Passive Pickups – passive Schaltung

von AK, 24.01.05.

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  1. AK

    AK HCA Bass/Elektronik HCA

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    Erstellt: 24.01.05   #1
    Passive Pickups - passive Schaltung -
    Teil 1 Der lange Leidensweg des Baß-Signals


    In den ersten Bässen waren ausschliesslich passive PUs und passive Schaltungen verbaut. Seit damals ist viel passiert und inzwischen kann man neben aktiven PUs auch recht komplexe aktive Klangregelungen in Bässen finden. Das einfache Prinzip aus dem Fender Precision Baß hat sich trotzdem bis heute gehalten und dient einerseits dem Vintage-Liebhaber, andererseits in heute sehr hochentwickelten state-of-the-art Passiv-Bässen.
    Schon oft wurden aktive und passive Systeme diskutiert und vor allem die Frage nach dem "besser" gestellt. Man ist sich im Grunde einig, daß beide Systeme ihre Stärken haben und es wie bei vielem eher eine Geschmacksfrage ist.

    Ich möchte im folgenden vor allem den Weg des Baß-Signals durch einen passiven Baß mit all seinen Schwächen erläutern und wir werden sehen, daß es tatsächlich ein Leidensweg ist, denn wir tun vor allem eines - wir vernichten Qualität.
    Wenn dabei auf einige Nachteile hingewiesen wird ist dies keine Kauf-oder Nicht-Kaufempfehlung, sondern nur eine physikalische Gegebenheit.

    Die Elemente eines passiven Basses

    Der Pickup
    Ich möchte nicht besonders detailliert auf die Funktionsweise eines Pickups eingehen, darüber könnte man - und hat man, schon ganze Bücher geschrieben.
    Die Aufgabe des PUs (=Pickup) ist die Umwandlung der Saitenschwingung in eine Wechselspannung. Es handelt sich im Grunde um eine mit feinem Draht bewickelte Spule die sich in einem magnetischen Feld befindet. Das Feld wird durch einen oder mehrere Permanentmagnete erzeugt. Eine in diesem Feld schwingende Saite induziert eine Wechselspannung in der Spule.
    Die Größe der Spannung ist dabei von folgenden Faktoren abhängig: Stärke des Magentfeldes, Windungsanzahl, Saitendicke, Abstand von Saite zum Magnetpol, Schwingungsrichtung der Saite.
    Wichtig für unsere Betrachtungen ist die elektrische Funktionsweise. Für solche Betrachtungen greift man gerne auf sogenannte Ersatzschaltbilder zurück. Darin wird mit einfachen, bekannten Grundbauelemente die Funktionsweise sozusagen nachgestellt.
    Die einzelnen Bauteile kann man sich vereinfacht so erklären:
    U~ ist die vom PU erzeugte Spannung (ca. 10-100mV)
    R ist der Widerstand der Drahtwicklung (ca. 4-20kOhm)
    L ist die Induktivität der Spule (ca. 4-10Henry)
    C ist die Kapazität die sich zwischen den Windungen ergibt (20-200pF)

    [​IMG]

    Im Internet gibt es nur sehr wenige veröffentliche Daten von Pickups. Die obigen Beispiele sind von konkreten Fender- und Yamaha-Modellen. Generell kann man sagen, daß sich die Daten der Single-Coils bauartbedingt ähneln. Das sieht man an den Yamaha-PUs im Vergleich zum Fender Jazz Baß-PU.
    Bei größeren Humbuckern liegt die Resonanzfrequenz tiefer - das ist bedingt durch die größere Windungszahl und Induktivität.
    Klanglich wirkt sich dies vor allem auf die Höhen auf. Single-Coil-PUs klingen in der Regel brillianter.

    Das sehr ausgeprägte Signal wird nun im folgenden Schaltungsverlauf stark verändert. In der Tat ist es so, daß für Bässe eine Resonanz bei 10kHz ziemlich unbrauchbar wäre. Auch die Höhe der Resonanzspitze wäre für den Sound wenig zuträglich eher penetrant und störend.



    Die Lautstärkeeinstellung
    Die erste Veränderung erfährt das Signal durch das Lautstärke-Potentiometer.
    Zur Lautstärke-Einstellung gibt es seit den Anfängen zwei Varianten, die passenderweise einmal im Precision und einmal im Jazz-Bass eingeführt wurden. Bis heute hat sich an diesen Schaltungen nichts geändert.
    Zunächst die Precision-Variante:

    [​IMG]

    Das Poti liegt parallel zum Pickup das Signal wird über den Schleifer abgegriffen. Vorteil ist hier, daß der Pickup immer konstant mit dem Wert des Potis belastet wird.
    Der Frequenzverlauf ist nahezu unabhängig von der Potistellung.
    Einen großen Einfluß auf das Signal hat allerdings der Wert der Potis. Im Diagramm sieht man, wie ausgeprägt die Resonanz ohne Poti ist. Bereits bei 500kOhm ist das Maximum der Überhöhung deutlich kleiner geworden.
    Wählt man noch kleinere Werte, z.B. 50kOhm wird der Pickup so stark belastet, daß es nicht nur keine Überhöhung mehr gibt, sondern daß das Signal bereits bei 1kHz abfällt - der PU klingt stumpf und ohne Brillianz, Slapsounds kann man vergessen.
    Den so vernichteten Höhenanteil kann man auch im weiteren Verlauf durch Equalizing nicht mehr wettmachen.
    Bei passiven Bässen werden Potis zwischen 250kOhm und 1MOhm eingesetzt. Noch höhere Werte keine Verbesserung, da zum einen Eingangsimpedanzen von Verstärkern im 500-1000kOhm Bereich liegen, und zum anderen das Regelverhalten unvorteilhaft wäre.

    Die zweite Variante findet man bei vielen Jazz-Bässen so auch im Fender-Orignal.
    Das Poti ist einfach umgedreht, d.h. der PU hängt direkt am Schleifer. Hier gilt natürlich generell erst einmal dasselbe wie bei unserer vorigen Betrachtung. Das Poti darf nicht zu klein sein. Doch selbst wenn man sich an diese Vorgabe hält kommt nun der gravierende Nachteil dieser Schaltung zum tragen.

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    Bei voll aufgedrehter Lautstärke haben wir identische Verhältnisse zur vorigen Variante. Während bei ihr sich die Belastung des PUs beim Drehen des Potis nicht ändert, wird die Belastung des Pickups in der zweiten Variante umso größer je weiter wir die Lautstärke zurückdrehen. Am Ende schließen wir den Pickup sogar kurz.
    Im Diagramm sehen wir unseren Yamaha-Pickup mit einem 500kOhm Poti. Es ist leicht zuerkennen, das bei abnehmender Lautstärke die Resonanzüberhöhung kleiner wird, schließlich verschwindet und am gegen Ende des Regelweges ein stark Höhen-abschneidendes Verhalten zeigt.
    Obwohl dies klar ein Nachteil ist, hat diese Tatsache über die vielen Jahre kaum einen Jazz-Bass-User gestört, vielleicht weil oft mit vollaufgedrehten Potis gespielt wird - was auch zu empfehlen ist.


    Die Höhenblende
    Das nächste Element in der Signalkette ist die Höhenblende. Wir nehmen einfach unsere Precision-Lautstärke-Einstellung und betrachten welche Auswirkungen eine zusätzliche Höhenblende hat. Bei passiven Schaltungen wird eine solche Blende einfach mit einem Poti und einem Kondensator realisiert. Im folgenden nehmen wir an, daß das Lautstärkepoti voll aufgedreht ist.

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    Man sieht, das bereits der Einbau der Höhenblende, ohne daß diese zugeregelt wird, eine weitere Absenkung der Resonanzhöhe zur Folge hat. Dreht man nun die Höhenblende zu, wird die Überhöhung kleiner bis zum Verschwinden, die gelbe Kurve wandert in Richtung blauer Kurve und kurz vor Potiendstellung prägt sich eine neue Resonanzstelle aus. Diese ist abhängig vom gewählten Kondensatorwert. Je größer der Wert, desto tiefer liegt dieser Punkt.
    Bei voll aktivierter Höhenblende und voll aufgedrehter Lautstärke liegt der Kondensator parallel zum Pickup und kann zum Pickup-Kondensator C addiert werden.

    Wie erwähnt, hat der gewählte Kondensatorwert direkt Einfluss auf die Regelmöglichkeiten der Höhenblende. Im nächsten Diagramm sehen wir, wie sich verschiedene Kondensatorwerte auswirken. Dabei ist die Lautstärke auf Maxiumum und die Höhenblende voll aktiviert.

    [​IMG]

    Auch hier der Vergleich zur Schaltung ohne Höhenblende (in rot). Je größer der Kondensator desto niedriger die Wirkfrequenz der Höhenblende. Auch hier wird klar, daß der Kondensator zum Pickup passen sollte. Ist er zu klein hat man kaum Möglichkeiten die Höhen abzusenken, ist er zu groß erhält man einen wummernden Sub-Bass. Das Argument, daß man die Blende ja aufmachen kann ist nur bedingt richtig. Ein sehr großer Kondensator wirkt auch über ein 250kOhm Poti im nicht aktivierten Zustand stark dämpfend auf den Frequenzverlauf. Werte zwischen 22nF und 100nF sind für die meisten Baß-PUs ideal.


    Und nach dem Baß?
    Hat das Signal nun auf seinem bisherigen Weg schon sehr gelitten, geben wir ihm nun den Rest und zwar mit dem Instrumentenkabel und dem Verstärkereingang.
    Vor allem billige Kabel leisten hier ganze Arbeit und vernichten vor allem Höhen.

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    Das Diagramm zeigt wieder unser konkretes Beispiel mit maximaler Lautstärke und nicht aktivierter Höhenblende. Die Einflüsse des Kabels sind nur mit einer Kapazität eingerechnet und zwar mit 100pF pro Meter, das ist ein verbreiteter Wert. In Wirklichkeit kommen noch der Kabelwiderstand und eine Kabelinduktivität dazu, die wir aber hier vernachlässigen. Der Amp schlägt mit einem Eingangswiderstand (ca. 500kOhm bis 1Mohm) und einer Eingangskapazität (ca. 10pF-100pF) zu Buche.
    Wir sehen, wie bei zunehmender Kabellänge der Charakter des Signals verändert wird, das Kabel klaut uns Höhen. Bei schlechten Kabeln kann der Verlust noch viel größer sein, während spezielle Baß-Kabel genau solche Verluste zwar nicht ganz verhindert, aber doch zumindest stark vermindern.


    Charakter von Pickups
    Für den Charakter von PUs ist eine spezielle Resonanzüberhöhung gewollt und unerläßlich. Baß-Hersteller stimmen ihre Schaltungen auf die Daten der Pickups ab und sorgen so für einen unverwechselbaren Sound. Generell kann man sagen, daß PUs ohne eine solche Überhöhung farblos klingen. Hohe Resonanzen klingen gläsern und hart, tiefe Resonanzen klingen dumpfer. Eine Abstimmung der PUs mit Schaltung ist deshalb sehr wichtig.


    Fazit
    Wir sehen, daß die Einflüsse auf den Sound eines passiven Baß sehr vielfältig sind.
    Das muß natürlich nicht heißen, daß man seinen Sound nicht finden kann. Man wird die Tücken der Lautstärke- und Tone-Potis relativ schnell intuitiv auf die Spur kommen, man wird immer (oder meistens) dasselbe Kabel und denselben Amp benutzen. Trotz allem wird man nie die Brillianz und Reproduzierbarkeit eines aktiven Systems erreichen.


    Offene Fragen:

    Was ist denn nun besser an aktiven Systemen?
    Bei aktiven PUs und bei der Kombination passive PUs/aktive Schaltung, wird das Baß-Signal mit einem Impedanzwandler sehr hochohmig abgenommen, so das es fast nicht belastet wird. Das Ausgangssignal des Impedanzwandlers kann jederzeit mit Potis usw. belastet werden ohne den Frequenzgang zu verfälschen.
    Um die Resonanzstelle auf eine attraktive Frequenz und Höhe einzustellen werden einfach ein entsprechender Kondensator und Widerstand am PU verschaltet.

    Warum sind bei meinem Baß 50kOhm Potis verbaut obwohl die das Signal stark belasten?
    Es handelt sich ziemlich sicher um einen aktiven Baß. Nach dem Impedanzwandler kann man durchaus kleinere Potiwerte wählen, zu klein können die Werte allerdings auch nicht sein, denn sonst würde sogar der stabile Ausgang in die Knie gehen.
    Generell sind kleinere Werte störunanfälliger.

    Warum baut Fender im Jazz-Bass so eine schlechte Lautstärkeregelung ein?
    Fender hätte mit Sicherheit dieselbe Schaltung wie im Precision genommen, es werden jedoch im Jazz-Bass zwei PUs verwendet. Die angegebene Schaltung ist die einzige Möglichkeiten zwei PUs einfach und vernünftig zu mischen. Nähme man die Preci-Schaltung, würde ein komplett zurückgedrehter PU das gesamte Signal auf Null ziehen auch wenn der andere PU voll aufgedreht wäre. Deshalb ist das ein Kompromiß der sich lange und bewährt gehalten hat.


    Ich werde in einem nächsten Beitrag auf noch näher auf spezielle Baß-Schaltungen eingehen.
     
  2. AK

    AK Threadersteller HCA Bass/Elektronik HCA

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    Erstellt: 25.01.05   #2
    Passive Pickups - passive Schaltung - Teil 2
    Der Schaltungs-Baukasten für passive Bässe

    Wir haben im ersten Teil - wie ich hoffe - einiges zum Thema passive PUs/passive Schaltungen erfahren. Die Funktionsweise der einzelnen Elemente wurde erklärt und nun möchte ich die verschiedenen Möglichkeiten zur Erstellung, Erweiterung, Änderung oder einfach nur zum besseren Verständnis von Baß-Schaltungen vorstellen.

    Lautstärkeeinstellung bei 1 PU
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    Die beiden Schaltungen kennen wir schon aus dem ersten Teil. A ist die klassische Precision-Schaltung mit den bekannten Vorteilen, B stammt aus dem Jazz-Bass und hat wie erläutert das Problem, das bei Verringern der Lautstärke der PU mehrbelastet und dadurch der Sound verändert wird. Vernünftige Werte für das Poti P sind 250KOhm - 1MOhm logarithmisch.

    Lautstärkeeinstellung bei 2 PUs
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    Schaltung A zeigt die getrennte Lautstärkeeinstellung bei zwei Pickups. Jeder Pickup kann praktisch über das Poti "ausgedreht" werden. Eine getrennte Einstellung ist über den gesamten Bereich möglich, Nachteil ist die beschriebene Potistellungs-abhängige Belastung. Wir sehen allerdings, daß dies trotz der Nachteile die einzige praktikable Möglichkeit ist mit getrennten Reglern zu arbeiten. Vernünftige Werte für die Potis P1 und P2 sind 250KOhm - 1MOhm logarithmisch.
    Schaltung B zeigt ebenfalls eine getrennt Lautstärkeeinstellung. Zwar werden hier die PUs immer konstant belastet aber ein großer Nachteil zeigt sich, wenn man einen PU sehr leise einstellen möchte. Wir sehen daß die Schleifer der PUs am Ausgang verbunden sind. Wird nun ein Poti leiser also gegen Null gestellt, zieht das automatisch den Ausgang auf Null und wir legen damit auch das voll aufgedrehte Signal des anderen PUs auf Null. Vernünftig arbeitet die Schaltung nur wenn die Potis mindestens 1/3 aufgedreht sind. Wird ein PU "ausgedreht" ist das komplette Signal weg. Es gibt trotzdem einige ältere Bässe die diese Schaltung drin hatten. Vernünftige Werte für die Potis P1 und P2 sind 250KOhm - 1MOhm logarithmisch.
    Schaltung C ist eigentlich keine richtige Lautstärkeeinstellung. Mit einem Stereopoti kann man eine Überblendung (auch Pan oder Panorama) realisieren. Ist das eine Poti zugedreht, ist das andere geöffnet und umgekehrt. In Mittelstellung sind die Signale der PUs gleich groß. Kleiner Nachteil ist, das durch die Belastung der PUs das Signal eines einzelnen PUs immer lauter ist als das der gemischten PUs in Mittelstellung. Eine Überblendung wird immer gefolgt von einer Lautstärkeeinstellung, so daß man einmal sein Soundgemisch einstellt und danach die Lautstärke unabhängig davon regeln kann.
    Vernünftige Werte für das Stereopoti P sind 250kOhm bis 1Mohm linear.

    Höhenblende / Höhenswitch
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    Schaltung A zeigt die ausführlich erklärte Höhenblende. Je größer der Kondensator C um so tiefer rutscht die Frequenz ab welcher die Höhen beschnitten werden. Bei zu großen Werten bleiben nur noch wummernde Tiefen übrig, bei zu kleinen Werten hat die Blende keine spürbare Wirkung.
    Vernünftige Werte für das Poti P sind 250kOhm - 1MOhm logarithmisch, der Kondensator C1 sollte im Bereich 10nF bis 100nF liegen.
    Schaltung B zeigt einen Höhenswitch oder C-Switch. In Stellung 1 des Schalters wird das Signal nicht verändert, während in Stellung2 und 3 verschiedene Kondensatorwerte die Klangfarbe verändern. Für die Kondensatoren gelten die gleichen Ausführungen wie in Schaltung A. Man kann natürlich mit einem größeren Schalter noch mehr Werte schalten.
    Schaltung C zeigt eine Kombination aus A und B. Die Höhenblende ist regelbar und zusätzlich in ihrer Wirkfrequenz umschaltbar.
    Für alle Werte gilt C1, C2 10nF -100nF, P 250kOhm - 1MOhm logarithmisch

    Baßblende / Baß-Switch
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    Die Funktion der Baßblende ist analog zu Höhenblende. Je kleiner der Kondensator um so größer ist die Frequenz bei welcher die Blende einsetzt. Passive Baß-Blenden werden nur selten in Bässen eingesetzt.
    Schaltung A zeigt die einfachste Form. Wir sehen, daß man einen zusätzliche Widerstand benötigt. Der Grund ist einfach zu erklären, wäre der Widerstand nicht in der Schaltung, würden wir mit der Baßblende unser Signal kurzschließen.
    Schaltung B zeigt eine Baßblende mit zusätzlich schaltbarer Wirkfrequenz.
    Schaltung C ist eine Kombination von Baß-Switch mit dem Lautstärkeregler. In der ersten Stellung geht das Signal unverändert zum Lautstärke-Poti, während in Stellung 2 und 3 eine feste Blende, bestimmt durch die Kondenstoren ausf das Signal wirkt.
    Vernünftige Wert für die Bauteile sind: P 250kOhm - 1MOhm logarthmisch, R > 100kOhm, C, C1, C2: 47nF - 220nF

    PU-Umschalter
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    Eine Methode PUs ohne größere Verluste anzuwählen ist ein Umschalter. Früher eine Domäne der E-Gitarren entdeckt die Bassistenwelt immer mehr die Vorteile dieser Technik.
    Schaltung A zeigt die primitivste Form eines Umschalters. Für jeden PU gibt es einen Schalter. Es ergeben sich 4 Schaltzustände: PU1, PU2, PU1+PU2, kein PU.
    Schaltung B zeigt eine dreistufige Wahl zwischen PU1, PU2, PU1+PU2. Realisieren kann man dies mit einem Drehschalter 3 Stufen auf zwei Ebenen oder mit einem speziellen für die Gitarrenwelt gebauten Schalter bekannt aus der Gibson Les Pauls. Bei diesem Schalter haben wir nur die drei Anschlüsse des weißen Schalterblocks aus der Zeichnung. Dies vereinfacht die Verdrahtung natürlich.
    Schaltung C zeigt eine Parallel/Serien-Umschaltung für zwei PUs. Man erhält bei vielen PUs durchaus gute Ergebnisse, wenn man die PUs in Serie schält, dies klingt meist knackiger und brilllianter. Benötigt wird dazu ein 2fach Umschalter.
    Schaltung D ist sehr trickreich, auch bekannt als die Häussel-Schaltung. Ich habe sie mal so aufgezeichnet, daß man sehen kann wie sie funktioniert. In Stellung wird nur PU1 gewählt (über A-1), in Stellung 2 nur PU2 (über B-2 und C-2 ) in Stellung sind PU1 und PU2 parallel geschaltet (über A-3, B-3 und C-3) und in Stellung 4 sind PU1 und PU2 in Serie geschaltet (über A-4, B-4 und C-4). Benötigt wird ein Schalter mit 4 Stufen und 3 Ebenen.

    Kombination der einzelnen Elemente
    Es fragt sich nun in welcher Reihenfolge die einzelnen Elemente angeordnet werden sollten. Dazu gibt es unzählige Möglichkeiten. Im dritten Teil dieses Beitrags werden wir Schaltungen aus verschiedenen Bässen anschauen.
     
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