Der C-Switch - (k)einer fĂŒr alle?
(Der vollstÀndige und stets aktuelle Artikel ist immer in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
Einleitung
Ăber die Bedeutung eines parallelen Lastkondensators als Mittel zur KlangverĂ€nderung 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 fĂŒr die "elektrische" KlangeinfĂ€rbung 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:
Helmuth Lemme bietet auf seiner InternetprĂ€senz 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 fĂŒndig. 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 verĂ€ndern will, hat man grundsĂ€tzlich zwei Möglichkeiten: Man kann die InduktivitĂ€t L verĂ€ndern oder die KapazitĂ€t C. Beides fĂŒhrt zu einer VerĂ€nderung der Resonanzfrequenz des Tonabnehmers. Eine VerĂ€nderung der InduktivitĂ€t 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 KapazitĂ€t lĂ€Ăt sich deutlich einfacher verĂ€ndern. Man benötigt lediglich einen Kondensator mit einer anderen KapazitĂ€t - eine vergleichsweise preiswerte Lösung. Wenn die KapazitĂ€t 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 RundfunktempfĂ€nger. Einer ihrer gröĂten Nachteile wird jedoch schnell augenfĂ€llig: Die mechanische GröĂe!
[img:400x280]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/LuftDrehKo.jpg[/img]
Abbildung 1: Tandem-Luftdrehkondensator (ca. 500pF)
Diese Kondensatoren bestehen aus zwei PlattensĂ€tzen von denen einer an einer Achse befestigt ist. Durch Drehen der Achse verĂ€ndert sich die kapazitiv wirksame FlĂ€che und damit die KapazitĂ€t des Kondensators. Da hier Luft als Dielektrikum verwendet wird, haben solche Kondensatoren aber eine vergleichweise geringe KapazitĂ€t. 500pF sind da schon ein groĂer Wert. DafĂŒr betrĂ€gt die Einbautiefe dann auch locker 5 bis 7 Zentimeter! Im Zusammenspiel mit einem Tonabnehmer werden zur Verschiebung der Resonanzfrequenz allerdings KapazitĂ€ten bis zu 30nF benötigt. Wie groĂ ein solcher "Drehko" dann wird, kann sich wohl jeder leicht vorstellen. Abgesehen davon kann man sich fĂŒr den Preis eines solchen Bauteiles auch locker einen anderen Tonabnehmer kaufen! So geht es also ganz bestimmt nicht!
NatĂŒrlich lĂ€Ăt sich eine verĂ€nderlich KapazitĂ€t auch auf andere Weise erzeugen. Zum Beispiel mit einer KapazitĂ€tsdiode. Aber auch hier verhindert die geringe KapazitĂ€t den erfolgreichen Einsatz in der Elektrogitarre. Abgesehen davon benötigt die KapazitĂ€tsdiode eine Gleichspannung zur Einstellung der KapazitĂ€t. Also muĂ eine Batterie in die Gitarre. Igitt! [img:15x15]http://www.guitar-letter.de/forum/styles/GuitarLetter/smilies/nein.gif[/img]
So geht es also auch nicht! Dann bleibt nur die Möglichkeit, Kondensatoren mit verschiedenen KapazitÀten mit Hilfe eines Schalters auszuwÀhlen und genau so eine Schaltung fand man dann auch schon in Lemmes erstem kleinen Buch.
[img:205x125]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitch.gif[/img]
Abbildung 2: KapazitÀtzsumschalter (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 AusprÀgung seiner Resonanz bestimmt. Sie betont einen bestimmten Frequenzbereich, wodurch die hörbare KlangeinfÀrbung letztendlich entsteht. Das folgende Bild zeigt den Amplitudengang eines Magnettonabnehmers mit der typischen Beschaltung durch Tonblende (Tone), LautstÀrkeeinsteller (Volume) und Instrumentenkabel:
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/AmpGang_Strat_Std.gif[/img]
Abbildung 3: Typischer Amplitudengang eines belasteten Tonabnehmers
Der "Berg" legt fest, "wo" im Spektrum die KlangeinfĂ€rbung geschieht. Er hat seinen Gipfel - die Resonanzspitze - bei der Resonanzfrequenz (hier in etwa 3,5kHz). Die Betonung ist umso stĂ€rker, je höher der Berg ist. Seine "Höhe" wird aus technischer Sicht durch die sogenannte GĂŒte (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 InduktivitĂ€t besitzt, dann verĂ€ndert sich die Lage der Resonanzfrequenz und damit der "Klang". Den gleichen Effekt kann man erreichen, wenn man die kapazitive Belastung des Tonabnehmers verĂ€ndert. Auch dann verĂ€ndert sich die Resonanzfrequenz. Beide Verfahren sind aus Sicht des Ăbertragungsverhaltens 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 zurĂŒckkommen:
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_Theoretisch.gif[/img]
Abbildung 4: Ideale Resonanzverschiebung
Man erkennt, daà alle "Berge" gleich hoch sind. Es wird tatsÀchlich nur die Klangfarbe durch die Resonanzverschiebung verÀndert. Die Betonung ist also bei allen Resonanzfrequenzen gleich stark und das ist gut so.
Unser Techniker hat darĂŒber 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 ausgeprĂ€gt, sondern eine lineare Tonhöhenwahrnehmung ist mit einer annĂ€hernd geometrischen VerĂ€nderung der zugrunde liegenden Frequenzen verbunden! Der Abstand der einzelnen Resonanzfrequenzen ist tatsĂ€chlich 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 VerhĂ€ltnis zweier benachbarter Resonanzfrequenzen muĂ konstant sein. Es handelt sich also nicht um eine arithmetische Folge, sondern um eine geometrische Folge. Nach dieser GesetzmĂ€Ăigkeit muĂ dann auch die Dimensionierung der einzelnen KapazitĂ€tsstufen erfolgen. HĂ€lt man sich nicht an diese Regel, sondern sieht eine konstante KapazitĂ€tsdifferenz vor, dann ist das das Resultat:
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_linearStep.gif[/img]
Abbildung 5: Resonanzverschiebung durch konstante KapazitÀtsdifferenz
Es ist deutlich zu erkennen, daĂ sich die "Berge" bei den tiefen Frequenzen "drĂ€ngeln". Da geht es dann so eng zu, daĂ man den Unterschied zwischen den einzelnen Frequenzen unter UmstĂ€nden 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 weiĂ, daĂ es so keinesfalls optimal ist!
So, das war die Sache mit "wo der Berg" steht. DaĂ alle Berge gleich hoch sein sollen, ist wohl klar, aber wie hoch dĂŒrfen sie denn sein? Nach Belieben oder gibt es da eine Grenze, die man besser nicht ĂŒberschreiten sollte?
Tja, eine solche Grenze gibt es tatsĂ€chlich, denn der Berg wird aus elektrotechnischen GrĂŒnden immer schmaler, je höher er ist. Lemme hat seinerzeit dargelegt, daĂ eine GĂŒte von mehr als 2 (6dB) anfĂ€ngt "spitz" zu klingen und der Onkel unterstĂŒtzt diese Aussage aus eigener Erfahrung! Das Ganze wird dann auch schnell etwas "dĂŒnn", da das AmplitudenverhĂ€ltnis von hohen Frequenzen zu tiefen Frequenzen zu groĂ wird. Es entsteht dann leicht der Eindruck, daĂ die BĂ€sse fehlen wĂŒrden, was so natĂŒrlich nicht stimmt, da ja die hohen Frequenzen ĂŒberbetont werden. FĂŒr den entstehenden Klangeindruck ist es jedoch egal, ob man die BĂ€sse 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 GĂŒte denn 2,1 betrĂ€gt wird wohl auch noch niemand "tot umfallen". Man sollte es jedoch nicht ĂŒbertreiben!
Die meisten Magnettonabnehmer erreichen mit den ĂŒblichen Beschaltungen GĂŒten, die in der Regel deutlich kleiner als 2 sind. Je nach AnschluĂkabel ist es bei der Stratocaster ungefĂ€hr 1,8 (4,9dB). Die mit Humbuckern bestĂŒckte Les Paul erreicht diesen Wert nur dank der Potentiometer mit einem Kennwiderstand von 500kOhm. In der Schaltung der Stratocaster wĂ€re mit den Humbuckern schon bei 1,25 (1,4dB) SchluĂ.
Fazit: FĂŒr eine ideale Resonanzverschiebung mit Hilfe einer verĂ€nderlichen LastkapazitĂ€t mĂŒssen die einzelnen KapazitĂ€tsstufen eine geometrische Folge bilden! Die GĂŒte sollte so eingestellt werden, daĂ ein Wert von 2 nach Möglichkeit nicht signifikant ĂŒberschritten 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 fĂŒr den Einsatz in der Stratocaster. FĂŒr die KapazitĂ€ten 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 LastkapazitĂ€t auch ausgeschaltet werden kann (CL0=0). Hier ist das Schaltbild:
[img:377x261]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/scm_StratCSwitchPassiv.gif[/img]
Abbildung 6: Stratocaster-Schaltung mit einfachem C-Switch
Zur Berechnung der verschiedenen AmplitudengÀnge kommt wieder GiSi, des Onkels selbstgeschriebener Simulator, zum Einsatz. Die Simulation selber basiert auf dem folgenden Modell:
[img:474x152]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/SCM_StratPassivCL.gif[/img]
Abbildung 7: Die Standardbeschaltung eines Tonabnehmers mit Tonblende, Volume, externer Belastung und Lastkondensator
In der Ersatzschaltung wird der Magnettonabnehmer durch die Spannungsquelle U0, die SpuleninduktivitĂ€t Ls, den Gleichstromwiderstand Rs und die WicklungskapazitĂ€t Cs modelliert. Diese Bestandteile wurden, der besseren Ăbersichtlichkeit halber, in Blau gezeichnet. Der C-Switch wird durch den Lastkondensator CL (rot) dargestellt, der parallel zur WicklungskapazitĂ€t Cs und der Tonblende liegt. Die Tonblende (engl. Tone) wird durch die Bauelemente PT, RT und CT reprĂ€sentiert, wobei RT in den meisten Schaltungen einen Wert von 0 hat und darum weggelassen wird. Die LautstĂ€rkeeinstellung (engl. Volume) besteht aus dem als Spannungsteiler geschalteten Potentiometer PV. Beide Schaltungsteile wurden in GrĂŒn dargestellt. Die externe Belastung wird durch die KabelkapazitĂ€t CK=700pF, den Eingangswiderstand des VerstĂ€rkers Rin=1MOhm und seiner EingangskapazitĂ€t Cin=0 gebildet.
Mit dieser passiven Ersatzschaltung lĂ€Ăt sich das elektrische Ăbertragungsverhalten fast jede Elektrogitarre beschreiben. Das Ăbertragungsverhalten 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 fĂŒr 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 fĂŒr die Strat typischen Werte fĂŒr Potentiometer und Tone-Kondensator: PT=250kOhm, CT=22nF, RT=0Ohm, PV=250kOhm. Die Charakteristik der Potentiometer ist logarithmisch mit einer ĂŒblichen Progression von 20%. Weitere Informationen zur Charakteristik von Potentiometern sind im Artikel "Potentiometer-Grundlagen" nachzulesen.
So, genug von der staubtrockenen Elektrotechnik und den Vorraussetzungen fĂŒr die Simulation. Schau'n wir einfach mal nach, wie es "klingt". Hier sind die acht AmplitudengĂ€nge fĂŒr alle Stellungen des C-Switch bei voll aufgedrehter Tonblende (Tone):
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_Lemme.gif[/img][img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_LemmeIdeal.gif[/img]
Abbildung 8: Reale Resonanzverschiebung durch reine KapazitÀtsÀnderung (links) und mit optimerter KapazitÀtsstufung (rechts)
Was fĂ€llt auf? Nun, die Berge verteilen sich recht gleichmĂ€Ăig. 1:0! Lediglich bei den oberen Resonanzfrequenzen ist die Verteilung nicht ganz optimal. Das mag der Tatsache geschuldet sein, daĂ hier KapazitĂ€tswerte aus der E6-Reihe verwendet wurden. Nutzt man die E12-Reihe und optimiert die Stufung ein wenig, dann erhĂ€lt man das rechte Bild.
TrĂ€gt man die Resonanzfrequenzen ĂŒber der Schaltstufe auf, dann entsteht so etwas wie eine LinearitĂ€tskurve:
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchFreqLin_Lemme.gif[/img][img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchFreqLin_LemmeIdeal.gif[/img]
Abbildung 9: LinearitÀt der realen Resonanzverschiebung (links) und mit optimerter KapazitÀtsstufung (rechts)
Links ist ein deutlicher Knick zu erkennen, der auf eine nicht ganz so optimale KapazitÀtsstufung hinweist. Die LinearitÀt der optimierten Stufung (rechts) ist dagegen wesentlich besser und sieht fast aus, wie mit dem Lineal gezogen.
Mehr noch als die gleichmĂ€Ăige Verteilung der Resonanzfrequenzen fĂ€llt die unterschiedliche GĂŒte in beiden Diagrammen von Abbildung 8 auf. Hier sind wir vom Ideal doch ein deutliches StĂŒck entfernt. DaĂ die GĂŒte teilweise die 6dB-Grenze etwas ĂŒberschreitet, soll hier nicht nachteilig gewertet werden. Aber trotzdem steht es jetzt nur noch 1:1!
Verbindet man alle möglichen Resonanzspitzen miteinander, so erhĂ€lt man ein Art HĂŒllkurve, die den Verlauf der GĂŒte des belasteten Tonabnehmers fĂŒr verschiedenen Resonanzfrequenzen darstellt:
[img:399x226]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/KennGuete_Lemme.gif[/img]
Abbildung 10: GĂŒteverlauf bei verschiedenen Resonanzfrequenzen
Der Verlauf dieser (berechneten) Kurve hĂ€ngt im Wesentlichen von der InduktivitĂ€t 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 GĂŒte nicht ĂŒberschreiten! 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.
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_LemmeP490.gif[/img][img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_Lemme.gif[/img]
Abbildung 11: Resonanzverschiebung durch reine KapazitÀtsÀnderung beim P-490R (links) und der Stratocaster (rechts)
Klar, gröĂere InduktivitĂ€t heiĂt kleinere Resonanzfrequenz. Alle Resonanzen haben sich also nach Links verschoben. Das war zu erwarten. Bei der Verteilung hat sich nichts verĂ€ndert und auch die unterschiedlichen GĂŒten mit der bekannten HĂŒllkurve sind deutlich zu erkennen. Allerdings ist die GĂŒte mit einem Wert bis zu 2,55 (7,9dB) stellenweise doch deutlich zu groĂ!
Nachdem wir den Tonabnehmer verĂ€ndert haben, kehren wir wieder zurĂŒck zur Stratocaster und nehmen ein anderes Kabel. Dieses hat nur 400pF, also in etwa eine LĂ€nge von 4m.
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchFreqLin_Lemme400pF.gif[/img][img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_Lemme.gif[/img]
Abbildung 12: Resonanzverschiebung durch reine KapazitÀtsÀnderung mit 400pF Kabel (links) und 700pF (rechts)
Tja, was soll man sagen? Die Resonanzen folgen der bekannten HĂŒllkurve und natĂŒrlich 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 natĂŒrlich 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 fĂ€llt aber vergleichsweise gering aus, da diese Resonanz hauptsĂ€chlich durch eine KapazitĂ€t von 10nF erzeugt wird. Die Verringerung der kapazitiven Last um 300pF stellt jedoch nur eine Ănderung von 3% dar. Deshalb ist die Verschiebung nur so gering. Es ist also alles in Ordnung!
Damit hÀtten wir den einfachen C-Switch als Resonanzschalter schon recht gut abgehandelt. Fassen wir unsere Erkenntnisse kurz zusammen:
Da gibt es also durchaus noch etwas zu verbessern, aber das machen wir in ein paar Tagen. Jetzt ist Pause fĂŒr die "Birne"!
Ulf
(Weiter geht es in ein paar Tagen)
(Der vollstÀndige und stets aktuelle Artikel ist immer in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
(Der vollstÀndige und stets aktuelle Artikel ist immer in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
Einleitung
Ăber die Bedeutung eines parallelen Lastkondensators als Mittel zur KlangverĂ€nderung 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 fĂŒr die "elektrische" KlangeinfĂ€rbung 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:
- Als paralleler Lastkondensator um die Resonanzfrequenz des Tonabnehmers zu verringern,
- als Ersatz des Kondensators fĂŒr die Tonblende, was auch eine Resonanzverschiebung bedeutet, und
- in Reihe zum LautstÀrkeeinsteller geschaltet als Bass-Schalter zur Absenkung der tiefen Frequenzen.
Helmuth Lemme bietet auf seiner InternetprĂ€senz 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 fĂŒndig. 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 verĂ€ndern will, hat man grundsĂ€tzlich zwei Möglichkeiten: Man kann die InduktivitĂ€t L verĂ€ndern oder die KapazitĂ€t C. Beides fĂŒhrt zu einer VerĂ€nderung der Resonanzfrequenz des Tonabnehmers. Eine VerĂ€nderung der InduktivitĂ€t 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 KapazitĂ€t lĂ€Ăt sich deutlich einfacher verĂ€ndern. Man benötigt lediglich einen Kondensator mit einer anderen KapazitĂ€t - eine vergleichsweise preiswerte Lösung. Wenn die KapazitĂ€t 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 RundfunktempfĂ€nger. Einer ihrer gröĂten Nachteile wird jedoch schnell augenfĂ€llig: Die mechanische GröĂe!
[img:400x280]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/LuftDrehKo.jpg[/img]
Abbildung 1: Tandem-Luftdrehkondensator (ca. 500pF)
Diese Kondensatoren bestehen aus zwei PlattensĂ€tzen von denen einer an einer Achse befestigt ist. Durch Drehen der Achse verĂ€ndert sich die kapazitiv wirksame FlĂ€che und damit die KapazitĂ€t des Kondensators. Da hier Luft als Dielektrikum verwendet wird, haben solche Kondensatoren aber eine vergleichweise geringe KapazitĂ€t. 500pF sind da schon ein groĂer Wert. DafĂŒr betrĂ€gt die Einbautiefe dann auch locker 5 bis 7 Zentimeter! Im Zusammenspiel mit einem Tonabnehmer werden zur Verschiebung der Resonanzfrequenz allerdings KapazitĂ€ten bis zu 30nF benötigt. Wie groĂ ein solcher "Drehko" dann wird, kann sich wohl jeder leicht vorstellen. Abgesehen davon kann man sich fĂŒr den Preis eines solchen Bauteiles auch locker einen anderen Tonabnehmer kaufen! So geht es also ganz bestimmt nicht!
NatĂŒrlich lĂ€Ăt sich eine verĂ€nderlich KapazitĂ€t auch auf andere Weise erzeugen. Zum Beispiel mit einer KapazitĂ€tsdiode. Aber auch hier verhindert die geringe KapazitĂ€t den erfolgreichen Einsatz in der Elektrogitarre. Abgesehen davon benötigt die KapazitĂ€tsdiode eine Gleichspannung zur Einstellung der KapazitĂ€t. Also muĂ eine Batterie in die Gitarre. Igitt! [img:15x15]http://www.guitar-letter.de/forum/styles/GuitarLetter/smilies/nein.gif[/img]
So geht es also auch nicht! Dann bleibt nur die Möglichkeit, Kondensatoren mit verschiedenen KapazitÀten mit Hilfe eines Schalters auszuwÀhlen und genau so eine Schaltung fand man dann auch schon in Lemmes erstem kleinen Buch.
[img:205x125]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitch.gif[/img]
Abbildung 2: KapazitÀtzsumschalter (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 AusprÀgung seiner Resonanz bestimmt. Sie betont einen bestimmten Frequenzbereich, wodurch die hörbare KlangeinfÀrbung letztendlich entsteht. Das folgende Bild zeigt den Amplitudengang eines Magnettonabnehmers mit der typischen Beschaltung durch Tonblende (Tone), LautstÀrkeeinsteller (Volume) und Instrumentenkabel:
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/AmpGang_Strat_Std.gif[/img]
Abbildung 3: Typischer Amplitudengang eines belasteten Tonabnehmers
Der "Berg" legt fest, "wo" im Spektrum die KlangeinfĂ€rbung geschieht. Er hat seinen Gipfel - die Resonanzspitze - bei der Resonanzfrequenz (hier in etwa 3,5kHz). Die Betonung ist umso stĂ€rker, je höher der Berg ist. Seine "Höhe" wird aus technischer Sicht durch die sogenannte GĂŒte (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 InduktivitĂ€t besitzt, dann verĂ€ndert sich die Lage der Resonanzfrequenz und damit der "Klang". Den gleichen Effekt kann man erreichen, wenn man die kapazitive Belastung des Tonabnehmers verĂ€ndert. Auch dann verĂ€ndert sich die Resonanzfrequenz. Beide Verfahren sind aus Sicht des Ăbertragungsverhaltens 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 zurĂŒckkommen:
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_Theoretisch.gif[/img]
Abbildung 4: Ideale Resonanzverschiebung
Man erkennt, daà alle "Berge" gleich hoch sind. Es wird tatsÀchlich nur die Klangfarbe durch die Resonanzverschiebung verÀndert. Die Betonung ist also bei allen Resonanzfrequenzen gleich stark und das ist gut so.
Unser Techniker hat darĂŒber 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 ausgeprĂ€gt, sondern eine lineare Tonhöhenwahrnehmung ist mit einer annĂ€hernd geometrischen VerĂ€nderung der zugrunde liegenden Frequenzen verbunden! Der Abstand der einzelnen Resonanzfrequenzen ist tatsĂ€chlich 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 VerhĂ€ltnis zweier benachbarter Resonanzfrequenzen muĂ konstant sein. Es handelt sich also nicht um eine arithmetische Folge, sondern um eine geometrische Folge. Nach dieser GesetzmĂ€Ăigkeit muĂ dann auch die Dimensionierung der einzelnen KapazitĂ€tsstufen erfolgen. HĂ€lt man sich nicht an diese Regel, sondern sieht eine konstante KapazitĂ€tsdifferenz vor, dann ist das das Resultat:
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_linearStep.gif[/img]
Abbildung 5: Resonanzverschiebung durch konstante KapazitÀtsdifferenz
Es ist deutlich zu erkennen, daĂ sich die "Berge" bei den tiefen Frequenzen "drĂ€ngeln". Da geht es dann so eng zu, daĂ man den Unterschied zwischen den einzelnen Frequenzen unter UmstĂ€nden 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 weiĂ, daĂ es so keinesfalls optimal ist!
So, das war die Sache mit "wo der Berg" steht. DaĂ alle Berge gleich hoch sein sollen, ist wohl klar, aber wie hoch dĂŒrfen sie denn sein? Nach Belieben oder gibt es da eine Grenze, die man besser nicht ĂŒberschreiten sollte?
Tja, eine solche Grenze gibt es tatsĂ€chlich, denn der Berg wird aus elektrotechnischen GrĂŒnden immer schmaler, je höher er ist. Lemme hat seinerzeit dargelegt, daĂ eine GĂŒte von mehr als 2 (6dB) anfĂ€ngt "spitz" zu klingen und der Onkel unterstĂŒtzt diese Aussage aus eigener Erfahrung! Das Ganze wird dann auch schnell etwas "dĂŒnn", da das AmplitudenverhĂ€ltnis von hohen Frequenzen zu tiefen Frequenzen zu groĂ wird. Es entsteht dann leicht der Eindruck, daĂ die BĂ€sse fehlen wĂŒrden, was so natĂŒrlich nicht stimmt, da ja die hohen Frequenzen ĂŒberbetont werden. FĂŒr den entstehenden Klangeindruck ist es jedoch egal, ob man die BĂ€sse 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 GĂŒte denn 2,1 betrĂ€gt wird wohl auch noch niemand "tot umfallen". Man sollte es jedoch nicht ĂŒbertreiben!
Die meisten Magnettonabnehmer erreichen mit den ĂŒblichen Beschaltungen GĂŒten, die in der Regel deutlich kleiner als 2 sind. Je nach AnschluĂkabel ist es bei der Stratocaster ungefĂ€hr 1,8 (4,9dB). Die mit Humbuckern bestĂŒckte Les Paul erreicht diesen Wert nur dank der Potentiometer mit einem Kennwiderstand von 500kOhm. In der Schaltung der Stratocaster wĂ€re mit den Humbuckern schon bei 1,25 (1,4dB) SchluĂ.
Fazit: FĂŒr eine ideale Resonanzverschiebung mit Hilfe einer verĂ€nderlichen LastkapazitĂ€t mĂŒssen die einzelnen KapazitĂ€tsstufen eine geometrische Folge bilden! Die GĂŒte sollte so eingestellt werden, daĂ ein Wert von 2 nach Möglichkeit nicht signifikant ĂŒberschritten 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 fĂŒr den Einsatz in der Stratocaster. FĂŒr die KapazitĂ€ten 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 LastkapazitĂ€t auch ausgeschaltet werden kann (CL0=0). Hier ist das Schaltbild:
[img:377x261]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/scm_StratCSwitchPassiv.gif[/img]
Abbildung 6: Stratocaster-Schaltung mit einfachem C-Switch
Zur Berechnung der verschiedenen AmplitudengÀnge kommt wieder GiSi, des Onkels selbstgeschriebener Simulator, zum Einsatz. Die Simulation selber basiert auf dem folgenden Modell:
[img:474x152]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/SCM_StratPassivCL.gif[/img]
Abbildung 7: Die Standardbeschaltung eines Tonabnehmers mit Tonblende, Volume, externer Belastung und Lastkondensator
In der Ersatzschaltung wird der Magnettonabnehmer durch die Spannungsquelle U0, die SpuleninduktivitĂ€t Ls, den Gleichstromwiderstand Rs und die WicklungskapazitĂ€t Cs modelliert. Diese Bestandteile wurden, der besseren Ăbersichtlichkeit halber, in Blau gezeichnet. Der C-Switch wird durch den Lastkondensator CL (rot) dargestellt, der parallel zur WicklungskapazitĂ€t Cs und der Tonblende liegt. Die Tonblende (engl. Tone) wird durch die Bauelemente PT, RT und CT reprĂ€sentiert, wobei RT in den meisten Schaltungen einen Wert von 0 hat und darum weggelassen wird. Die LautstĂ€rkeeinstellung (engl. Volume) besteht aus dem als Spannungsteiler geschalteten Potentiometer PV. Beide Schaltungsteile wurden in GrĂŒn dargestellt. Die externe Belastung wird durch die KabelkapazitĂ€t CK=700pF, den Eingangswiderstand des VerstĂ€rkers Rin=1MOhm und seiner EingangskapazitĂ€t Cin=0 gebildet.
Mit dieser passiven Ersatzschaltung lĂ€Ăt sich das elektrische Ăbertragungsverhalten fast jede Elektrogitarre beschreiben. Das Ăbertragungsverhalten 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 fĂŒr 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 fĂŒr die Strat typischen Werte fĂŒr Potentiometer und Tone-Kondensator: PT=250kOhm, CT=22nF, RT=0Ohm, PV=250kOhm. Die Charakteristik der Potentiometer ist logarithmisch mit einer ĂŒblichen Progression von 20%. Weitere Informationen zur Charakteristik von Potentiometern sind im Artikel "Potentiometer-Grundlagen" nachzulesen.
So, genug von der staubtrockenen Elektrotechnik und den Vorraussetzungen fĂŒr die Simulation. Schau'n wir einfach mal nach, wie es "klingt". Hier sind die acht AmplitudengĂ€nge fĂŒr alle Stellungen des C-Switch bei voll aufgedrehter Tonblende (Tone):
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_Lemme.gif[/img][img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_LemmeIdeal.gif[/img]
Abbildung 8: Reale Resonanzverschiebung durch reine KapazitÀtsÀnderung (links) und mit optimerter KapazitÀtsstufung (rechts)
Was fĂ€llt auf? Nun, die Berge verteilen sich recht gleichmĂ€Ăig. 1:0! Lediglich bei den oberen Resonanzfrequenzen ist die Verteilung nicht ganz optimal. Das mag der Tatsache geschuldet sein, daĂ hier KapazitĂ€tswerte aus der E6-Reihe verwendet wurden. Nutzt man die E12-Reihe und optimiert die Stufung ein wenig, dann erhĂ€lt man das rechte Bild.
TrĂ€gt man die Resonanzfrequenzen ĂŒber der Schaltstufe auf, dann entsteht so etwas wie eine LinearitĂ€tskurve:
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchFreqLin_Lemme.gif[/img][img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchFreqLin_LemmeIdeal.gif[/img]
Abbildung 9: LinearitÀt der realen Resonanzverschiebung (links) und mit optimerter KapazitÀtsstufung (rechts)
Links ist ein deutlicher Knick zu erkennen, der auf eine nicht ganz so optimale KapazitÀtsstufung hinweist. Die LinearitÀt der optimierten Stufung (rechts) ist dagegen wesentlich besser und sieht fast aus, wie mit dem Lineal gezogen.
Mehr noch als die gleichmĂ€Ăige Verteilung der Resonanzfrequenzen fĂ€llt die unterschiedliche GĂŒte in beiden Diagrammen von Abbildung 8 auf. Hier sind wir vom Ideal doch ein deutliches StĂŒck entfernt. DaĂ die GĂŒte teilweise die 6dB-Grenze etwas ĂŒberschreitet, soll hier nicht nachteilig gewertet werden. Aber trotzdem steht es jetzt nur noch 1:1!
Verbindet man alle möglichen Resonanzspitzen miteinander, so erhĂ€lt man ein Art HĂŒllkurve, die den Verlauf der GĂŒte des belasteten Tonabnehmers fĂŒr verschiedenen Resonanzfrequenzen darstellt:
[img:399x226]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/KennGuete_Lemme.gif[/img]
Abbildung 10: GĂŒteverlauf bei verschiedenen Resonanzfrequenzen
Der Verlauf dieser (berechneten) Kurve hĂ€ngt im Wesentlichen von der InduktivitĂ€t 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 GĂŒte nicht ĂŒberschreiten! 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.
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_LemmeP490.gif[/img][img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_Lemme.gif[/img]
Abbildung 11: Resonanzverschiebung durch reine KapazitÀtsÀnderung beim P-490R (links) und der Stratocaster (rechts)
Klar, gröĂere InduktivitĂ€t heiĂt kleinere Resonanzfrequenz. Alle Resonanzen haben sich also nach Links verschoben. Das war zu erwarten. Bei der Verteilung hat sich nichts verĂ€ndert und auch die unterschiedlichen GĂŒten mit der bekannten HĂŒllkurve sind deutlich zu erkennen. Allerdings ist die GĂŒte mit einem Wert bis zu 2,55 (7,9dB) stellenweise doch deutlich zu groĂ!
Nachdem wir den Tonabnehmer verĂ€ndert haben, kehren wir wieder zurĂŒck zur Stratocaster und nehmen ein anderes Kabel. Dieses hat nur 400pF, also in etwa eine LĂ€nge von 4m.
[img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchFreqLin_Lemme400pF.gif[/img][img:400x227]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Klangschalter/Images/CSwitchVari_Lemme.gif[/img]
Abbildung 12: Resonanzverschiebung durch reine KapazitÀtsÀnderung mit 400pF Kabel (links) und 700pF (rechts)
Tja, was soll man sagen? Die Resonanzen folgen der bekannten HĂŒllkurve und natĂŒrlich 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 natĂŒrlich 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 fĂ€llt aber vergleichsweise gering aus, da diese Resonanz hauptsĂ€chlich durch eine KapazitĂ€t von 10nF erzeugt wird. Die Verringerung der kapazitiven Last um 300pF stellt jedoch nur eine Ănderung von 3% dar. Deshalb ist die Verschiebung nur so gering. Es ist also alles in Ordnung!
Damit hÀtten wir den einfachen C-Switch als Resonanzschalter schon recht gut abgehandelt. Fassen wir unsere Erkenntnisse kurz zusammen:
- Solange die KapazitĂ€tsstufung geometrisch erfolgt und der Unterschied zwischen der kleinsten und der gröĂten KapazitĂ€t groĂ genug ist, wird man immer einen Klangunterschied wahrnehmen.
- Die möglichen KlangeinfÀrbungen hÀngen 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 gefÀllt... Nun ja, Klangempfinden ist eine sehr subjektive und persönliche Sache...
- Die einzelnen GĂŒten sind immer unterschiedlich. Ihre Werte hĂ€ngen in erster Linie vom Tonabnehmer und seiner ohmschen Belastung ab.
Da gibt es also durchaus noch etwas zu verbessern, aber das machen wir in ein paar Tagen. Jetzt ist Pause fĂŒr die "Birne"!
Ulf
(Weiter geht es in ein paar Tagen)
(Der vollstÀndige und stets aktuelle Artikel ist immer in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)