Kategorie: Elektronik

Was ist die Ausgangsimpedanz und warum sollte sie mich überhaupt kümmern?

Die Ausgangsimpedanz oder Quellimpedanz Ri einer perfekten Signalquelle beträgt 0Ω.Bei Gleichspannungsquellen wird sie auch Innenwiderstand genannt (Deshalb nenne ich sie Ri obwohl ein Gitarren-Pickup eine Wechselspannungsquelle ist). Ein (passiver) Gitarren-Pickup ist keineswegs eine perfekte Signalquelle (Ri > 0Ω). Das bedeutet, dass die Ausgangsspannung abfällt, wenn eine Last angeschlossen wird (Effektgeräte, Verstärker). Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je höher die Ausgangsimpedanz Ihres Gitarren-Pickups und je niedriger die Eingangsimpedanz Ihres Verstärkers/Effektgeräts ist (Spannungsteiler zwischen Ri und RL).

Vor Kurzem habe ich die Schaltung eines Fuzz Face mit LTspiceIV simuliert und festgestellt, dass die Ausgangsimpedanz der Gitarre die resultierende Ausgangswellenform des Effektgeräts beeinflusst.

Beispiel:

Fuzz Face Schaltplan:

Ausgangswellenform eines Fuzz Face mit perfekter Signalquelle(Ri=0Am Eingang:Am Eingang:

Ausgangswellenform eines Fuzz Face mit realistischer Signalquelle (Ri=10kAm Eingang:Am Eingang:

Sie müssen für sich selbst herausfinden, ob Ihnen der Klang dieser Wechselwirkungen gefällt oder nicht. Wenn er Ihnen nicht gefällt, sollten Sie die Reihenfolge Ihrer Gitarreneffekte in Ihrer Signalkette überdenken. Buffer- und Booster/Preamp-Pedale haben eine hohe Eingangs- und eine niedrige Ausgangsimpedanz. Sie können verwendet werden, um die ursprüngliche Wellenform Ihrer Gitarren-Pickups zu erhalten, wenn sie als erstes Pedal in Ihrer Signalkette eingesetzt werden. Aktive Gitarren-Pickups sind sogar noch besser als Buffer-Pedale, da das Gitarrenkabel ebenfalls eine (kapazitive) Last darstellt.

Wie misst man die Ausgangsimpedanz Ihres Gitarren-Pickups?

Um die Quellimpedanz Ihrer Gitarre zu messen, benötigen Sie ein Oszilloskop. Wenn Sie keines haben, können Sie meine Ergebnisse verwenden, da sie sich nicht allzu sehr unterscheiden werden. Der genaue Modellname meines Gitarren-Pickups lautet übrigens Seymour Duncan SH-4 JB in der Stegposition.

1. Messen Sie die Spitze-Spitze-Spannung bei offenem Ausgang:
   Drehen Sie Ihre Gitarre voll auf, um sicherzustellen, dass die Potis Ihre Messung nicht beeinflussen. Schlagen Sie dann eine Note an (ich habe die dickere E-Saite angeschlagen).
   

   

2. Messen Sie die Spitze-Spitze-Spannung mit einer Last (RL=1kΩ):
   Schlagen Sie dieselbe Note mit derselben Intensität wie zuvor an, um die besten Ergebnisse zu erzielen.
   

3. Berechnen Sie die Ausgangsimpedanz Ihres Gitarren-Pickups:
   Schließlich können wir die Spannungsteilerformeln von oben nehmen und die Variablen durch unsere Messwerte ersetzen.
   
   Ergebnis: Die Ausgangsimpedanz meiner Gitarre beträgt etwa 10kΩ.

Hinweis: Die Impedanz ändert sich mit der Frequenz. Dieses Ergebnis gilt nur für die tiefere E-Saite, wir können jedoch davon ausgehen, dass es sich nicht dramatisch ändern wird. Um ein detaillierteres Ergebnis zu erhalten, können Sie diesen Vorgang bei verschiedenen Frequenzen (verschiedenen Noten) wiederholen.

Wiederaufladbare USB-Gitarreneffekte

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Gitarren im Gibson-Stil besitzen gewöhnlich zwei Humbucker-Pickups, jeweils ein Ton- und ein Lautstärkepotentiometer pro Humbucker sowie einen Kippschalter zur Tonabnehmerauswahl. Wie genau sind diese Komponenten verdrahtet und wie beeinflussen die Poti-Einstellungen Ihren Sound? In diesem kurzen Artikel beantworte ich diese Fragen und nenne Ihnen einige Vor- und Nachteile dieser Schaltung. Außerdem zeige ich Ihnen den Frequenzgang der verschiedenen Einstellungen.

Schaltplan

Im Diagramm sehen Sie, dass jeder Tonabnehmer über unabhängige Ton- und Lautstärkeregler verfügt. Der offensichtliche Vorteil dieser Schaltung ist, dass Sie zwei unabhängige Sounds einstellen und einfach über den Kippschalter zwischen ihnen wechseln können.

Beispieleinstellungen:

• Classic Rock
  NHals-Pickup: Volume 100 %, Tone 0 % (cremiger Lead-Sound)
  Steg-Pickup: Volume 70 %, Tone 100 % (knackiger Rhythmus-Sound)
  Dies ist eine typische Classic-Rock-Einstellung, bei der Sie zwischen Lead- und Rhythmus-Sound umschalten können.
• Killswitch
  NHals-Pickup: Volume 0 %, Tone 100 % (Kurzschluss – kein Ausgangssignal)
  Steg-Pickup: Volume 100 %, Tone 100 % (ausgangsstarker Lead- oder Rhythmus-Sound)
  Diese Einstellung kann als Spezialeffekt anstelle eines Killswitches genutzt werden: Bewegen Sie den Kippschalter schnell auf und ab, um einen Tremolo-ähnlichen Effekt zu erzeugen.

Ein Nachteil der unabhängigen Lautstärkeregelung ist, dass die Zwischenstellung des Kippschalters nur sinnvoll ist, wenn Sie die Lautstärken beider Tonabnehmer aneinander angleichen. Tun Sie das nicht, dominiert ein Pickup den anderen und Sie hören kaum einen Unterschied zum Einzel-Pickup-Sound.

Ein weiterer Nachteil der passiven Lautstärkeregelung im Allgemeinen ist, dass die Ausgangsimpedanz bei niedrigeren Lautstärkeeinstellungen sehr hoch ist -> Ihr Signal reagiert empfindlicher auf elektromagnetische Störungen und wird rauschintensiver. Bei aktiven Gitarren-Pickups haben Sie dieses Problem nicht.

Frequenzgang

Ich habe den Frequenzgang verschiedener Einstellungen mit LTspice XVII simuliert. Die von mir verwendete Signalquelle hat einen linearen Frequenzgang und einen Ausgangswiderstand von 10 kΩ.

Fazit:

• Der Tonregler ist ein einstellbarer Tiefpassfilter
• Die Toneinstellung verändert sich bei unterschiedlichen Lautstärken nicht (die Grenzfrequenz bleibt gleich)
• Eine deutliche Klangveränderung erfolgt nur zwischen 0 %-10 % des Tonpoti-Werts -> Ich empfehle die Verwendung von logarithmischen Potentiometern, um diese Unlinearität auszugleichen

Ich hoffe, dieser Artikel ist nützlich für Sie. Bitte schauen Sie sich die Produkte auf dieser Website an: Meine Firma Songbird FX ist ein Hersteller von hochwertigen, über Micro-USB aufladbaren Gitarreneffekten.

Die Auswahl des richtigen Operationsverstärkers (kurz: OPV) für dein DIY-Projekt kann eine knifflige Aufgabe sein. Die Vielfalt an OPVs ist vergleichbar mit der Anzahl der Sterne am Himmel, und die Fülle an Spezifikationen im Datenblatt wirkt manchmal überwältigend. Also: Wie wählt man den richtigen OPV für ein bestimmtes Projekt aus? Im Folgenden möchte ich dir einen Überblick über die wichtigsten Datenblatt-Spezifikationen geben, auf die du achten solltest. Dieser kleine Leitfaden richtet sich an Elektronik-Einsteiger, die etwas tiefer in das Thema Operationsverstärker eintauchen möchten.

Was ist ein Operationsverstärker?

Ein Operationsverstärker ist im Grunde ein Differenzverstärker mit einer sehr hohen Verstärkung (idealerweise unendlich). Er besitzt einen nicht-invertierenden und einen invertierenden Eingang, einen Ausgang und natürlich Pins für die Spannungsversorgung. Durch Rückkopplung vom Ausgang auf einen der Eingänge lassen sich viele verschiedene Schaltungen realisieren, zum Beispiel invertierende und nicht-invertierende Verstärker (mit endlicher Verstärkung), Integratoren, Differenzierer, Tiefpass- und Hochpassfilter und viele mehr. Weitere Informationen zu den verschiedenen Schaltungen findest du in Texas Instruments’ „AN-20 An Application Guide For Op Amps”.

Die wichtigsten Datenblattspezifikationen:

1. Versorgungsspannung (Supply Voltage)

Die mit Abstand wichtigste Spezifikation, die du im Datenblatt prüfen solltest, ist der Versorgungsspannungsbereich (Supply Voltage Range). Du findest ihn unter Recommended Operating Conditions (Empfohlene Betriebsbedingungen). Ist deine Versorgungsspannung zu niedrig, arbeitet dein OPV nicht ordnungsgemäß; ist sie zu hoch, kannst du ihn sogar zerstören.

2. Gleichtakteingangsspannungsbereich (Input Common Mode Voltage Range)

Diese Spezifikation wird manchmal übersehen. Der Gleichtakteingangsspannungsbereich definiert den zulässigen Spannungsbereich deiner Eingänge, ohne dass es zu Fehlfunktionen des OPVs kommt. OPVs mit Rail-to-Rail-Eingängen haben einen Gleichtakteingangsspannungsbereich von V- < Vin < V+, andere decken möglicherweise nur die positive oder negative Versorgungsspannungsschiene (Rail) ab – oder keine von beiden.

Beispiel:
Der typische Gleichtakteingangsspannungsbereich des TL072 schließt die positive Schiene ein und benötigt 3 Volt Abstand zur negativen Schiene:
V- + 3V < Vin < V+                  →Bei 10 V Versorgungsspannung liegt dein Eingangsspannungsbereich bei 3 V bis 9 V.

In den empfohlenen Betriebsbedingungen kalkuliert TI eine große Sicherheitsreserve ein:
V- + 4V < Vin < V+ – 4V         →Bei 10 V Versorgungsspannung liegt dein Eingangsspannungsbereich nur noch bei 4 V bis 6 V.

Wenn du deine Schaltung sauber auslegen willst, musst du den in den empfohlenen Betriebsbedingungen angegebenen Spannungsbereich (Mindestwerte) nutzen. Wenn du jedoch ein Einzelstück entwickelst, kannst du auch mit den typischen Werten arbeiten, indem du die OPVs vorher durchmisst.

3. Eingangsimpedanz (Input Impedance)

Die Eingangsimpedanz von OPVs ist von besonderem Interesse, wenn die Impedanz der Signalquelle hoch ist – zum Beispiel bei der Verwendung passiver Gitarren-Pickups. In diesem Fall empfiehlt sich ein OPV mit JFET-Eingängen (die Eingangsimpedanz reicht bis zu 1000 GΩ). OPVs mit bipolaren Eingängen haben typischerweise Eingangsimpedanzen von etwa 10 MΩ.

4. Äquivalentes Eingangsrauschen und typischer Klirrfaktor

OPVs verstärken nicht nur dein Quellsignal, sie fügen auch Obertöne und Rauschen hinzu. Das äquivalente Eingangsrauschen (Equivalent Input Noise) und der typische Klirrfaktor (Harmonic Distortion) werden entweder separat angegeben oder zusammen als THD+N zusammengefasst.
Für Audioanwendungen ist es entscheidend, einen OPV mit geringem Rauschen und niedrigen Verzerrungen zu wählen.

5. Stromaufnahme (Supply Current)

Wenn dein Gerät mit Batterien betrieben wird, solltest du die Stromaufnahme (Supply Current) im Auge behalten. Der Versorgungsstrom oder Ruhestrom (Quiescent Current) gibt Aufschluss über den Energieverbrauch des OPVs ohne Last.
Leider gilt die Regel, dass niedrige Versorgungsströme zu hohem Rauschen führen. Du siehst, die Wahl des richtigen Bauteils ist immer ein Kompromiss – willkommen in der Elektronik 😉

6. Ausgangsimpedanz (Output Impedance)

Die Ausgangsimpedanz ist wichtig, wenn die Lastimpedanz niedrig ist, zum Beispiel wenn du Kopfhörer oder eine LED ansteuern möchtest. Die Ausgangsimpedanz muss deutlich niedriger sein als die Lastimpedanz, da es sonst zu einem großen Spannungsabfall am Ausgang käme (Spannungsteiler zwischen Ausgangsimpedanz und Lastimpedanz). Wenn du die Ausgangsimpedanz nicht in deinem Datenblatt findest, liefert dir der Ausgangsquellenstrom (Output Source Current) ähnliche Informationen.

Für detaillierte Informationen zu den oben genannten Spezifikationen und mehr empfehle ich dir die Lektüre von TIs „Verstehen der Betriebsverstärker-Spezifikationen“.

Wie finde ich den richtigen OPV?

Ich persönlich nutze gerne die Website von Texas Instruments, da ich dort die für mich wichtigen Spezifikationen eingeben kann und mir die Website dann passende OPVs inklusive eines ungefähren Preises anzeigt. Wenn du auch andere Hersteller einbeziehen möchtest, eignet sich dafür hervorragend die Suchfunktion eines großen Distributors, z. B. Mouser.

Ich hoffe, dieser kleine Leitfaden ist nützlich für dich. Wenn du Gitarre spielst, schau dir bitte die Produkte auf dieser Website an: Meine Firma Songbird FX stellt hochwertige, über Micro-USB aufladbare Gitarreneffekte her.