedoch wesentlich hochohmiger als PT sind, kann man sie zunächst vernachlässigen.
Die Grenzfrequenz dieses Hochpasses ist dann
2. Tone=0% (Schleifer S an Endanschlag A)
Jetzt vergessen wir CB und erhalten dann einen Tiefpaßfür dessen Grenzfrequenz gilt:
2. Der Amplitudengang
Auch diese wenigen Bauelemente haben schon eine recht umfangreiche Übertragungsfunktion zu Folge, auf deren Darstellung ich an dieser Stelle verzichten möchte. Variiert man PT in 10 Schritten, so finden man die folgenden Amplitudengänge:
Betrachten wir nun die drei ausgezeichneten Fälle:
1. Tone=100% (blau)
Der Amplitudengang folgt grundsätzlich einem Hochpaßverhalten. Die obere Grenzfrequenz beträgt in etwa 1,5kHz, was ja auch schon vorher im groben ausgerechnet wurde.
Interessanterweise weißt der Verlauf des Amplitudenganges bei ca 100Hz einen Sattelpunkt auf einem Niveau von -15dB auf.
2. Tone=0% (grün)
In dieser Einstellung findet man ein Bandpaßverhalten vor. Das Filter weist eine Mittenfrequenz von 220Hz und eine Bandbreite von 1,6kHz auf. Das Zustandekommen dieses Verhaltens läßt sich wie folgt erklären:
3. Tone=50% (rot)
Hier erhalten wir so etwas wie die lineare Einstellung. Allerdings bleibt ein Hochpaßverhalten mit einer Grenzfrequenz von rund 30Hz.
3. Fazit
Diese Schaltung manipuliert grundsätzlich die Höhen des Frequenzbereiches und weiß darüber hinaus eine untere Grenzfrequenz von 30Hz auf. Ausgehend von einer Grunddämpfung von 15dB können die Höhen im Bereich von 10kHz in etwa um +/- 15dB verändert werden.
4. Der Einfluß der einzelnen Bauelemente
Betrachten wir nun die Wirkungsweise oder besser den Einfluß der einzelnen Bauelemente auf den Amplitudengang.
1. CT
Macht man diesen Kondensator kleiner, so vergrößert sich die untere Grenzfrequenz des Hochpasses. Gleichzeitig sinkt die "magische" Dämpfung. Bei 10nF beträgt sie nur noch 6dB!
2. CB
Vergrößert man CB, so sinkt ebenfalls die "magische" Dämpfung. 47nF haben 6dB zur Folge. Gleichzeitig verringert sich die Bandbreite bei PT=0 auf 600Hz bei einer Mittenfrequenz von nur noch 100Hz.
Eine Verringerung bewirkt eine Vergrößerung der Bandbreite sowie eine Vergrößerung der "magische" Dämpfung. Bei 1nF erhält man eine Bandbreite von 13kHz mit einer Mittenfrequenz von 700Hz auf einem Niveau von -33dB.
3. PT
Mit dem Kennwert dieses Potis wird in erster Linie die Bandbreite verändert. Je größer der Kennwert, desto geringer die Bandbreite und Mittenfrequenz.
4. R
Dieser Widerstand legt die maximale Dämpfung bei sehr hohen Frequenzen fest. Bei einem Wert von 10kOhm ergibt sich eine Dämpfung von 6dB (ungefähr der Spannungsteiler aus R und PT).
Schlußwort
Ulf
Neben diesen Versionen gibt es noch ein paar Varianten, die nur mit einem Poti auskommen. Allein die Anzahl der Potis zeigt an, daß hier eine Menge Eigenschaften der Schaltung miteinander verknüpft sind.
Es gab unlängst einen Thread in dem nach Veränderungsmöglichkeiten im einkanaligen Tone-Stack des "Chandler Tube Drivers" nachgefragt wurde. Ich habe mir einmal die Mühe gemacht und diese Schaltung berechnet, um sie dann in meinem Simulator nutzen zu können. Hier das Ergebnis:
1. Die Schaltung
Sehen wir uns zunächst die Schaltung an. Sie wurde am 11 06.1991 unter der Nummer 5,022,305 in den USA für Brent Butler patentiert. Das besondere besteht darin, daß hier eine Röhrenschaltung für eine Versorgungsspannung von 9 Volt präsentiert wurde. Da es an dieser Stelle nur um die Klangeinstellung geht, reicht ein Ausschnitt des Schaltbildes zum Verständnis aus. Alle die Klangeinstellung betreffenden Bauteile wurde hier in blau dargestellt:
Man erkennt eine Treiberstufe, welche mit Hilfe eines integrierten Operationsverstärkers realisiert wurde. Diese ist mit einer Verstärkung von maximal 500 (54dB) in der Lage, die nachfolgende Röhrenstufe kräftig zu übersteuern. Am Ausgang der zweistufigen Röhrenschaltung befindet sich ein, um Grunde genommen einfacher Spannungsteiler.
Für die notwendige Analyse der Schaltung ersetzen wir die letzte Röhre durch eine ideale Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand R, in dem auch der Widerstand von 2,2kOhm enthalten ist. Um die Schaltung komplett zu beschreiben, wurde zusätzlich ein Lastwiderstand am Ausgang des Volume-Potis berücksichtigt. Somit erhalten wir für die Klangeinstellung die folgende Ersatzschaltung, die es zu analysieren gilt:
Wer mit den verschiedenen Tone-Stacks vertraut ist, erkennt hier den Treble-Part des sogenannten "Kuhschwanzentzerrers", wie er zum Beispiel in der folgenden Schaltung zu finden ist:
Um die Wirkungsweise dieses Schaltungteils grob zu erfassen, betrachten wir zwei Fälle:
1. Tone=100% (Schleifer S an Endanschlag E)
Wenn man einmal CT "vergißt", so bleibt ein einfacher Hochpaß zurück, der aus CB und PT besteht. Hier spielen natürlich auch noch PV und RL eine Rolle, da sie jedoch wesentlich hochohmiger als PT sind, kann man sie zunächst vernachlässigen.
Die Grenzfrequenz dieses Hochpasses ist dann
fgu=1/(2*pi*PT*CB)
Mit den Werten der Schaltung ergibt sich dannfgu=1,591kHz
2. Tone=0% (Schleifer S an Endanschlag A)
Jetzt vergessen wir CB und erhalten dann einen Tiefpaßfür dessen Grenzfrequenz gilt:
fgo=1/(2*pi*PT*CT)=338Hz
Es ist also zunächst festzustellen, daß man mit PT zwischen einem Hochpaß- und einem Tiefpaßverhalten wechseln kann. Da wir jedoch ein paar Vereinfachungen gemacht haben, wird das nicht die gesamte Wahrheit sein. Man kommt also nicht umhin, die Übertragungsfunktion der gesamten Schaltung zu bestimmen, um dann den Amplitudengang zu berechnen.2. Der Amplitudengang
Auch diese wenigen Bauelemente haben schon eine recht umfangreiche Übertragungsfunktion zu Folge, auf deren Darstellung ich an dieser Stelle verzichten möchte. Variiert man PT in 10 Schritten, so finden man die folgenden Amplitudengänge:
Betrachten wir nun die drei ausgezeichneten Fälle:
1. Tone=100% (blau)
Der Amplitudengang folgt grundsätzlich einem Hochpaßverhalten. Die obere Grenzfrequenz beträgt in etwa 1,5kHz, was ja auch schon vorher im groben ausgerechnet wurde.
Interessanterweise weißt der Verlauf des Amplitudenganges bei ca 100Hz einen Sattelpunkt auf einem Niveau von -15dB auf.
2. Tone=0% (grün)
In dieser Einstellung findet man ein Bandpaßverhalten vor. Das Filter weist eine Mittenfrequenz von 220Hz und eine Bandbreite von 1,6kHz auf. Das Zustandekommen dieses Verhaltens läßt sich wie folgt erklären:
- das schon beschriebene Hochpaßverhalten bleibt existent, da CB ja weiterhin "im Rennen" ist.
- Ab einer Frequenz von 300Hz setzt die Wirkung des Tiefpasses ein, der das Hochpaßverhalten kompensiert.
- Ab ungefähr 1000Hz setzt eine weitere Tiefpaßwirkung ein, die dann zu einem Abfall des Amoplitudenganges und damit zum Bandpaßverhalten führt.
3. Tone=50% (rot)
Hier erhalten wir so etwas wie die lineare Einstellung. Allerdings bleibt ein Hochpaßverhalten mit einer Grenzfrequenz von rund 30Hz.
3. Fazit
Diese Schaltung manipuliert grundsätzlich die Höhen des Frequenzbereiches und weiß darüber hinaus eine untere Grenzfrequenz von 30Hz auf. Ausgehend von einer Grunddämpfung von 15dB können die Höhen im Bereich von 10kHz in etwa um +/- 15dB verändert werden.
4. Der Einfluß der einzelnen Bauelemente
Betrachten wir nun die Wirkungsweise oder besser den Einfluß der einzelnen Bauelemente auf den Amplitudengang.
1. CT
Macht man diesen Kondensator kleiner, so vergrößert sich die untere Grenzfrequenz des Hochpasses. Gleichzeitig sinkt die "magische" Dämpfung. Bei 10nF beträgt sie nur noch 6dB!
2. CB
Vergrößert man CB, so sinkt ebenfalls die "magische" Dämpfung. 47nF haben 6dB zur Folge. Gleichzeitig verringert sich die Bandbreite bei PT=0 auf 600Hz bei einer Mittenfrequenz von nur noch 100Hz.
Eine Verringerung bewirkt eine Vergrößerung der Bandbreite sowie eine Vergrößerung der "magische" Dämpfung. Bei 1nF erhält man eine Bandbreite von 13kHz mit einer Mittenfrequenz von 700Hz auf einem Niveau von -33dB.
3. PT
Mit dem Kennwert dieses Potis wird in erster Linie die Bandbreite verändert. Je größer der Kennwert, desto geringer die Bandbreite und Mittenfrequenz.
4. R
Dieser Widerstand legt die maximale Dämpfung bei sehr hohen Frequenzen fest. Bei einem Wert von 10kOhm ergibt sich eine Dämpfung von 6dB (ungefähr der Spannungsteiler aus R und PT).
Schlußwort
- Der im Chandler Tube-Driver verwendete Tone-Stack ist ein Teil eines Kuhschwanzentzerrers.
- Er erlaubt nur die Manipulation der hohen Freuenzen bei rund 10kHz.
Ulf
- Eigenschaft
