Kategorie: Elektronik

Was ist die Ausgangsimpedanz eines Tonabnehmers und wofür muss man sie wissen?

Die Ausgangsimpedanz Ri einer idealen Signalquelle beträgt 0Ω. Für DC-Spannungsquellen verwendet man den Begriff Ausgangswiderstand, Quellwiderstand oder Innenwiderstand (deshalb die Abkürzung Ri, obwohl es sich bei uns um eine AC-Signalquelle handelt). Ein passiver Tonabnehmer einer Gitarre ist keineswegs eine ideale Signalquelle (Ri > 0Ω), d.h. dass die Ausgangsspannung sinkt, wenn man eine Last anschließt (z.B. Effektpedale, Verstärker). Dieser Effekt ist stärker ausgeprägt, je höher die Ausgangsimpedanz bzw. je niedriger die Eingangsimpedanz des Effektpedals/Verstärkers (Spannungsteiler zwischen Ri und RL).

Kürzlich habe ich den Schaltkreis eines Fuzz Face simuliert (mit LTspiceIV) und bemerkt, dass der Ausgangswiderstand der Gitarre einen großen Einfluss auf die Signalform am Effektausgang hat.

Beispiel:

Fuzz Face Schaltplan:

Ausgangs-Signalform eines Fuzz Face mit idealer Signallquelle (Ri=0Ω) am Eingang:

Ausgangs-Signalform eines Fuzz Face mit realer Signallquelle (Ri=10kΩ) am Eingang:

Ob man den Klang dieser Veränderung mag ist Geschmackssache. Falls nicht sollte man die Anordnung seiner Effektpedale in der Signalkette überdenken: Ein Buffer- oder Booster/Preamp-Pedal besitzt eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz. Es kann dazu verwendet werden die originale Signalform der Gitarrentonabnehmer zu bewahren, indem man es an erster Stelle vor den Effektgeräten platziert. Aktive Tonabnehmer sind noch besser, weil selbst das Gitarrenkabel eine (kapazitive) Last darstellt.

Wie misst man die Ausgangsimpedanz eines Tonabnehmers?

Damit man die Quellimpedanz der Gitarre messen kann, benötigt man ein Oszilloskop. Falls Du keines besitzt kannst Du auch mein Ergebnis verwenden, da es mehr um eine Größenordnung geht, als um einen exakten Wert. Für Interessierte: Das genaue Modell meiner Bridge-Tonabnehmer lautet „Seymour Duncan SH-4 JB“.

1. Messen der Spitze-Spitze Spannung bei offenem Ausgang:
   Die Lautstärke der Gitarre sollte ganz aufgedreht sein, damit die Potis unsere Messung nicht beeinflussen. Dann wird eine Note angespielt (Ich habe die dicke E-Saite angeschlagen).
   

   

2. Messen der Spitze-Spitze Spannung unter Last (RL=1kΩ):
   Dieselbe Note, wie vorher mit der selben Intensität anschlagen um das bestmögliche Resultat zu erhalten.

   

   

3. Berechnen der Ausgangsimpedanz des Tonabnehmers:
   Schließlich muss man nur noch die Messwerte in die Spannungsteiler-Formeln (ganz oben bereits erwähnt) einsetzen.

   

   Ergebnis: Die Ausgangsimpedanz meiner Gitarre beträgt ungefähr 10kΩ.

Hinweis: Die Impedanz ändert sich mit der Frequenz. Dieses Ergebnis stimmt nur für die dicke E-Saite, jedoch können wir davon ausgehen, dass es sich nicht drastisch verändern wird. Um ein genaueres Ergebnis zu erhalten kannst du dieselbe Prozedur bei verschiedenen Frequenzen (verschiedene Noten) wiederholen.

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Gibson Style Gitarren haben üblicherweise zwei Humbucker-Tonabnehmer, jeweils ein Tone- und ein Volume-Potentiometer pro Humbucker und einen Toggle Switch zur Auswahl des Tonabnehmers. Wie genau sind diese Komponenten verkabelt und wie beeinflussen die Regler-Einstellungen den Sound? In diesem Artikel möchte ich auf diese Fragen eingehen und Dir die Vor- und Nachteile dieser Verkabelungsvariante näher bringen. Außerdem werde ich den Frequenzgang bei verschiedenen Einstellungen simulieren und aufzeichnen.

Verkabelung

Im Diagramm siehst Du, dass jeder Tonabnehmer seinen eigenen Tone- und Volume-Regler besitzt. Der offensichtliche Vorteil dieser Variante besteht darin, dass sehr einfach zwischen zwei unabhängigen Soundeinstellungen umgeschaltet werden kann.

Beispiel:

• Classic Rock
  Hals-Tonabnehmer: Volume 100%, Tone 0% (cremiger Lead-Sound)
  Brücken-Tonabnehmer: Volume 70%, Tone 100% (crunchiger Rhythmus-Sound)
  Dies sind typische Classic Rock Einstellungen, bei denen zwischen Lead- und Rhythmus-Sound umgeschaltet werden kann.
• Kill Switch
  Hals-Tonabnehmer: Volume 0%, Tone 100% (Kurzschluss – kein Ausgangssignal)
  Brücken-Tonabnehmer: Volume 100%, Tone 100% (Hoher ausgangspegel für Lead und Rhythmus-Sounds)
  Mit diesen Einstellungen kann ein Spezialeffekt erzeugt werden, für den man sonst einen Kill Switch benötigt: Durch schnelles umschalten des Toggle Switches kann ein Tremolo-ähnlicher Effekt erzeugt werden.

Ein Nachteil der unabhängigen Lautstärken-Regelung ist, dass die Mischposition des Toggle Switch nur dann sinnvolle Ergebnisse liefert, wenn die Lautstärken-Einstellungen beider Tonabnehmer ähnlich sind. Ist das nicht der Fall, überwiegt immer ein Tonabnehmer im Sound.

Ein weiterer Nachteil von passiven Lautstärken-Reglern generell ist, dass bei niedrigen Lautstärken-Einstellungen die Ausgangsimpedanz sehr hoch ist -> Das Signal wird sensibler gegenüber elektromagnetischen Störungen und rauscht daher mehr. Dieses Problem kann durch aktive Tonabnehmer gelöst werden.

Frequenzgang

Ich habe den Frequenzgang von verschiedenen Einstellungen mit LTspice XVII simuliert und ein Diagramm davon gezeichnet. Die verwendete Signalquelle hat einen flachen Frequenzgang und einen Ausgangswiderstand von 10k.

Fazit:

• Der Tone-Regler ist ein verstellbarer Tiefpass-Filter
• Die Tone-Einstellungen verändern sich nicht bei verschiedenen Lautstärken (Die Grenzfrequenz bleibt gleich)
• Eine deutliche Tone-Veränderung ist nur im Bereich 0%-10% des Potentiometer-Werts zu sehen -> Ich empfehle die Verwendung von logarithmischen Potentiometern, um die Unlinearität auszugleichen

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Den richtigen Operationsverstärker (kurz: OPV) für ein Projekt auszuwählen kann manchmal schwer sein. Die Vielfalt ist vergleichbar mit der Anzahl der Sterne am Nachthimmel und die Anzahl der Spezifikationen im Datenblatt kann einen leicht überfordern, wie wählt man also den richtigen OPV für sein Projekt? Im Folgenden möchte ich Dir einen Überblick über die wichtigsten Datenblatt Spezifikationen verschaffen. Dieser Leitfaden ist an Elektronik-Anfänger gerichtet, welche tiefer in die Materie Operationsverstärker eintauchen wollen.

Was ist ein Operationsverstärker?

Ein Operationsverstärker ist grundsätzlich ein Differenzverstärker mit sehr hoher Verstärkung (ideal unendlich). Er hat einen nicht-invertierenden und einen invertierenden Eingang, einen Ausgang und natürlich auch noch Anschlüsse für die Stromversorgung. Durch Rückkopplung von Ausgang auf einen der Eingänge können viele verschiedene Schaltungen realisiert werden, z.B. invertierender und nicht-invertierender Verstärker (mit endlicher Verstärkung), Integrator, Differentiator, Tiefpass- und Hochpass-Filter und viele mehr. Für nähere Informationen zu den verschiedenen Grundschaltungen kann ich Texas Instruments’ “AN-20 An Application Guide For Op Amps” empfehlen.

Die wichtigsten Datenblatt Spezifikationen:

1. Versorgungsspannung (Supply Voltage)

Die Versorgungsspannung ist die wichtigste Spezifikation beim OPV. Du findest sie unter „Recommended Operating Conditions“. Ist Deine Versorgungsspannung zu niedrig, wird der Operationsverstärker nicht richtig funktionieren, ist sie zu hoch, kann er sogar beschädigt werden.

2. Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich (Input Common Mode Voltage Range)

Diese Spezifikation wird oft übersehen. Der Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich gibt den maximal und minimal erlaubten Spannungspegel der Eingänge an, bei dem der OPV fehlerfrei arbeiten kann. OPVs mit „Rail to Rail“-Eingängen besitzen einen Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich von V- < Vin < V+, andere benötigen einen bestimmten Abstand zur Versorgungsspannung, um noch zu funktionieren.

Beispiel:
Der typische Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich des TL072 schließt die positive Versorgungsspannung mit ein, benötigt aber einen 3V Abstand zur negativen Versorgungsspannung:
V- + 3V < Vin < V+                  →           Bei 10V Versorgungsspannung beträgt der Eingangsspannungsbereich 3V bis 9V

In den empfohlenen Betriebsbedingungen fügt Texas Instruments eine große Sicherheitsmarge hinzu:
V- + 4V < Vin < V+ – 4V         →          Bei 10V Versorgungsspannung beträgt der Eingangsspannungsbereich nur mehr 4V bis 6V

Wenn Du deine Schaltung ordentlich auslegen willst, musst Du dich an die empfohlenen Betriebsbedingungen (Minimum Werte) halten. Falls deine Schaltung sowieso ein Einzelstück wird, kannst Du auch mit den typischen Werten arbeiten und den OPV selektieren.

3. Eingangsimpedanz (Input Impedance)

Die Eingangsimpedanz eines OPVs ist besonders interessant, wenn die Ausgangsimpedanz der Signalquelle hoch ist, z. B. bei passiven Gitarren-Tonabnehmern. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, einen OPV mit JFET-Eingängen zu verwenden (Eingangsimpedanz bis zu 1000GΩ). OPVs mit bipolaren Eingängen erreichen typischerweise über 10MΩ.

4. Äquivalentes Eingangsrauschen und Typische Oberschwingungsbelastung (Equivalent Input Noise and Typical Harmonic Distortion)

OPVs verstärken nicht nur das Nutzsignal, sie erzeugen auch Oberschwingungen und Rauschen. „Equivalent Input Noise“ und „Typical Harmonic Distortion“ werden entweder separat angegeben, oder zusammen als THD+N.
Für Audioanwendungen ist es essenziell einen OPV mit niedrigem Rauschen und wenig Oberschwingungen auszuwählen.

5. Versorgungsstrom (Supply Current)

Wenn dein Gerät mit Batterien laufen soll, ist es wichtig den Versorgungsstrom im Auge zu behalten. Der Versorgungsstrom (Supply Current oder Quiescent Current) gibt den Stromverbrauch des Operationsverstärkers ohne Last an.
Unglücklicherweise gibt es die Regel, dass OPVs mit geringem Versorgungsstrom ein höheres Rauschen besitzen. Wie Du siehst ist die Wahl des richtigen Bauteils immer ein Kompromiss – Willkommen in der Elektronik 😉

6. Ausgangsimpedanz (Output Impedance)

Die Ausgangsimpedanz ist wichtig, wenn die Lastimpedanz niedrig ist, z.B. bei einer Kopfhörerverstärker-Schaltung. Die Ausgangsimpedanz soll viel niedriger sein, als die Lastimpedanz, ansonsten würde die Ausgangsspannung des OPVs deutlich sinken (Spannungsteiler zwischen Ausgangsimpedanz und Lastimpedanz). Falls Du keine Angaben zur Ausgangsimpedanz im Datenblatt findest, hilft dir die Angabe des Ausgangs-Treiberstroms (Output Source Current) weiter.

Für detaillierte Informationen über die erwähnten Spezifikationen empfehle ich Texas Instruments‘ Understanding Operational Amplifier Specifications.

Wie finde ich den richtigen OPV?

Ich persönlich verwende gerne die Webseite von Texas Instruments, weil man die Suche auf die gewünschten Spezifikationen einschränken kann und dadurch schnell einen passenden OPV findet. Wenn Du auch andere Hersteller in Deine Suche miteinbeziehen möchtest, empfehle ich die Suchfunktion größerer Distributoren, z.B. Mouser.

Ich hoffe dieser Bericht konnte Dir weiterhelfen. Falls Du Gitarre spielst, würde ich mich sehr über einen Besuch der Produkt-Seite dieser Webseite freuen: Mein Unternehmen Songbird FX ist ein Hersteller von hochqualitativen micro-USB aufladbaren Gitarreneffekt-Pedalen.