Die Wahl des "richtigen" Tonkondensators

Potis, Schalter, Tonabnehmer, Kondensatoren und Platinen;
wie verschalte ich was richtig?
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DerOnkel
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Die Wahl des "richtigen" Tonkondensators

#1

Beitrag von DerOnkel » 01.06.2010, 14:20

Über den "Klang" verschiedener Kondensatoren kann man die tollsten Sachen lesen und bei YouTube auch "hören". Der Onkel ist da mal etwas analytisch an die Sache rangegangen:

Dieser Beitrag ist Bestandteil des Artikels "Die Klangeinstellung in der Elektrogitarre". Einige Tabellen wurden als Grafiken über einen externen Hoster eingebunden. Sollten sie nicht mehr verfügbar sein, hilft nur ein direkter Besuch bei den Guitar-Letters.

8. Die Wahl des "richtigen" Tonkondensators

Die Auswahl eines geeigenten Kondensators für die Tonblende scheint ähnlichen Mysterien zu unterliegen, wie die Frage nach dem Tonabnehmer mit dem "richtigen" Sound. "Bumble Bee", "Tropical Fish" und "Orange Drop" sind nur einige Begriffe, die in diesem Zusammenhang immer wieder fallen. In den dazugehörenden Diskussionen werden den verschiedenen Kondensatortypen durchaus unterschiedliche klangliche Eigenschaften zugeordnet. Interessanterweise kommen die - elektrotechnisch meist ungebildeten - Diskutanten häufig zu ganz verschiedenen Ergebnissen. Zieht man dann noch in Betracht, daß die elementarsten Eigenschaften eines Kondensators, nämlich seine Kapazität und deren Toleranz, in der Regel in den Diskussionen keine Rolle spielen, so muß man aus technischer Sicht zu dem Schluß kommen, daß die entsprechenden Ergebnisse durch die Bank weg haltlos sind. Das häufig gebrachte Argument "Aber ich höre es doch!" ändert an diesem Sachstand wenig, bietet den betreffenden Zeitgenossen aber immerhin die Möglichkeit, sich auf eine quasi uneinehmbare Position zurückzuziehen!

Wenn wir über den Einsatz von Kondensatoren reden, dann muß man zunächst zwei Dinge unterscheiden:
  1. Kondensatoren gleicher Kapazität aber unterschiedlicher Technologie und
  2. Kondensatoren aus der gleichen Technologie mit unterschiedlichem Kapazitäten.
Wie auch immer man es beginnt, eine Mischung dieser beiden Punkte sollte man unbedingt vermeiden!

Im Laufe der Entwicklung sind eine ganze Reihe verschiedener Kondensatortypen entstanden, die sich im Wesentlichen durch das verwendete Dielektrikum unterscheiden. Um es gleich vorweg zu sagen: Den idealen Kondensator gibt es leider immer noch nicht! Je nach Wahl und Anwendungsfall muß man mit mehr oder weniger starken parasitären Effekten rechnen. Zu diesem Thema gibt es reichlich Literatur. Ich möchte auf diese Problematik hier also nicht weiter eingehen.

Folgt man der reinen Lehre, wie sie für die Verarbeitung von Audio-Signalen und mehr noch in der Meßtechnik gilt, dann sind Kondensatoren mit elektrolytischem oder keramischem Dielektrikum geradezu verboten. Insbesondere keramische Kondensatoren weisen eine ganze Reihe von nichtlinearen Effekten auf, die sich durchaus klangbeeinflussend bemerkbar machen können. Ähnliches gilt für die sogenannten Elkos, die nur geoplt betrieben werden dürfen. Aus diesem Grund werden in den Signalwegen hochwertiger Audioschaltungen nur gute Folienkondensatoren verwendet. Aber auch hier gibt es solche und solche. Ein wichtiges Kritierium ist hier die sogenannte "Dielektrische Absorption". Helmuth Lemme schreibt dazu auf seiner Webseite im Artikel "Kondensatoren als Störenfriede":
Die Dielektrische Absorption verhindert bei Beaufschlagung mit Wechselspannung eine vollständige Volladung und Entladung. Wenn sich das Signal umpolt, dann erzeugt sie einen verzögerten Strom mit der vorhergehenden Polarität; es ergibt sich ein Hystereseeffekt, der mit zunehmender Frequenz stärker wird. Die klangliche Wirkung bei einem HiFi-Verstärker ist ein Verlust an Detailtreue; die Wiedergabe wirkt unpräzise, komprimiert, der Dynamikbereich verringert sich, der Rauschuntergrund steigt an.
Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus Polypropylen weisen diesbezüglich die besten Werte auf. Sie liegen, laut Wikipedia, zwischen 0,01 bis 0,05%. Der deutsche Hersteller Wima gibt hier einen Bereich von 0,05 bis 0,10% an. Zum Vergleich: Aluminium-Elkos weisen Werte bis zu 15% auf!

8.1 Was "hört" man denn (nicht)?

Bevor man daran geht, mit einer Kiste Kondensatoren in der Hand, ein Hörexperiment zu machen, sollte man die Frage stellen, ob es denn überhaupt etwas zu hören gibt? Zu diesem Zweck schaltet man am besten das Gehör aus und den Rechner an. Mit ihm kann man nämlich auch ganz gute Experimente machen!

Zunächst geht es darum, die Wirkung verschiedener Kapazitäten in der Tonblende im Hinblick auf die Resonanzfrequenz und ihre Ausprägung zu beurteilen. Zu diesem Zweck wurde von den schon bekannten Werten ausgegangen:
Ls=2.2H, Cs=110pF, Rs=5.7kOhm, PT=250kOhm, RT=0Ohm, PV=250kOhm, CK=700pF, Rin=1MOhm, Cin=0pF
Für den Kondensator CT wurden jetzt 15 verschiedene Werte eingesetzt und anschließend die Resonanzfrequenz und die Spitze errechnet. Dabei wurde die Tonblende einmal ganz auf (100%) und dann ganz zu (0%) gemacht.
Bild
Tabelle 3: Tonblende mit verschiedenen Kapazitäten
Diskutieren wir zunächst das Ergebnis bei 100% Tonblende. Dazu sehen wir uns die Ergebnisse auch in graphischer Form an:
Bild
Bild 19: Resonanzen der "offenen" Tonblende bei verschiedenen Kapazitäten
Generell kann man sagen, daß die Resonanzfrequenz proportional mit der Kapazität ansteigt und die Resonanzspitze dafür kleiner wird. So bemerkenswert ist das jedoch nicht, denn für die Resonanzfrequenzen lassen sich ein Mittelwert von 3,529kHz und eine Streuung von nur 20Hz bestimmen. Man kann also durchaus sagen, daß sich hier eigentlich nichts verändert. Die relative Änderung beträgt maximal 0,6%. Auch bei der Spitze der Resonanz liegt eine äußerst geringe Streuung von 0,05dB vor. Jetzt stellt sich die Frage, ob man diese geringen Unterschiede überhaupt hören kann?

Zur Beantwortung dieser Frage nutzen wir die logarithmische Maßeinheit "Cent" für musikalische Intervalle. In Wikipedia war dazu am 11.03.2010 folgendes zu lesen:
... daß der kleinste erkennbare Frequenzunterschied für Sinustöne beim Menschen bei Frequenzen ab 1000 Hz bei etwa drei bis sechs Cent liegt. Geringere Intervallunterschiede werden beim Nacheinander-Erklingen der Töne nicht mehr erkannt.
Bei tiefen Sinustönen mit geringer Lautstärke steigt hingegen die Unterscheidungsschwelle auf über 100 Cent, also einem Halbton.
Wendet man diese Schwelle auf unsere Ergebnisse an, so ist festzustellen, daß 10 von 14 Unterschiede nicht mehr wahrzunehmen sind!

Aber auch hier ist Vorsicht angebracht, denn diese Wahrnehmungsschwelle basiert darauf, daß zwei Frequenzen in einem bestimmten Verhältnis real als Schallereignis existieren. Bei der Tonblende geht es jedoch um eine Filterwirkung, mit der ein Schallereignis bewertet wird. Beinhaltet das Signal im fraglichen Frequenzbereich keine spektralen Anteile, so wird man die Betonung selbstverständlich nicht wahrnehmen, denn wo nichts ist...

Zu ähnlichen Schlüssen gelangt man, wenn man sich die Änderung der Resonanzspitze ansieht: Von 1nF nach 1,5nF beträgt sie 0,97%. Aber schon ab 5,6nF sind wir mit 0,05% bei deutlich geringeren Verhältnissen.

Aus den vorliegenden Ergebnissen kann man dann nur zu einem Schluß kommen:

Mit einer "offenen" Tonblende (100%) lassen sich die klanglichen Auswirkungen unterschiedlicher Kapazitäten für den Tonkondensator nicht mehr wahrnehmen!

Kommen wir nun zum Fall der "geschlossenen" Tonblende. Hier sind nun deutliche Unterschiede festzustellen, wie das folgende Bild zeigt!
Bild
Bild 20: Resonanzen der "geschlossenen" Tonblende bei verschiedenen Kapazitäten
Die Erklärung dieses Verhaltens wurde bereits in Kapitel 1 des Artikels gegeben. Hier bleibt also nur folgendes festzustellen:

Mit einer "geschlossenen" Tonblende (0%) üben unterschiedlicher Kapazitäten für den Tonkondensator starken Einfluß auf den Klang aus!

Damit ist nachgewiesen, daß man den Einfluß des Tonkondensators nicht bei "offener", sondern im bestem Fall bei "geschlossener" Tonblende beurteilen kann.

Kommen wir nun zu "dem" Klassiker schlechthin: Man kauft sich verschiedene Kondensatoren mit gleicher Nennkapazität und vergleicht ihren klanglichen Einfluß miteinander.

Wie schon im vorhergehenden Experiment vernachlässigen wir wieder irgendwelche nichtlinearen Effekte, die auf Konstruktion oder Materialauswahl der verschiedenen Kondensatoren beruhen. "Unsere" Kondensatoren unterscheiden sich lediglich durch ihre Kapazität, denn die tatsächliche Kapazität eines Kondensators kann um bis zu 20% von seinem Nennwert abweichen! Wir gehen von einer Nennkapazität von 22nF aus und berechnen wieder Resonanzfrequenz, Güte und die Abweichung für die beiden Fälle Tone=100% und Tone=0%:
Bild
Tabelle 4: Tonblende mit "gleichen" Kapazitäten
Wie zu erwarten war, sind Unterschiede wieder nur bei "geschlossener" Tonblende wahrzunehmen! Aufgrund der deutlich geringeren Variation der Kapazität sind die Unterschiede generell sogar deutlich geringer als in Tabelle 3. Betrachten wir die beiden Extremfälle 17,6nF und 26,4nF, dann wird man diesen Unterschied sicherlich als Nuance wahrnehmen!

Wer also Kondensatoren gleicher Nennkapazität von verschiedenen Herstellern und mit unterschiedlichen Dielektrika miteinander vergleicht, der wird in aller Regel denn Effekt der Streuungen wahrnehmen. Ich habe in solchen Diskussionen noch nie gelesen, daß die betreffenden "Fachleute" tatsächlich die Kapazitäten bestimmt und zum Vergleich nur Bauelemente mit der gleichen Kapazität verwendet haben! Macht man das nicht, so ist ein solcher Vergleich einfach nur unseriös und führt prompt zu falschen Schlußfolgerungen! So ein Vorgehen wird nur noch von einem Vergleich unterschiedlicher Dielektrika mit verschiedenen Nennkapazitäten übertroffen. Die Sache mit den Äpfeln und Birnen ist dagegen harmlos! Wer die entsprechenden Höreindrücke dann mit den unterschiedlichen Dielektrika in Verbindung bringt, legt damit nur eindeutig seine fachliche Unwissenheit dar!

8.2 Nichtlineare Effekte

Zunächst ja, es gibt nichtlineare Effekte bei Kondensatoren. Je nach Bauformn und Dielektrikum sogar unterschiedliche. Sie verursachen letztendlich nichts anderes als Klirrfaktor. Ob wir das Ergebniss dann als wohlklingend oder als Geräusch empfinden, hängt immer vom Einzelfall ab. Klirrfaktor selber ist für den Gitarristen ja nichts Schlechtes, sonst würden sich Overdrive, Fuzz & Co. ja nicht seit Jahrzehnten so großer Beliebtheit erfreuen. Die Frage ist nur, ob sich der nichtlineare Effekt eines Kondensators in der Tonblende überhaupt hörbar auswirken kann?

Eine Möglichkeit, einen nichtlinearen Effekt beim Kondensator zu modellieren besteht darin, einen spannungsabhängigen Widerstand parallel zu einem idealen Kondensator zu schalten. Man erzeugt dadurch quasi einen Kondensator mit einem spannungsabhängigen Leckstrom. Jetzt schauen wir mal, unter welchen Bedingungen so ein Verhalten negativ auffällt:

Bei einer Frequenz von 1kHz und einer Kapazität von 22nF beträgt der Blindwiderstand des Kondensators 7,2kOhm. Wir nehmen eine Veränderung von 1% an. Dann wäre der Widerstand der Parallelschaltung aus idealem Kondensator und spannungsabhängigem Widerstand 7,16kOhm. Das führt dann zu einem Widerstand von 716kOhm. Lassen wir 2% zu, dann kann der gesamte Widerstand um +/- 1% schwanken. Der spannungsabhängige Widerstand würde dann zwischen 350kOhm und 716kOhm schwanken. Der Mittelwert wäre dann 535kOhm. Bei einer Frequenz von 10kHz sinkt dieser Wert sogar auf 53kOhm! Ein solcher Kondensator wäre, aufgrund dieser Verluste, schlicht und ergreifend unbrauchbar! Gängige Kondensatoren haben hier Werte im Bereich von mehreren Megaohm. Ein solcher spannungsabhängiger Widerstand wird sich also nicht "störend" bemerkbar machen. Erst recht nicht, da der Kennwiderstand des Potis mit 250kOhm oder gar 500kOhm schon um den Faktor 30 bis 60 größer ist, als der Blindwiderstand des Kondensators.

Einige keramische Kondensatoren zeigen einen spannungsabhängigen, nichtlinearen Verlauf der Kapazität. Ursache ist eine spannungsabhängige Dielektrizitätszahl. In der Folge kann die Kapazität bei Nennspannung gegenüber einer Prüfspannung von 1V um bis zu 90% absinken! Unterstellt man exponentielle Verhältnisse, dann kann die Kapazität im Bereich bis zu 2,5V durchaus um bis zu 10% absinken. So hohe Spannungen liegen am Tonkondensator aber nie an, denn er bildet ja mit dem Poti einen Spannungsteiler. Bei 1kHz und 250kOhm beträgt der Teilungsfaktor dann 0,028. Von maximal 2,5V bleiben dann nur noch 70mV übrig. Dazu gehört dann eine Kapazitätsabweichung von rund 0,26%. Ob man diesen Effekt wirklich wahrnimmt ist fraglich, insbesondere da die mittlere Signalspannung einer Elektrogitarre deutlich geringer ist als 2,5V.

Anders sieht es aus, wenn die Tonblende "zu" ist. Dann können die 10% Abweichung durchaus hörbar werden, wie schon in Tabelle 4 dargelegt wurde. Da die Signalspannung im Mittel aber deutlich kleiner ist, kann man eher mit einer prozentualen Abweichung von 1% rechnen. Wenn dieser Effekt also wahrzunehmen ist, dann höchstens als Nuance bei sehr dynamischem Spiel!

Trotz ihrer schlechten Eigenschaften findet man keramische Kondensatoren auch in hochwertigen Audioschaltungen als Ablockkondensatoren. Aus Wechselspannungssicht liegen sie dann parallel zur Signalquelle. Da die Quellen aber in der Regel recht starke Spannungsquellen mit kleinem Innenwiderstand sind, wird die eingeprägte Spannung durch den Kondensator nicht nennenswert verfälscht. Das schändliche Treiben dieser Kondensatoren fällt also nicht auf! Problematisch wird es nur, wenn Kondensatoren mit starken nichtlinearen Eigenschaften im direkten Signalweg (in Spannungsteilern und Filtern) eingesetzt werden. Hier können sie sich im wahrsten Sinne hörbar bemerkbar machen und sind aus diesem Grunde dort verpönt!

8.3 Schlußfolgerungen

Unterschiede bei verschiedenen Kondensatoren in der Tonblende? Ja, man kann Unterschiede wahrnehmen! Aber wie gezeigt wurde, sind hier weniger die nichtlinearen Eigenschaften der unterschiedlichen Bauformen die Ursache, sondern die streuende Kapazität.

Der häufig zu findende Aussage, daß nur der Kondensator von diesem oder jenen Hersteller den originalen XY-Sound garantiert, sollte man daher sehr vorsichtig begegnen. Insbesondere, wenn es sich um einen Händler handelt, der sich das gute Stück teuer bezahlen läßt. Vernünftige Folienkondensatoren sind Cent-Artikel. In Ausnahmefällen kann der Preis schon mal in den Bereich eines Euros klettern, aber dann sollte wirklich Schluß sein! Alles andere ist pure Abzocke!

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Re: Die Wahl des "richtigen" Tonkondensators

#2

Beitrag von 12stringbassman » 01.06.2010, 15:34

@ Onkel Ulf:

Vielen Dank für die klaren Worte!
"Denken ist wie googeln, nur krasser!"

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Re: Die Wahl des "richtigen" Tonkondensators

#3

Beitrag von irgendwer » 01.06.2010, 15:57

Hallo Onkel Wulf!

Danke. Als Anmerkung, vielleicht kannst du die in deiner Simulation verwendete Schaltung mit in den Artikel einbauen.
Mit den Werten zum jeweiligen Bauteil. Ein Bild sagt mehr... und so weiter. So ists für uneingeweihte recht schwer, deine Ausgangsparameter zu entziffern. Und die Parameter mangels Tiefstellmöglichkeit vielleicht eher R_s und C_s nennen.

Gruss, Max
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Re: Die Wahl des "richtigen" Tonkondensators

#4

Beitrag von DerOnkel » 01.06.2010, 16:13

irgendwer hat geschrieben:...vielleicht kannst du die in deiner Simulation verwendete Schaltung mit in den Artikel einbauen.
Mit den Werten zum jeweiligen Bauteil. Ein Bild sagt mehr...
Wie ich eingangs bereits erwähnte, ist dieser Beitrag Bestandteil eines größeren Artikels. Wenn Du dort einmal nachsiehst...

Ich wollte den gesamten Artikel hier nicht noch einmal einstellen. Die erste Version datiert immerhin vom Februar 2007 und da gab es dieses Forum noch nicht! ;)

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Re: Die Wahl des "richtigen" Tonkondensators

#5

Beitrag von capricky » 01.06.2010, 17:26

Vielleicht sollte ich diese einmalige Gelegenheit nutzen, ein ganz großes Geheimnis der "Tonebildungskunst" zu lüften - man kann Kondensatoren tatsächlich parallelschalten! ;) Die sich ergebenden Gesamtkapazitäten bewirken reale Veränderungen im Höreindruck. So kann zu einem 15nF Kondensator ein 4,7nF Kondensator geschaltet werden, ergibt 19,7nF, oder 22nF und 3,3nF = 25,3nF....wer hätte das gedacht?. Das ist die Theorie, in der Realität muß man die Kondensatoren aber vorher messen, denn der aufgedruckte Wert entspricht im seltensten Fall auf Grund der Fertigungstoleranzen dem realen Wert. Experimente können sich für die , die viel mit dem Toneregler arbeiten, also durchaus lohnen. Was ist schon besser als ein Ölpapierkondensator (pio)? Richtig, zwei parallelgeschaltete Ölpapierkondensatoren! :badgrin:

capricky

-Achtung, dieses post enthält leicht zu durchschauende Ironie, ist aber durchaus ernstgemeint

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Re: Die Wahl des "richtigen" Tonkondensators

#6

Beitrag von DerOnkel » 01.06.2010, 17:47

Oha, das trieft ja schon vor lauter ironischem Öl! ;)

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