Der C-Switch - (k)einer für alle?

Potis, Schalter, Tonabnehmer, Kondensatoren und Platinen;
wie verschalte ich was richtig?
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Der C-Switch - (k)einer für alle?

#1

Beitrag von DerOnkel » 12.01.2014, 11:05

Der C-Switch - (k)einer für alle?

(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist immer in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)

Einleitung

Über die Bedeutung eines parallelen Lastkondensators als Mittel zur Klangveränderung bei den Magnettonabnehmern einer Elektrogitarre hat Helmuth Lemme bereits 1977 in seinem Buch "Elektro Gitarren" hingewiesen. Mit einem C-Switch als Lastkondensator lassen sich verschiedene Klangfarben erzeugen. Aus elektrotechnischer Sicht ist der C-Switch immer nur ein Bestandteil eines linearen Filters, der für die "elektrische" Klangeinfärbung verantwortlich ist. Er wirkt also immer zusammen mit den anderen Komponenten in der Elektrogitarre. In der Gitarrenelektronik wird er von Lemme auf drei verschiedene Weisen eingesetzt:
  1. Als paralleler Lastkondensator um die Resonanzfrequenz des Tonabnehmers zu verringern,
  2. als Ersatz des Kondensators für die Tonblende, was auch eine Resonanzverschiebung bedeutet, und
  3. in Reihe zum Lautstärkeeinsteller geschaltet als Bass-Schalter zur Absenkung der tiefen Frequenzen.
In diesem Artikel werden wir uns hauptsächlich mit der Wirkung des C-Switch als veränderlicher Lastkondensator beschäftigen. Der Frage, ob ein solcher Resonanzschalter wirklich als Ersatz der Tonblende dienen kann, wird hier nicht weiter verfolgt werden.

Helmuth Lemme bietet auf seiner Internetpräsenz fertige C-Switches an. Man kann einen solchen Schalter aber auch leicht und mit wenig Aufwand selber bauen. Da stellt sich dann nur die Frage nach der Dimensionierung der verschiedenen Kondensatoren. Aber auch da wird man manchmal im Internet fündig. In Guitar-Letter II findet man zum Beispiel in Tabelle 2-2 entsprechende Werte. Aber kann man vom Einsatz so eines "Standard-C-Switch" auch immer optimale Ergebnisse erwarten? Dieser Frage wollen wir in diesem Artikel ein wenig auf den Grund gehen.

1. Was ist eigentlich ein C-Switch?

Wenn man den "Klang" eines Tonabnehmers verändern will, hat man grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Man kann die Induktivität L verändern oder die Kapazität C. Beides führt zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz des Tonabnehmers. Eine Veränderung der Induktivität ist ganz einfach: Man kauft einen anderen Tonabnehmer. Hinterher hat man aber auch einfach weniger Geld in der Tasche - ein deutlicher Nachteil, den die Gitarristen aber meistens, ohne mit der Wimper zu zucken, in Kauf nehmen!

Die Kapazität läßt sich deutlich einfacher verändern. Man benötigt lediglich einen Kondensator mit einer anderen Kapazität - eine vergleichsweise preiswerte Lösung. Wenn die Kapazität dann auch noch einstellbar ist... umso besser! Die Industrie bietet zu diesem Zweck sogenannte Drehkondensatoren an. Bis in die 70er Jahre fand man solche Bauteile in jedem Rundfunktempfänger. Einer ihrer größten Nachteile wird jedoch schnell augenfällig: Die mechanische Größe!
Bild
Abbildung 1: Tandem-Luftdrehkondensator (ca. 500pF)
Diese Kondensatoren bestehen aus zwei Plattensätzen von denen einer an einer Achse befestigt ist. Durch Drehen der Achse verändert sich die kapazitiv wirksame Fläche und damit die Kapazität des Kondensators. Da hier Luft als Dielektrikum verwendet wird, haben solche Kondensatoren aber eine vergleichweise geringe Kapazität. 500pF sind da schon ein großer Wert. Dafür beträgt die Einbautiefe dann auch locker 5 bis 7 Zentimeter! Im Zusammenspiel mit einem Tonabnehmer werden zur Verschiebung der Resonanzfrequenz allerdings Kapazitäten bis zu 30nF benötigt. Wie groß ein solcher "Drehko" dann wird, kann sich wohl jeder leicht vorstellen. Abgesehen davon kann man sich für den Preis eines solchen Bauteiles auch locker einen anderen Tonabnehmer kaufen! So geht es also ganz bestimmt nicht!

Natürlich läßt sich eine veränderlich Kapazität auch auf andere Weise erzeugen. Zum Beispiel mit einer Kapazitätsdiode. Aber auch hier verhindert die geringe Kapazität den erfolgreichen Einsatz in der Elektrogitarre. Abgesehen davon benötigt die Kapazitätsdiode eine Gleichspannung zur Einstellung der Kapazität. Also muß eine Batterie in die Gitarre. Igitt! Bild

So geht es also auch nicht! Dann bleibt nur die Möglichkeit, Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitäten mit Hilfe eines Schalters auszuwählen und genau so eine Schaltung fand man dann auch schon in Lemmes erstem kleinen Buch.
Bild
Abbildung 2: Kapazitätzsumschalter (C-Switch) als Zweipol
Diese Konstruktion ist aus elektrotechnischer Sicht ein einfacher Zweipol und da ein Kondensator in Schaltbildern mit dem Symbol "C" bezeichnet wird, nannte Lemme diesen Zweipol einfach "C-Switch".

2. Die ideale Resonanzverschiebung

Bekanntlich wird der "Klang" eines Magnettonabnehmers in erster Linie durch die Lage und Ausprägung seiner Resonanz bestimmt. Sie betont einen bestimmten Frequenzbereich, wodurch die hörbare Klangeinfärbung letztendlich entsteht. Das folgende Bild zeigt den Amplitudengang eines Magnettonabnehmers mit der typischen Beschaltung durch Tonblende (Tone), Lautstärkeeinsteller (Volume) und Instrumentenkabel:
Bild
Abbildung 3: Typischer Amplitudengang eines belasteten Tonabnehmers
Der "Berg" legt fest, "wo" im Spektrum die Klangeinfärbung geschieht. Er hat seinen Gipfel - die Resonanzspitze - bei der Resonanzfrequenz (hier in etwa 3,5kHz). Die Betonung ist umso stärker, je höher der Berg ist. Seine "Höhe" wird aus technischer Sicht durch die sogenannte Güte (engl. Quality Factor) Q beschrieben. Die Klangfarbe wird durch die Lage des Berges festgelegt. Verschieben wir ihn nach Links, also hin zu kleineren Frequenzen, dann wird der Klang mittiger, weicher. In die andere Richtung wird es immer heller, metallischer...

Kauft man einen anderen Tonabnehmer, der eine andere Induktivität besitzt, dann verändert sich die Lage der Resonanzfrequenz und damit der "Klang". Den gleichen Effekt kann man erreichen, wenn man die kapazitive Belastung des Tonabnehmers verändert. Auch dann verändert sich die Resonanzfrequenz. Beide Verfahren sind aus Sicht des Übertragungsverhaltens vollkommen identisch. Allerdings ist ein Kondensator deutlich billiger als ein Tonabnehmer, aber das hindert viele Gitarristen nicht daran, trotzdem den teureren Tonabnehmer zu kaufen. Das ist jedoch eine andere Geschichte....

Gibt man einem Techniker die Aufgabe, die Resonanzfrequenz einstellbar zu machen, dann wird er zum Beispiel mit der folgenden Lösung zurückkommen:
Bild
Abbildung 4: Ideale Resonanzverschiebung
Man erkennt, daß alle "Berge" gleich hoch sind. Es wird tatsächlich nur die Klangfarbe durch die Resonanzverschiebung verändert. Die Betonung ist also bei allen Resonanzfrequenzen gleich stark und das ist gut so.

Unser Techniker hat darüber hinaus keine "halben Sachen" gemacht und zwischen den "Bergen" in etwa den gleichen Abstand erzeugt. "Wieso das denn?", wird man jetzt wohl fragen. Die Antwort ist ganz einfach: Unser Tonhöhenempfinden ist keinesfalls linear ausgeprägt, sondern eine lineare Tonhöhenwahrnehmung ist mit einer annähernd geometrischen Veränderung der zugrunde liegenden Frequenzen verbunden! Der Abstand der einzelnen Resonanzfrequenzen ist tatsächlich also nicht konstant. Erst durch die logarithmierte Skalierung der Frequenzachse entsteht der optisch konstante Abstand, der unserem Hörempfinden entspricht. Aus mathematischer Sicht darf der Abstand zwischen den einzelnen Resonanzfrequenzen folglich nicht konstant sein, sondern das Verhältnis zweier benachbarter Resonanzfrequenzen muß konstant sein. Es handelt sich also nicht um eine arithmetische Folge, sondern um eine geometrische Folge. Nach dieser Gesetzmäßigkeit muß dann auch die Dimensionierung der einzelnen Kapazitätsstufen erfolgen. Hält man sich nicht an diese Regel, sondern sieht eine konstante Kapazitätsdifferenz vor, dann ist das das Resultat:
Bild
Abbildung 5: Resonanzverschiebung durch konstante Kapazitätsdifferenz
Es ist deutlich zu erkennen, daß sich die "Berge" bei den tiefen Frequenzen "drängeln". Da geht es dann so eng zu, daß man den Unterschied zwischen den einzelnen Frequenzen unter Umständen nicht mehr wahrnehmen kann! Wer Zeit und Lust hat, kann einen solchen C-Switch aufbauen und sich das Resultat anhören. Man kann aber auch dem Onkel glauben, denn er ist ein guter Onkel, der weiß, daß es so keinesfalls optimal ist!

So, das war die Sache mit "wo der Berg" steht. Daß alle Berge gleich hoch sein sollen, ist wohl klar, aber wie hoch dürfen sie denn sein? Nach Belieben oder gibt es da eine Grenze, die man besser nicht überschreiten sollte?

Tja, eine solche Grenze gibt es tatsächlich, denn der Berg wird aus elektrotechnischen Gründen immer schmaler, je höher er ist. Lemme hat seinerzeit dargelegt, daß eine Güte von mehr als 2 (6dB) anfängt "spitz" zu klingen und der Onkel unterstützt diese Aussage aus eigener Erfahrung! Das Ganze wird dann auch schnell etwas "dünn", da das Amplitudenverhältnis von hohen Frequenzen zu tiefen Frequenzen zu groß wird. Es entsteht dann leicht der Eindruck, daß die Bässe fehlen würden, was so natürlich nicht stimmt, da ja die hohen Frequenzen überbetont werden. Für den entstehenden Klangeindruck ist es jedoch egal, ob man die Bässe absenkt oder die Höhen anhebt. Entscheident ist der "Abstand"!

Diese 6dB-Grenze ist jedoch nicht besonders scharf, da jeder Mensch etwas anders hört. Wenn die Güte denn 2,1 beträgt wird wohl auch noch niemand "tot umfallen". Man sollte es jedoch nicht übertreiben!

Die meisten Magnettonabnehmer erreichen mit den üblichen Beschaltungen Güten, die in der Regel deutlich kleiner als 2 sind. Je nach Anschlußkabel ist es bei der Stratocaster ungefähr 1,8 (4,9dB). Die mit Humbuckern bestückte Les Paul erreicht diesen Wert nur dank der Potentiometer mit einem Kennwiderstand von 500kOhm. In der Schaltung der Stratocaster wäre mit den Humbuckern schon bei 1,25 (1,4dB) Schluß.

Fazit: Für eine ideale Resonanzverschiebung mit Hilfe einer veränderlichen Lastkapazität müssen die einzelnen Kapazitätsstufen eine geometrische Folge bilden! Die Güte sollte so eingestellt werden, daß ein Wert von 2 nach Möglichkeit nicht signifikant überschritten wird!

3. Real ist nicht ideal

In der 4. erweiterten Auflage seines Buches "Elektro Gitarren" aus dem Jahre 1982 zeigt Helmuth Lemme auf Seite 148 einen siebenstufigen C-Switch für den Einsatz in der Stratocaster. Für die Kapazitäten werden folgende Werte angegeben: C1=1nF, C2=1,5nF, C3=2,2nF, C4=3,3nF, C5=4,7nF, C6=6,8nF und C7=10nF. Gleichwohl Lemme in seinem Beispiel mit dem C-Switch eine Tonblende ersetzte und diese folglich fehlt, kombinieren wir ihn mit der Standardschaltung der Stratocaster. Der Schalter wird auf acht Positionen erweitert, damit die Lastkapazität auch ausgeschaltet werden kann (CL0=0). Hier ist das Schaltbild:
Bild
Abbildung 6: Stratocaster-Schaltung mit einfachem C-Switch
Zur Berechnung der verschiedenen Amplitudengänge kommt wieder GiSi, des Onkels selbstgeschriebener Simulator, zum Einsatz. Die Simulation selber basiert auf dem folgenden Modell:
Bild
Abbildung 7: Die Standardbeschaltung eines Tonabnehmers mit Tonblende, Volume, externer Belastung und Lastkondensator
In der Ersatzschaltung wird der Magnettonabnehmer durch die Spannungsquelle U0, die Spuleninduktivität Ls, den Gleichstromwiderstand Rs und die Wicklungskapazität Cs modelliert. Diese Bestandteile wurden, der besseren Übersichtlichkeit halber, in Blau gezeichnet. Der C-Switch wird durch den Lastkondensator CL (rot) dargestellt, der parallel zur Wicklungskapazität Cs und der Tonblende liegt. Die Tonblende (engl. Tone) wird durch die Bauelemente PT, RT und CT repräsentiert, wobei RT in den meisten Schaltungen einen Wert von 0 hat und darum weggelassen wird. Die Lautstärkeeinstellung (engl. Volume) besteht aus dem als Spannungsteiler geschalteten Potentiometer PV. Beide Schaltungsteile wurden in Grün dargestellt. Die externe Belastung wird durch die Kabelkapazität CK=700pF, den Eingangswiderstand des Verstärkers Rin=1MOhm und seiner Eingangskapazität Cin=0 gebildet.

Mit dieser passiven Ersatzschaltung läßt sich das elektrische Übertragungsverhalten fast jede Elektrogitarre beschreiben. Das Übertragungsverhalten selber ist der Quotient aus den Spannungen Uout und U0. Aus ihm wird durch Betragsbildung der sogenannte Amplitudengang erzeugt, der dann in doppeltlogarithmischer Form grafisch dargestellt wird.

Als Grundlage für die ersten Simulationen soll der bekannte Stratocastertonabnehmer dienen, dessen Werte Helmuth Lemme bereits 1977 veröffentlichte: Ls=2.2H, Cs=110pF, Rs=5.7kOhm. Dazu kommen die für die Strat typischen Werte für Potentiometer und Tone-Kondensator: PT=250kOhm, CT=22nF, RT=0Ohm, PV=250kOhm. Die Charakteristik der Potentiometer ist logarithmisch mit einer üblichen Progression von 20%. Weitere Informationen zur Charakteristik von Potentiometern sind im Artikel "Potentiometer-Grundlagen" nachzulesen.

So, genug von der staubtrockenen Elektrotechnik und den Vorraussetzungen für die Simulation. Schau'n wir einfach mal nach, wie es "klingt". Hier sind die acht Amplitudengänge für alle Stellungen des C-Switch bei voll aufgedrehter Tonblende (Tone):
BildBild
Abbildung 8: Reale Resonanzverschiebung durch reine Kapazitätsänderung (links) und mit optimerter Kapazitätsstufung (rechts)
Was fällt auf? Nun, die Berge verteilen sich recht gleichmäßig. 1:0! Lediglich bei den oberen Resonanzfrequenzen ist die Verteilung nicht ganz optimal. Das mag der Tatsache geschuldet sein, daß hier Kapazitätswerte aus der E6-Reihe verwendet wurden. Nutzt man die E12-Reihe und optimiert die Stufung ein wenig, dann erhält man das rechte Bild.

Trägt man die Resonanzfrequenzen über der Schaltstufe auf, dann entsteht so etwas wie eine Linearitätskurve:
BildBild
Abbildung 9: Linearität der realen Resonanzverschiebung (links) und mit optimerter Kapazitätsstufung (rechts)
Links ist ein deutlicher Knick zu erkennen, der auf eine nicht ganz so optimale Kapazitätsstufung hinweist. Die Linearität der optimierten Stufung (rechts) ist dagegen wesentlich besser und sieht fast aus, wie mit dem Lineal gezogen.

Mehr noch als die gleichmäßige Verteilung der Resonanzfrequenzen fällt die unterschiedliche Güte in beiden Diagrammen von Abbildung 8 auf. Hier sind wir vom Ideal doch ein deutliches Stück entfernt. Daß die Güte teilweise die 6dB-Grenze etwas überschreitet, soll hier nicht nachteilig gewertet werden. Aber trotzdem steht es jetzt nur noch 1:1!

Verbindet man alle möglichen Resonanzspitzen miteinander, so erhält man ein Art Hüllkurve, die den Verlauf der Güte des belasteten Tonabnehmers für verschiedenen Resonanzfrequenzen darstellt:
Bild
Abbildung 10: Güteverlauf bei verschiedenen Resonanzfrequenzen
Der Verlauf dieser (berechneten) Kurve hängt im Wesentlichen von der Induktivität Ls des Tonabnehmers, seinem Gleichstromwiderstand Rs und dem ohmschen Lastwiderstand (hier die Parallelschaltung aus PV und Rin) ab. Egal, wie die durch CL realisierte kapazitive Last auch aussehen mag, diese Grenze kann die Güte nicht überschreiten! In der Praxis tritt jedoch nur der blau gezeichnete Teil der Kurve in Erscheinung, denn Resonanzspitzen mit weniger als 0dB gibt es nicht! Weitere Details dazu sind in Kapitel 3.24 von Guitar-Letter II zu finden.

Was wird wohl geschehen, wenn wir unseren einfachen C-Switch in eine andere Gitarre einbauen? Zum Beispiel in eine Les Paul? Also her mit dem Simulator. Aber vorher tauschen wir die Potentiometer gegen solche mit einem Kennwiderstand von 500kOhm. Der Gibson-Humbucker P-490R hat folgende Daten: Ls=5,15H, Cs=76,4pF und Rs=8,08kOhm.
BildBild
Abbildung 11: Resonanzverschiebung durch reine Kapazitätsänderung beim P-490R (links) und der Stratocaster (rechts)
Klar, größere Induktivität heißt kleinere Resonanzfrequenz. Alle Resonanzen haben sich also nach Links verschoben. Das war zu erwarten. Bei der Verteilung hat sich nichts verändert und auch die unterschiedlichen Güten mit der bekannten Hüllkurve sind deutlich zu erkennen. Allerdings ist die Güte mit einem Wert bis zu 2,55 (7,9dB) stellenweise doch deutlich zu groß!

Nachdem wir den Tonabnehmer verändert haben, kehren wir wieder zurück zur Stratocaster und nehmen ein anderes Kabel. Dieses hat nur 400pF, also in etwa eine Länge von 4m.
BildBild
Abbildung 12: Resonanzverschiebung durch reine Kapazitätsänderung mit 400pF Kabel (links) und 700pF (rechts)
Tja, was soll man sagen? Die Resonanzen folgen der bekannten Hüllkurve und natürlich sind alle Resonanzen nach Rechts - also zu höheren Frequenzen - verschoben. Der Grund ist auch klar: Es fehlen 300pF. Die kapazitive Last des Tonabnehmers hat sich also verringert und damit steigt die Resonanzfrequenz natürlich an.

Aber Moment mal! Da haben sich doch nicht alle Resonanzen verschoben! In beiden Diagrammen liegt die tiefste Resonanz bei gut 1kHz. Wo ist denn da die erwartete Verschiebung geblieben?

Nur die Ruhe! Wenn man genauer hinsieht, entdeckt man doch noch eine Verschiebung. Sie fällt aber vergleichsweise gering aus, da diese Resonanz hauptsächlich durch eine Kapazität von 10nF erzeugt wird. Die Verringerung der kapazitiven Last um 300pF stellt jedoch nur eine Änderung von 3% dar. Deshalb ist die Verschiebung nur so gering. Es ist also alles in Ordnung!

Damit hätten wir den einfachen C-Switch als Resonanzschalter schon recht gut abgehandelt. Fassen wir unsere Erkenntnisse kurz zusammen:
  1. Solange die Kapazitätsstufung geometrisch erfolgt und der Unterschied zwischen der kleinsten und der größten Kapazität groß genug ist, wird man immer einen Klangunterschied wahrnehmen.
  2. Die möglichen Klangeinfärbungen hängen von den elektrischen Daten der einzelnen Elektrogitarre und dem verwendeten Instrumentenkabel ab. Der C-Switch "klingt" also in jedem Instrument etwas anders. Ob einem das im konkreten Fall gefällt... Nun ja, Klangempfinden ist eine sehr subjektive und persönliche Sache...
  3. Die einzelnen Güten sind immer unterschiedlich. Ihre Werte hängen in erster Linie vom Tonabnehmer und seiner ohmschen Belastung ab.
Einen "Standard-C-Switch" kann man also durchaus verwenden. Wie das klangliche Ergebnis im eigenen Instrument jedoch aussieht, läßt sich so nicht ohne weiteres vorhersagen. Ob einem die einzelnen Schaltpositionen klanglich zusagen, ist in erster Linie eine Frage des persönlichen Geschmacks. Tritt jedoch eine unglückliche Kombination der elektrischen Daten auf, bei der zum Beispiel eine übergroße Güte entsteht, dann heißt es wieder: "C-Switch, Lastkondensator - Alles Quatsch! Ich kauf' mir jetzt 'nen neuen Tonabnehmer!"

Da gibt es also durchaus noch etwas zu verbessern, aber das machen wir in ein paar Tagen. Jetzt ist Pause für die "Birne"! ;)

Ulf

(Weiter geht es in ein paar Tagen)

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Der C-Switch - (k)einer für alle? Teil 2

#2

Beitrag von DerOnkel » 25.01.2014, 01:10

Fast zwei Wochen sollten zum Erholen ausreichen. Also, weiter geht es...

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4. Die Güte - Alles wird gleich

Wie kann man die Güte eines Tonabnehmers verändern? Das ist die Frage, die hinter diesem Abschnitt steht. Grundsätzlich ist das gar nicht so schwer, denn fast jede Elektrogitarre hat dazu ein Werkzeug an Bord: Die Tonblende! Was geschieht, wenn man am "Tone" dreht zeigt das folgende Diagramm:
Bild
Abbildung 13: Die Wirkung der Tonblende von 100% (blau) bis 0% (grün)
Im Bereich von 100% bis ungefähr 50% wird der "Berg" kontinuierlich kleiner. Das ist also nicht anderes, als die gewünschte Verringerung der Güte (weitere Informationen zur Funktion der Tonblende sind im Artikel "Die Klangeinstellung in der Elektrogitarre" nachzulesen).

Also, mit der Tonblende können wir eine eventuell übergroße Güte gut verringern. So weit so gut, aber dieser Ansatz ist leider nicht praktikabel, wenn man nach der Betätigung des C-Switch immer erst die Tonblende nachstellen muß. Hier ist also eine andere Lösung gefragt!

Die Tonblende ist letztendlich nichts anderes als ein paralleler Dämpfungswiderstand. Je kleiner der Widerstand, desto größer ist die Dämpfung und desto kleiner ist die Güte. Um den ungleichmäßigen Verlauf der Güte nach Abbildung 10 so zu korrigieren, daß alle Güten gleich groß sind, muß also jeder Lastkondensator des C-Switch einen eigenen Dämpfungswiderstand bekommen. Damit wird aus dem einfachen C-Switch dann quasi ein RC-Switch! Im Schaltbild sieht das dann so aus:
Bild
Abbildung 14: Stratocaster-Schaltung mit RC-Switch
Eine solche Schaltung ist nicht nur vom Aufbau her deutlich aufwändiger, sondern auch die Dimensionierung der Dämpfungswiderstände ist nicht ganz einfach. Der Simulator "GiSi" ist jedoch in der Lage genau das zu machen: Er stellt im geforderten Kapazitätsbereich die geringste Güte fest und berechnet dann für alle anderen Stufen die notwendigen Dämpfungswiderstände. Natürlich kann er auch die Kapazitätsstufen optimieren. Na denn...So sieht dann das Ergebnis aus:
BildBild
Abbildung 15: Optimierte Resonanzverschiebung mit konstanter Güte (links) und ohne Optimierungen (rechts)
Das ist doch schon etwas ganz anderes, oder? Das in Kapitel 1 vorgestellte ideale Verhalten wird exakt erreicht. Besser geht es nicht! Der RC-Switch stellt also so eine Art kompensierter C-Switch dar und ist somit die bessere Lösung.

Jetzt bleibt zunächst die Frage, was zu tun ist, wenn man die Güte vergrößern will? Nun, auch das ist ganz einfach - zumindest in der Theorie: Man muß einfach die ohmsche Belastung des Tonabnehmers verringern. Das ist in der Praxis jedoch nicht ganz einfach. Natürlich kann man die Kennwiderstände der Potentiometer vergrößern, aber das hat unter Umständen negative Auswirkung auf die Einstellbarkeit von Volume und Tone. Am besten verwendet man einen Impedanzwandler mit nachgeschaltetem Lautstärkeeinsteller, wie zum Beispiel das "I-Pot". Dann kann man auch aus der Stratocaster bis zu einer Resonanz von 3,6kHz eine Güte von 2 herausholen und wenn man sich etwas anstrengt, geht sogar noch etwas mehr... Aber das wollen wir ja nicht!

Dieser optimierte RC-Switch stellt also die ideale Lösung dar... für genau den Tonabnehmer unter den gegebenen elektrischen Bedingungen. Und wie sieht es aus, wenn wir diesen "Resonance-Shifter" mit einem anderen Tonabnehmer, in einer anderen Gitarre oder mit einem anderen Instrumentenkabel verwenden?

Nun, man kann sich leicht vorstellen, daß das Ergebnis dann keinesfalls mehr optimal ist, denn die Dämpfungswiderstände dienen ja als Kompensation des Güteverlaufe. Sie "biegen" diese Kurve quasi gerade. In der Les-Paul mit einem P-490R eingesetzt, ergibt sich das folgende Verhalten:
Bild
Abbildung 16: Optimierte Resonanzverschiebung mit konstanter Güte für die Stratocaster in der Les Paul mit P-490R
Das ist sicherlich besser, als der einfache C-Switch, dessen Verhalten im linken Teil von Abbildung 11 dargestellt wurde, aber eben nicht mehr optimal! Noch krasser wird es, wenn man statt eines P-490R den P-498T nimmt:
Bild
Abbildung 17: Optimierte Resonanzverschiebung mit konstanter Güte für die Stratocaster in der Les Paul mit P-498T
Die Resonanzen "drängeln" sich hier in einem vergleichsweise kleinen Bereich von ca. 1,8kHz bis 480Hz, aber da es bei der Tonhöhenwahrnehmung auf das Frequenzverhältnis ankommt, ist das kein Problem. Wie schon im linken Teil von Abbildung 15 beträgt der durchschnittliche Frequenzunterschied von Stufe zu Stufe auch hier ungefähr 320 Cent, was noch gut wahrnehmbar ist. Die Mehrzahl der möglichen Einstellungen liegen allerdings schon in einem Bereich, den viele Musiker einfach nur als "dumpf" empfinden dürften. Ob man damit dann zufrieden ist, darf zumindest in Zweifel gezogen werden.

Die letzten beiden Fälle sind auch noch aus einem anderen Grunde sehr interessant, denn im Gegensatz zu früher, wo zwei oder drei "gleiche" Pickups aus der Kiste genommen und in einer Gitarre verbaut wurden, werden heute häufig unterschiedliche Tonabnehmer verwendet. Die Kombination P-490 an der Halsposition und P-498 am Steg ist ja bekanntermaßen nicht so ungewöhnlich! Strebt man hier nach dem Optimum, so muß für jeden Tonabnehmer ein eigener Resonance-Shifter dimensioniert werden. Beschränkt man sich auf nur sechs Stufen, was in der Praxis durchaus ausreichend ist, dann kann man die beiden Kondensatorbänke über einen Drehschalter mit zwei Schaltebenen ansteuern. Das ist dann quasi ein Tandem-C-Switch.
Bild
Abbildung 18: Stratocaster mit Tandem-C-Switch und integrierter Tonblende
Zwei voneinander unabhängige Schalter sind da natürlich flexibler, aber wie so häufig ist das eine Frage des persönlichen Geschmacks und der Anforderungen, die der betreffende Musiker an sein Instrument und dessen Bedienung stellt!

Die Sache mit den unterschiedlichen Tonabnehmer kann man natürlich noch auf die Spitze treiben, wenn man an den gesplitteten Humbucker denkt. Hier tritt ja häufig das Problem auf, daß der Humbucker mit Split-Modus eine zu große Resonanzfrequenz und eine zu große Güte aufweist. Weitere Informationen zu dieser Problematik sind im Artikel "Gesplitteter Humbucker im klanglichen Griff" enthalten.

5. Viele Köche verderben den Brei

Diese kulinarische Weisheit gilt leider auch für die Belange einer passiven Gitarrenelektronik. Jedes Bauelement beeinflußt unter Umständen mehrere oder gar alle Kenngrößen der Schaltung. Aus technischer Sicht ist das natürlich sehr lästig, aber leider nicht zu ändern. Abgesehen vom C-Switch als Lastkondensator beeinflussen folgende Dinge die beiden Kenngrößen Resonanz und Güte:
  1. Die Kapazität des Instrumentenkabels,
  2. der Eingangswiderstand des nachfolgenden Verstärkers,
  3. Induktivität, Wicklungskapazität und der Gleichstromwiderstand des Tonabnehmers,
  4. der Kennwiderstand und der aktuelle Drehwinkel des Lautstärkeeinstellers und
  5. die Tonblende mit dem Kennwiderstand des Potentiometers, seinem aktuellen Drehwinkel und der Kapazität des Tone-Kondensators.
Bei Licht betrachtet, beeinflußt eigentlich jedes Bauelement die Resonanz und die Güte. Wie unangenehm!

Die Punkte 1, 2 und 4 können wir als variable Größen jedoch leicht eleminieren, indem wir einen Impedanzwandler mit nachgeschaltetem niederohmigen Lautstärkeeinsteller verwenden. Das neue "I-Pot" ist dazu geradezu prädestiniert, aber natürlich kann man auch einen geeigneten Impedanzwandler aus der "SB-Serie" verwenden.

Wenn man schon eine aktive Schaltung einsetzt, dann kann man natürlich auch die Tonblende an den Ausgang der Schaltung verschieben und so ihren Einfluß auf die Resonanzfrequenz eleminieren. Mit einem einfachen Impedanzwandler wird man da allerdings nicht glücklich, denn hier ist für eine korrekte Funktion ein definierter Ausgangswiderstand von zum Beispiel 10kOhm erforderlich. Dieser bildet aber mit einem nachfolgenden niederohmigen Lautstärkeeinsteller einen Spannungsteiler, sodaß das Signal generell leiser wird. Zur Kompensation ist dann eine Verstärkung von 1,5 bis 2 erforderlich. Man benötigt dazu also einen geeigneten rauscharmen Vorverstärker. Aber egal wie man es für diesen Fall auch anstellt, arbeitet eine solche Tonblende dann als einfacher einstellbarer Tiefpaß. Das in Abbildung 13 gezeigte Verhalten im Hinblick auf die Endresonanz bei "zugedrehter" Tonblende (grün) kann man so nicht mehr erreichen. Es besteht jedoch die Möglichkeit, diese sehr tiefe Resonanz mit Hilfe des Resonance-Shifters zu erreichen, wie das folgende Bild zeigt:
Bild
Abbildung 19: Aktiver Resonance-Shifter in der Stratocaster mit stark erweitertem Resonanzbereich
Hier reicht der Resonanzbereich von 4kHz bis runter zu 650Hz, was genau dem Zustand "Tonblende zu" entspricht. Alle Güten sind auf 2 normiert, lediglich die tiefste Resonanz bildet eine Ausnahme. Sie kann aufgrund des unter diesen Bedingungen gültigen Güterverlauf leider nicht größer werden. So ist das eben!

Tja, jetzt bleibt nur noch der dritte Punkt übrig: Die Eleminierung des Tonabnehmereinflusses. Aber halt! Bevor wir darauf auch nur einen Gedanken verschwenden, sollten wir uns fragen, wie denn eine Resonanz ohne Induktivität zustande kommen soll? Die Antwort ist ganz einfach: Gar nicht! Das bedeutet, daß wir den Einfluß des Tonabnehmers benötigen, damit überhaupt eine Resonanz entsteht. Dann müssen wir allerdings auch damit leben, daß ein definierter Resonance-Shifter mit einem anderen Tonabnehmer auch anders klingt! So ist das eben!

Unter dem Strich ist festzustellen, daß man durch den Einsatz eines Impedanzwandlers oder Verstärkers den Einfluß einiger Bauelemente der Gitarrenelektronik auf die Resonanz eleminieren kann. Ganz verhindern kann man diese Effekte aber nicht. Damit bleibt der C-Switch oder der optimierte Resonance-Shifter in seiner Wirkung immer auch von seiner elektrischen Umgebung abhängig!

Fazit

Kann man einen "Standard-C-Switch" in jeder Elektrogitarre einsetzen? Das war die Frage, die über diesem Artikel schwebte. Die Antwort darauf lautet einfach: Ja, man kann, aber...

...ob das Ergebnis aus klanglicher Sicht gefällt und überzeugt hängt von vielen Faktoren ab. Im Internet finden sich in einigen Foren Meinungen zum Einsatz eines solchen Klangschalters, die von "Supertoll" bis "Brauch ich nicht!" reichen. Allein die Tatsache, daß es eine so große Meinungsstreuung gibt, ist ein deutlicher Beleg dafür, daß der Einsatz eines "Standard-C-Switch" nicht immer zum gewünschten Erfolg führt! Die Gründe dafür sind mit Sicherheit vielschichtig. Wenn wir einmal beiseite lassen, daß der Klangschalter unter Umständen falsch eingebaut oder unter falschen Vorraussetzungen genutzt wurde, dann findet man einige mögliche Gründe auch in diesem Artikel:
  1. Eine falsche Kapazitätsstufung kann für eine ungleichmäßige und damit schlechte Einstellbarkeit sorgen.
  2. Ein zu geringer gesamter Kapazitätsunterschied mit zu vielen Stufen sorgt dafür, daß wir von Stufe zu Stufe keinen Unterschied mehr wahrnehmen.
  3. Die Wirkung eines C-Switch - egal ob kompensiert oder nicht - ist in einer rein passiven Elektrogitarre stark von den elektrischen Daten der restlichen Schaltung abhängig. Der C-Switch "klingt" also in jeder Elektrogitarre anders.
  4. Ein einfacher C-Switch ist niemals in der Lage für alle Stufen eine konstante Güte zu erzeugen. In den mittleren Stufen ist die Güte häufig zu groß, was als "schlecht klingend" empfunden werden kann.
Der "Standard-C-Switch" ist also nicht der Weisheit letzter Schluß. Er ist eben nicht "einer für alle", sondern "keiner für alle"! Der Erwerb eines solchen Klangschalters hat dann schon ein wenig vom Tonabnehmertausch. Auch hier ist man sich nicht wirklich sicher, ob die Aktion letztendlich von Erfolg gekrönt sein wird.

Möchte man ein optimales Ergebnis, das einen zufriedenstellt, so kommt man um eine instrumentenspezifische Dimensionierung nicht umhin. Aber genau da liegt das Problem, denn nicht jeder Elektrogitarrist ist in der Lage, die elektrischen Daten seiner Tonabnehmer zu bestimmen, um daraus dann die geeignete Dimensionierung für Kondensatoren und Dämpfungswiderstände zu berechnen. Da bleibt dann also nur noch der eigene Experimentierdrang verbunden mit jeder Menge Freizeit oder man kennt einen, der eine optimale Lösung als Dienstleistung erzeugen kann. Der Onkel kann das!
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Ulf

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Re: Der C-Switch - (k)einer für alle?

#3

Beitrag von Helmuth Lemme » 10.02.2014, 11:00

Hallo Ulf und Kollegen,

Dass der Zusammenhang zwischen Resonanzüberhöhung und Resonanzfrequenz ist bei jedem Pickup-Typ unterschiedlich ist, hängt nicht nur vom Gleichstromwiderstand und von der externen ohmschen Belastung ab. Eine ganz wichtige Rolle spielt die Dämpfung durch die Wirbelströme in den Kernen und im Metallgehäuse.

Deshalb ist die Modellierung als Tiefpass 2. Ordnung zu ungenau. Die ist lediglich brauchbar für Telecaster-Bridge- und Stratocaster-Typen (echte Fender mit Alnico-Stabmagneten, keine Fernost-Imitationen mit Ferrit-Balkenmagnet unten drunter).
Für nahezu alle anderen braucht man einen Tiefpass 3. Ordnung. Damit kommt man wesentlich besser hin. Bei der Ermittlung der Kurven nützt deshalb eine Computersimulation wenig, man muss bei realen Pickups den Frequenzgang physikalisch durchmessen. Das mache ich seit 1981 mit meinem "Pickup-Analyzer". Es zeigt sich damit: Der Abfall oberhalb der Resonanzfrequenz ist deutlich steiler als 12 dB/Oktave, er nähert sich allmählich 18 dB/Oktave.

Generell kann man bei hohen Resonanzfrequenzen eine höhere Überhöhung zulassen als bei niedrigeren. Deshalb ist in meinen C-Switches außer den reinen Kondensatoren noch etwas mehr drin, um die Überhöhung zu den niedrigeren Resonanzfrequenzen hin abzuschwächen. Darum haben sie auch drei Anschlussdrähte statt zwei.

In der Praxis ist es nützlich, wenn man außer der Resonanzfrequenz auch die Überhöhung variieren kann. In einer Stratocaster geht das sehr gut mit dem dritten Poti. Den üblicherweise angeschlossenen Kondensator braucht man dann nicht mehr unbedingt, es reicht ein Widerstand, z. B. 22 kOhm.

Viel Erfolg beim eigenen Experimentieren wünscht
Helmuth Lemme
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Re: Der C-Switch - (k)einer für alle?

#4

Beitrag von MiLe » 10.02.2014, 12:52

Helmuth Lemme hat geschrieben:In der Praxis ist es nützlich, wenn man außer der Resonanzfrequenz auch die Überhöhung variieren kann. In einer Stratocaster geht das sehr gut mit dem dritten Poti. Den üblicherweise angeschlossenen Kondensator braucht man dann nicht mehr unbedingt, es reicht ein Widerstand, z. B. 22 kOhm.
Witzig, genau das habe ich gestern für meine Bausatz-Strat-Kopie aufgebaut:

- die gesamte Schaltung arbeitet auf jede Ausgangsstellung des 5fach-Schalters
- Anstelle dem 1. Tone-Poti ein 12-Stufen-C-Switch 0,5 - 22 nF. Aufgrund der recht hohen Resonanz der PUs passt das ganz gut.
- Anstelle dem 2. Tone-Poti ein log. 1 MOhm-Poti, Eingang auf Schleifer, Ausgang über 68 KOhm-Poti auf Masse.
- Als Vol.-Poti auch 1 MOhm log., um die Grundbelastung niedrig zu halten und hohe Spitzen zu ermöglichen.

Ein Megaohm-Poti habe ich gewählt, damit die Grundbelastung der Pickups auch bei offenem Regler möglichst niedrig ist und die Reso-Ausprägung gut erhalten bleibt (2x 1 MOhm) . Der 68 KOhm-Widerstand verhindert, daß bei zugedrehtem Poti das Signal kurzgeschlossen wird - schießlich soll der Regler ausschließlich der Bedämpfung der Resonanzspitze dienen. 68 KOhm haben sich bei meinen PUs da messtechnisch als sinnvoll erwiesen, da bei diesem Wert (+ Volume-Poti + Verstärker-Eingangswiderstand) auch bei 22 nF am C-Switch die Resonanzspitze gerade so komplett geglättet wird. Bei kleinern Kapazitäten wird sie natürlich schon früher geglättet und ist bei 68 KOhm schon deutlich auf dem absteigenden Ast.

Gut möglich, daß die Regelcharakteristik der log. MOhm-Potis noch suboptimal ist. Eine Möglichkeit, die Grundlast bei Bedarf möglichst gering zu halten wäre auch ein No-Load-Poti als "Resonanzdämpfer", das habe ich aber bisher nur in der 250 KOhm-Ausführung gefunden. Der Sprung von unendlich Ohm auf 250 KOhm schien mir zunächst zu groß. Das muss ich aber erst noch im Betrieb ausprobieren/durchmessen.

Heute wird die Gitte zusammengenaut - bin schon gespannt, wie das am Amp klingt. :) Aufgrund der hohen Resonanz sollte der Einsatzbereich mit C-Switch gigantisch sein.
Liebe Grüße,
Michael

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