Die Anwendung der Stereoklinkenbuchse in der Gitarrenelektronik

von DerOnkel, 08.07.08.

  1. DerOnkel

    DerOnkel HCA Elektronik Saiteninstrumente HCA

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    Erstellt: 08.07.08   #1
    1 Einleitung

    Die Elektrogitarre ist, wie viele andere elektronische Instrumente, ein zweipoliges Gerät. Das bedeutet, daß zwei elektrische Verbindungen ausreichen, um die Signalquelle (Tonabnehmer) mit einem Verstärker zu verbinden. Auch wenn es gute Gründe gibt, mindestens drei Leitungen zu verwenden, so hat sich der zweipolige unsymmetrische Anschluß durchgesetzt und als Standard etabliert. Entsprechend sind alle Effektgeräte und Verstärker für die Gitarre mit unsymmetrischen Eingängen ausgerüstet.

    In Bereich der Instrumententechnik hat sich der Klinkenstecker mit einem Durchmesser von 1/4 Zoll (6,35mm) zum Anschluß der Instrumente durchgesetzt. Dieser wurde ursprünglich in den Handvermittlungen der Telefonzentralen anfang des 20. Jahrunderts verwendet. Gleichwohl es diese Stecker und die dazugehörenden Buchsen mit bis zu vier Polen gibt, beschränkt man sich bei der Elektrogitarre auf die Verwendung der zweipoligen Mono-Version für Stecker und Buchsen.

    Es gibt jedoch auch Fälle, in denen die Kombination einer dreipoligen Stereobuchse mit einem Monostecker sinnvoll ist. Schau'n wir mal...

    2 Der Aufbau einer einfachen Stereoklinkenbuchse

    Klinkenbuchsen gibt es in vielfacher Ausfertigung. Sie sind in den meisten Elektronikläden schon für wenige Cent zu haben. Wie so eine einfach Variante aussehen kann, zeigt das folgende Bild:

    [​IMG]
    Bild 1: Die Anschlüsse einer Stereoklinkenbuchse

    Man erkennt sehr deutlich die zwei Kontaktfedern für die Spitze (links) und den Ring (rechts). Sie werden im Englischen als "Tip" und "Ring" bezeichnet. Die Lötösen für den elektrischen Anschluß liegen gegenüber den entsprechenden Kontaktfedern. Der Anschluß für den Schaft (engl. Sleeve) liegt in der Mitte. Er wird in der Regel als gemeinsamer Rückleiter benutzt. Hier wird also die Masse und auch die Abschirmung angeschlossen.

    Auch wenn man leicht in Versuchung ist, die preiswerteste Buchse zu kaufen, sollte man davon lieber Abstand nehmen. Der Klinkenstecker gehört von Haus aus nicht zu den besten Steckverbindungen und minderwertige Buchsen bergen immer die Gefahr, daß die Kontakte korrodieren oder die Spannung der Kontaktfedern nachläßt, was zwangsläufig zu Kontaktproblemen führt. Besonders anfällig ist hier der Verbindung des Schaftes in der Buchse. Da hier kein besonders großer Druck ausgeübt wird, führen schon leichte Oxidationen zu Problemen und der Kontaktwiderstand steigt stark an. Auch hier gilt also: "Wer billig kauft, kauft zweimal!"

    3 Warum eine Stereoklinkenbuchse?

    Da die Gitarre ein zweipoliges Instrument ist, kann man sich zu Recht die Frage stellen, warum man denn eine Stereobuchse verwenden soll? Grundsätzlich gibt es verschiedene Anwendungen:
    1. Man möchte Schaltungsmasse und Abschirmung getrennt führen (symmetrischer Anschluß).
    2. Man möchte zwei unterschiedliche Signale aus der Gitarre herrausführen.
    3. Man möchte die Gitarre mit einer externen Energiequelle verbinden (Phantom Power).
    4. Man möchte die interne Energiversorgung einer aktiven Gitarre einschalten.
    Eine symmetrische Verbindung der Gitarre mit dem Verstärker ist mit Sicherheit ein guter Weg, um die Störempfindlichkeit des Systems zu verringern. Möchte man die Vorteile dieses Verfahrens jedoch wirklich ausnutzen, so ist ein Verstärker mit Differenzeingang zwingend erforderlich! Mischpulte verfügen grundsätzlich über solche Eingänge. Gitarrenverstärker oder Effektgeräte leider nicht. Hier muß also ein entsprechender Verstärker vorgeschaltet werden. Natürlich kann man das Signal am Verstärker auch unsymmetrisch machen, indem einfach die Abschirmung mit einer Signalleitung verbunden wird, aber dann ist das ganze Verfahren "für die Katz'"! Diese Anwendung scheitern also in der Regel an der mangelnden Kompatibilität mit den anderen Geräten.

    Es gibt einige Instrumente, die das Signal ihrer Tonabnehmer über getrennte Leitungen zur Verfügung stellen. Schon in den 60er Jahren stellten Gibson und Rickenbaker entsprechende Gitarren vor. Auf dem einen Kanal hatte man das Signal des Stegtonabnehmers, der andere Kanal stellte das Signal des Halstonabnehmers zur Verfügung. Heute wird auf diese Weise häufig das Signal von magnetischen und piezokeramischen Tonabnehmern auf getrennten Wegen unterschiedlichen Verstärkern zugeführt. Aber auch hier ist die Kompatibilität ein Problem, denn man benötigt ein kleines Gerät, welches die beiden Signale auf zwei getrennte Monoverbindungen aufteilt, um es dann den entsprechenden Empfängern zuzuführen.

    Viele Gitarristen würden zwar gerne eine aktive Elektronik in ihrem Instrument haben, befürchten jedoch, daß im unpassenden Augenblick die Batterie leer ist. Da liegt der Gedanke nahe, über den dritten Pol die Gitarre mit einer externen Spannungsquelle zu verbinden. So reizvoll dieser Gedanke auch ist, hat man hier schon wieder ein Problem mit der Kompatibilität, denn man benötigt eine spezielle Break-Out-Box, welche die Spannungsversorgung enthält und am Ausgang das reine Signal zur Verfügung stellt. An die Spannungsquelle muß man noch eine zusätzliche Anforderung stellen, denn Aufgrund der Tatsache, daß der Klinkenstecker einen kurzschließenden Steckvorgang beeinhalten, muß die entsprechende Spannungsversorgung kurzschlußfest sein.

    Die Anwendung einer aktive Elektronik bietet in der Gitarre eine Fülle von neuen Möglichkeiten und Verbesserungen, auch wenn viele Gitarristen sich da eher reserviert verhalten. Dumm ist nur, wenn man vergißt, die Batterie auszuschalten. Hat man keinen Ersatz, so findet die nächste Probe oder gar der nächste Auftritt ohne einen statt! Einen entsprechenden Schalter nachträglich in das Instrument einzubauen, ist auch nicht jedermanns Sache und sorgt im Zweifelsfall sogar für einen Wertverlust des Instrumentes. Es ist daher praktisch und sinnvoll die Spannungsversorgung mit dem Einstecken des Stecker zu aktivieren. Zu diesem Zweck kann man spezielle Schaltbuchsen kaufen. Es geht jedoch auch anders...

    4 Die Stereoklinkenbuchse als Schalter

    4.1 Das Prinzip

    Wenn man in der Gitarre eine Batterie mit einer aktiven Elektronik verbinden will, so ist ein einpoliger Schaltkontakt bereits ausreichend. Dabei ist es vollkommen unerheblich, ob man den Minus- oder den Pluspol der Batterie schaltet. Mit Hilfe der Stereobuchse ist es möglich, genau so eine Funktion zu realisieren. Sehen wir uns dazu das nächste Bild an.

    [​IMG]
    Bild 2: Stereoklinkenbuchse mit eingestecktem Monostecker

    Wir erkennen, daß die Kontaktfeder des Rings mit dem Schaft des Steckers verbunden ist. Wenn man jetzt den Minuspol einer Batterie mit dem Ring der Buchse verbindet, so wird dieser durch den Stecker mit der Schaltungsmasse verbunden. Damit ist dann der Stromkreis geschlossen. Eine Anwendung dieses kleinen Tricks zeigt das folgende Schaltbild:

    [​IMG]
    Bild 3: Einfacher Impedanzwandler mit Operationsverstärker

    Die Hersteller von Effektgeräten kennen diesen Trick natürlich auch und sind seiner Anwendung nicht abgeneigt, denn man spart einen Extraschalter. Das senkt die Kosten und erhöht den Komfort. Bei den Effektgeräten von "BOSS" wird am Eingang eine Stereobuchse zum Schalten der Betriebsspannung verwendet, wie das nächste Bild zeigt:

    [​IMG]
    Bild 4: Die Spannungsversorgung beim "BOSS DS-2"

    Sehen wir uns zum Schluß einmal an, wie "gut" dieser Schalter denn eigentlich ist. Gibt es Probleme, auf die man achte sollte?

    4.2 Das Problem

    Es wurde eingangs erwähnt, daß der Klinkenstecker immer einen kurzschließenden Steckvorgang beeinhalten. Beim Einstecken passiert die Spitze zunächst die Kontaktfeder für den Ring. Wenn die Spitze des Steckers Kontakt mit dem Ring der Buchse hat, entsteht tatsächlich ein Stromkreis, den wir nicht haben wollen. Betrachtet man den eigentlichen Verbraucher als Widerstand, so versorgt die Batterie jetzt eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen: unseren Verbraucher und, über die Masse- und Signalleitung des Kabel, auch der Eingangswiderstand der nachfolgenden Schaltung. Das bedeutet, daß im Moment des Einsteckens kurzfristig eine Gleichspannung am Eingang der nächsten Stufe entsteht. Jetzt stellt stellen sich zwei Fragen:

    1. Wie groß ist diese Spannung und
    2. stellt sie eine Gefahr für andere Geräte dar?
    Wenn wir beim Beispiel des Impedanzwandlers bleiben, dann wird hier typisch ein Strom von wenigen Milliampere aufgenommen. Wir gehen einmal von 5mA aus, was schon viel ist, und nehmen eine Betriebsspannung von 9V an. Dann stellt die Schaltung in etwa einen Widerstand von 1,8kOhm dar. Als Eingangswiderstand nehmen wir die typischen 1 MOhm an.

    Die Betriebsspannung wird jetzt durch die beiden Widerstände aufgeteilt. Am Eingangswiderstand entsteht dann ein Spannung von 99,8% der Betriebsspannung. Das bedeutet, daß am Verstärkereingang eine negative Spanung von 8,98V gegen Masse anliegt!

    Würde ein Verstärker mit Gleichstromkopplung verwendet werden, so wäre eine Verschiebung aller Arbeitspunkte unweigerlich die Folge. Am Ende stehen dann mit Sicherheit größere Schäden an verschiedenen Bauelementen des Verstärkers.

    Glücklicherweise werden gleichspannungsgekoppelte Verstärker im Instrumentenbereich selten eingesetzt. Statt dessen werden die einzelnen Verstärkerstufen durch Koppelkondensatoren gleichspannungsmäßig getrennt. Schädigungen durch eine Verschiebung der Arbeitspunkte sind also nicht zu befürchten.

    Die Koppelkondensatoren haben jedoch eine differenzierende Wirkung. Aus dem ursächlichen Spannungssprung erzeugen sie einen Nadelimpuls, der vom Verstärker befehlsgemäß verstärkt wird. Folglicherweise kann beim Einstecken des Steckers also ein entsprechendes "Knack" gehört werden, welches unter Umständen in der Lage ist, die Hochtöner eines Mehrweglautsprechers zu schädigen!

    4.3 Die Lösung

    Das eben beschriebene Verhalten ist konstruktionsbedingt. Eine vollständige Abhilfe ist nur möglich, wenn man als Stecker einen sogenannten "Silent Plug" verwendet, wie ich ihn im Artikel "Instrumentenkabel: Aus 'Alt' mach 'Besser'" unlängst beschrieben habe. Da dieser bis zum Ende des Einsteckvorganges einen Kurzschluß zwischen Spitze und Schaft aufrecht hält, wird das Entstehen der Fehlerspannung so zuverlässig verhindert.

    Natürlich gibt es auch noch ein schaltungstechnische Lösung, die das Problem allerdings nicht vollständig löst. Man betrachte dazu das folgende Schaltbild:

    [​IMG]
    Bild 5: Impedanzwandler mit "Connect-Protection"

    Hier wurde jetzt der Widerstand Rp hinzugefügt, der die Aufgabe hat, das Potential am Ring schon im Vorwege in etwa auf das Potential zu legen, welches im Fehlerfall entsteht. Dadurch wird der Spannungssprung zwar nicht verhindert, aber deutlich verringert!

    Bei der Dimensionierung des Widerstandes muß man jedoch vorsichtig sein, denn er liegt ja parallel zu unserem Schaltkontakt. Selbst wenn sich der Stecker nicht in der Buchse befindet, ist der Stromkreis geschlossen. Rp muß also ausreichend groß gewählt werden, um einen möglichst geringen Standby-Strom zu erhalten und die Batterie zu schonen.

    Wenn man einmal den resultierenden Spannungssprung als prozentualen Anteil der Betriebsspannung über dem Widerstand Rp darstellt, dann erhält man den folgenden Graphen:

    [​IMG]
    Bild 6: Die Dimensionierung der "Connect-Protection"

    Man erkennt, daß der relative Spannungssprung sehr schnell mit steigendem Widerstand geringer wird. Zusätzlich wurde in diesem Bild noch die Lebensdauer der Schaltung bei Verwendung einer handelsüblichen 9V-Batterie mit einer Kapazität von 500mAh aufgenommen.

    Wählt man Rp=4,7MOhm, so beträgt der Spannungssprung nur noch 3,4mV (0,038%). Dieser Wert ist so klein, daß er kaum noch störend in Erscheinung treten wird.

    Im ausgeschalteten Zustand nimmt die Schaltung dann immer noch einen Strom von 10,9µA auf, was zu einer voraussichtlichen Lebensdauer von 273 Tagen führt. Der Einsatz eines noch größeren Widerstandes bringt dann kaum noch eine Verbesserung. 10MOhm führen dann zu eine Lebensdauer von 301 Tagen.

    4.4 Fazit

    Wenn man die Betriebsspannung in einer aktiven Elektrogitarre mit Hilfe einer Stereoklinkenbuchse schalten will, so sollte man unbedingt auf eine Connect-Protection achten. Die sauberste Lösung bietet der Silent-Plug, der finanziell allerdings mit 6 bis 10 Euro zu Buche schlägt. Der Schutzwiderstand ist dagegen ein "Pfennigartikel" und bietet eine fast gleichwertige Lösung.

    (Eine aktuelle und vollständige Version dieses Beitrages ist in der Knowledgebase der Guitar-Letter zu finden.)

    Ulf
     
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  2. Barth Basses

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    Erstellt: 09.07.08   #2
    Toller Workshop.
    Leider kam der für mich 3wochen zu spät.Damals hätt ich den sehr gut gebrauchen können.
    Lg
     
  3. prexis^

    prexis^ Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 10.07.08   #3
    Kann nur zustimmen. Sehr guter Workshop wie immer. Danke für die ganze Arbeit.

    Gruß, prexis
     
  4. bemymonkey

    bemymonkey Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 10.07.08   #4
    Schoener Workshop, besonders der Teil ueber die Probleme mit dem Kurzschluss bei aktiven Pickups war sehr interessant.

    Kurze Bemerkung am Rande:

    Symmetrische Signalfuehrung: 1 Pin Signal, 1 Pin Signal phasenverdreht 180 grad, 1 Pin Ground. Schaltungsmasse und Abschirmung getrennt klingt fuer mich nach was anderem ;)... Ich lasse mich aber gerne des Besseren belehren. :)
     
  5. Primut

    Primut Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 11.07.08   #5
    Ok, mein kleiner Erklärungsversuch:
    Tendenziell hast du schon etwas recht. :great:
    Genaugenommen gibt es bei symetrischer Signalführung aber gar kein Signal-Ground oder Masse sondern eben nur zwei Signal-Leitungen. Die dritte Leitung ist nur die Abschirmung und hat nichts mit dem Signal zu tun.

    Von daher war Ulfs Formulierung:
    schlichtweg etwas ungenau weil es bei symmetrischer Signalführung keine Schaltungs- (eigentlich ja Signal-)masse gibt. Da elektronische Schaltungen aber immer ein Spannungsbezugspotential oder eine Masse benötigen, wird in der weiteren Signalverarbeitung eine virtuelle Schaltungsmasse erzeugt, die sozusagen in der Signalmitte, also im Null-Punkt liegt. Das wäre auf die Gitarre bezogen ein Mittelabgriff beim Pickup.
    Zugegebenermaßen ist Ulfs Formulierung aber umgangssprachlich üblich.:D:D
    Kommt daher, weil sich die unsymetrische Signalführung vorstellungstechnisch viel besser nachvollziehen lässt und sich daher etwas eingebürgert hat.

    In der Hoffnung, mit meiner Erklärung richtig zu liegen...;)
    Gruß
    Primut​
     
  6. bemymonkey

    bemymonkey Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 11.07.08   #6
    D.h. es gibt gar keine Masse? Wozu braucht man dann noch bei DI-Boxen nen Ground-Lift? :)
     
  7. Primut

    Primut Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 11.07.08   #7
    Na ja, wie schon erwähnt: Das eigentliche symetrische Signal hat keine Masse sondern eben zwei Signalleitungen.
    Aber: Um diese Signalart elektronisch weiter verarbeiten zu können, wird eine Schaltungsmasse benötigt, sozusagen als Potentialbezug. Wie diese Schaltungsmasse erzeugt wird, kann unterschiedlich sein. Von daher sind symetrische Leitungen schon dreipolig: 2 x Signal und einmal Masse.
    Das Problem dabei ist nur, dass es verschiedene Massen gibt. Die bereits erwähnte Schaltungsmasse und die Abschirmung. Werden beide verbunden, kann es zu Problemen kommen. Ground-Lift trennt diese beiden unterschiedlichen Massen einfach.
     
  8. DerOnkel

    DerOnkel Threadersteller HCA Elektronik Saiteninstrumente HCA

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    Erstellt: 28.12.13   #8
    Nach langer Zeit hat der Artikel am Beginn dieses Threads eine Erweiterung und Aktualisierung erfahren. Sie ist wie immer in der Knowledgebase der Guitar-Letter zu finden.

    Ulf
     
  9. halfcupsound

    halfcupsound Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 28.12.13   #9
    Die Schaltbuchse finde ich ganz brauchbar. Bisher habe ich immer Stereo-Buchsen verwendet, um Wackelkontakten entgegenzuwirken.
    Ich hätte für die aktive Version gern eine Akkustation am Gitarren-Tragegürtel, eine Stereo-Buchse an der Akkustation, als Wackelschutz, und eine Schaltbuchse am Gitarrenkorpus. Der Gittarrengurt müsste nicht gleich wie ein Mun-Gurt einer MG bestückt sein, besser wäre
    ein Wechselgurt, so daß ein Exemplar außerhalb des Instrumenten-Koffers an der Ladestation hängen kann.
    Vielleicht bietet der Fachhandel bereits so etwas an, und ich habe es noch nicht mitbekommen, evtl. Firma Schaller?
     
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