Die Lautstärkeeinstellung in der Elektrogitarre

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Die Lautstärkeeinstellung in der Elektrogitarre

Um die Lautstärke (Volume) einzustellen, wird in der Regel ein Potentiometer benutzt. Es gibt verschiedene in der Literatur beschriebenen Möglichkeiten, von denen ich hier vier vorstellen möchte.

Alle folgenden Amplitudengänge wurden mit den elektrischen Daten eines Gibson Humbuckers simuliert. Der Drehwinkel der Potis wird grundsätzlich in Prozent angegeben, wobei eine logarithmische Charakteristik verwendet wurde.

Die Schaltbilder enthalten auf der linken Seite die Ersatzschaltung eines magnetischen Tonabnehmers mit der Spannungsquelle U0, der Spuleninduktivität Ls, dem Gleichstromwiderstand Rs und der Wicklungskapazität Cs.

Als Belastung wurde eine Kabelkapazität CK und der Eingangswiderstand der ersten Verstärkerstufe Rin berücksichtigt.

1. Die Standardschaltung

In fast allen Elektrogitarren wird das Potentiometer zur Lautstärkeeinstellung als Spannungsteiler geschaltet. Dabei dient der Kontakt des Schleifers S als Ausgang. Aufgrund des logarithmischen Verhaltens des menschlichen Gehörs, ist der Einsatz eines logarithmischen Potentiometers von Vorteil.



Der obere Teilwiderstand des Potis PV, im folgenden PV1 genannt, bildet zusammen mit der Kabelkapazität CK und der Eingangskapazität des Verstärkers Cin einen Tiefpaß. Je weiter man die Lautstärke verringert, desto größer wird PV1 und die Grenzfrequenz des Tiefpasses verringert sich. Das hat zur Folge, daß die hohen Frequenzen gedämpft werden. Diesem Effekt fällt natürlich als erstes unsere Resonanz zum Opfer, wie deutlich schon bei 95% Volume (lila) zu erkennen ist.

Interessant ist, daß schon deutlich vor 35% Volume (rosa) sich wieder eine Resonanz einstellt. Die Erklärung dafür ist eigentlich recht einfach und leuchtet ein:

Aus Sicht des Tonabnehmers bildet PV1 zusammen mit den Kapazitäten CK und Cin eine vergleichbare Konstruktion wie die Tonblende bestehend aus PT und CT. Der Einfluß der beiden Kapazitäten auf die Resonanz des Tonabnehmers wird mit kleiner werdendem Volume immer geringer. In der Folge steigt die Resonanzfrequenz mit 5,9kHz fast auf ihren Leerlaufwert (hier 7,161kHz). Bei 5% Volume beträgt die Resonanzfrequenz dann schon 6,26kHz. Man "schaltet" hier also auch wieder zwischen zwei Resonanzen um. Allerdings ist die höhere Resonanz aufgrund der starken Dämpfung durch PV1 nur sehr schwach ausgeprägt.

Aus hörtechnischer Sicht bedeutet das:

  1. Wenn das Volume verringert wird, verschwindet sofort die Resonanz. Wir nehmen das als Höhenverlust war.
  2. Bei sehr kleinem Volume steigt die Höhenwiedergabe bei erhöhter Resonanzfrequenz leicht an. Aufgrund der kleinen Pegel und der Empfindlichkeitskurve des menschlichen Ohres werden die meisten Menschen das wohl nicht mehr wahrnehmen.
2. 50th-Wiring

Wenn man die Tonblende "hinter" den Lautstärkeeinsteller verlegt und sie an den Schleifer S des Volume anschließt, so gelangt man zum sogenannten 50th-Wiring. Diese Schaltung liegt immer dann vor, wenn man eine Gitarre mit mehr als einem Lautstärkeeinsteller und nur einer Tonblende hat. Aber auch in einigen normalen HH-Gitarren, wie zum Beispiel in einigen "Les Paul" Modellen, wurde sie zeitweise verwendet. Das folgende Bild zeigt die Schaltung nebst Amplitudengang:



Hier ist grundsätzlich das gleiche Verhalten, wie bei der Standardschaltung festzustellen. Die Ausbildung einer neuen und höheren Resonanzfrequenz läßt sich auf die schon bekannte Weise erklären. Einzig die Ausprägung der Resonanz ist mit 7dB deutlich größer ausgefallen.

Die Erklärung dafür ergibt sich aus der Verlegung der Tonblende. Je weiter man das Volume verringert, desto größer wird quasi der Widerstand des Tone-Potis. Damit sinkt insgesamt die Belastung des Tonabnehmers und er kann eine größere Resonanzspitze ausbilden. Darüber hinaus steigt die Resonanzfrequenz noch weiter an (6,8kHz bei 35% Volume).

Ein vergleichbares Verhalten läßt sich auch erzielen, in dem beim Standard-Wiring ein NoLoad-Poti für die Tonblende verwendet wird.

So weit ist das 50th-Wiring also nicht vom Standard entfernt. Man dreht zu und verliert sofort die Höhen, die gegen Ende dann wieder betont werden. Aufgrund der Lastverschiebung ist dieser Effekt jedoch deutlicher wahrzunehmen.

3. Das "Mischpult" in der Gitarre

Es gibt Gitarren, in denen das Lautstärke-Poti "rückwärts" angeschlossen wird. Wo wir gerade mal dabei sind, schauen wir uns doch einmal diesen Fall an:



Diese Variation ist eigentlich eine sehr schlechte Lösung, denn

  1. mit kleiner werdenden Lautstärkeeinstellungen steigt die ohm'sche Belastung des Tonabnehmers durch den zweiten Teilwiderstand PV2 des Volume-Potis. Folge: Dämpfung der Resonanz schon bei eine kleinen Verringerungen auf 95% Volume!
  2. mit kleiner werdenden Lautstärken bildet PV1 mit der Kabelkapazität einen Tiefpaß mit variabler Grenzfrequenz. Folge: Dämpfung der Resonanz und Verlust der hohen Frequenzen!
Darüber hinaus ist deutlich zu erkennen, daß die Wirkung als Lautstärkeeinsteller bei Frequenzen unterhalb von 300Hz mehr als bescheiden ist. Zwischen 100% und 35% Volume liegen gerade mal 7dB!

Es gibt nur einen sinnvollen Grund, diese Variante zur Anwendung zu bringen: Man möchte zwei Tonabnehmer mit Hilfe der Lautstärkeeinstellung passiv miteinander mischen! In diesem Fall wirkt eine Teilstrecke des Potentiometers als Entkopplung für das zweite Poti. Ist ein Pickup ganz leise gestellt, liefert das zweite immer noch ein Signal.

Bei der "Les Paul" und ihren Verwandten kennt man dieses Verhalten bei der Zusammenschaltung beider Tonabnehmer nicht. Wird hier ein Potentiometer auf "Null" gedreht, so sind beide Tonabnehmer aus, da die Schleifer der beiden Lautstärkepotentiometer zusammengeschaltet sind. Diese Zusammenschaltung muß eigentlich, wie beim Mischpult, über Entkopplungswiderstände geschehen. Dadurch würde jedoch die Lautstärke stark verringert und da Gitarristen den dann notwendigen Verstärker im Instrument nicht schätzen, entfällt das Ganze eben. Der Hersteller "spart" dabei auch zwei Widerstände. 20 Cent sind eine Menge Geld. Da weiß man, was man hat!

4. Rückwärts in die 50er

Natürlich läßt sich auch die Rückwärts-Variante auf das 50th-Wiring anwenden:



Das Ergebnis weicht nur in so fern von der normalen Rückwärtsschaltung ab, als das der Variationsbereich der Lautstärke bei tiefen Frequenz mit 10dB ein wenig größer ausfällt.

5. Fazit

Alle vier Schaltungsvarianten haben den Nachteil, daß schon bei einer kleinen Verringerung der Lautstärke die Resonanz des Tonabnehmers zusammenbricht, was als hörbarer Verlust von Höhen wahrgenommen wird. In der Folge verliert die Gitarre ein wenig ihren charakteristischen "Klang" und es klingt dann ein wenig ausdruckslos und flach.

Die Rückwärtsschaltung verhindert zwar zuverlässig eine Beeinflussung der beiden Volumes, bietet ansonsten aber nur Nachteile. Wer also eine Gitarre neu verdrahten will oder muß, der sollte um diese Variante nach Möglichkeit einen Bogen machen.

Ulf
 
Geist ist geil!!
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Verbesserung der Lautstärkeeinstellung

Wie in meinem ersten Beitrag gezeigt wurde, hat jede "normale" Lautstärkeeinstellung in der Gitarre den Nachteil, daß auch die Ausprägung der Resonanz beeinflußt wird. Eine Verbesserung kann also nur darin bestehen, dieses Verhalten zu eliminieren oder zumindest zu mildern. Es gibt 3 bekannte Möglichkeiten, die in der Praxis eingesetzt werden.

Für die weiteren Betrachtungen ist es wichtig, sich das Poti als Ersatzschaltung zweier Widerstände zu denken. Also



Nachdem das klar ist, kann es ja los gehen:

1. "Höhen-Kurzschluß"

Eine Möglichkeit besteht in der Übernahme einer Schaltung aus der Verstärkertechnik. Viele Verstärker von Fender und anderen Herstellern haben einen Schalter mit der Bezeichnung "Bright". Mit seiner Hilfe wird ganz einfach der "obere" Teil des Potentiometers durch einen Kondensator überbrückt.



Vergegenwärtigt man sich, daß der Kondensator für hohe Frequenzen quasi einen Kurzschluß darstellt, so kann man sich leicht vorstellen, daß die Wirkung des Potentiometers für hohe Frequenzen ganz oder zumindest teilweise aufgehoben wird. Das ist jedoch nur die "halbe" Wahrheit! Schauen wir uns deshalb einmal das Ergebnis einer Simulation an:



Dieses Bode-Diagramm erhält man mit PV=500kOhm log., Rin=1MOhm, CV=220pF und einer Kabelkapazität CK=700pF. Es ist deutlich zu erkennen, daß oberhalb von 10kHz die Dämpfung konstant, das heißt unabhängig vom Drehwinkel des Potis ist. Wie kommt das zustande?

Nun, praktisch wurden zwei Spannungsteiler parallel geschaltet. Einmal unser Poti und zum zweiten ein kapazitiver Teiler bestehend aus CV und der Kabelkapazität CK. Dieses Teilungsverhältnis ist fest. Es beträgt -12,4dB, was im Diagramm auch deutlich zu sehen ist! Unterhalb von 200Hz wirkt nur das Potentiometer und ein frequenzabhängiges Verhalten ist nicht erkennbar.

Der Bereich dazwischen wird durch ein Tiefpaß- und ein Hochpaßverhalten gekennzeichnet. Der Hochpaß wird hauptsächlich durch CV und die Parallelschaltung aus Rin und PV2 bestimmt. Der Tiefpaß wird aus PV1 und CK gebildet.

Bei einem Drehwinkel von 40% (die grüne Kurve) ist die Grenzfrequenz des Hochpasses rund 1,6kHz. Der Tiefpaß liegt bei 5,2kHz. Das bedeutet:

  • Oberhalb von 1,6kHz wird die Dämpfung mit 20dB/Dekade verringert. Die Kurve steigt an.
  • Ab 5,2kHz wirkt der Tiefpaß mit einem Abfall der Dämpfung mit 20dB/Dekade. Die Wirkungen von Hoch- und Tiefpaß kompensieren sich. Die Dämpfung bleibt konstant.
Bei einem Drehwinkel von 90% (die rosa Kurve) ist die Grenzfrequenz des Tiefpasses rund 660Hz und der Hochpaß liegt jetzt bei 4,6kHz. Das bedeutet:

  • Oberhalb von 660Hz steigt die Dämpfung mit 20dB/Dekade. Die Kurve fällt.
  • Ab 4,6kHz wirkt der Hochpaß mit einer Verringerung der Dämpfung um 20dB/Dekade. Die Wirkungen von Hoch- und Tiefpaß kompensieren sich. Die Dämpfung bleibt konstant.
Durch die Variation des Potentiometers führen die beiden Grenzfrequenzen also eine gegenläufige Bewegung aus. Das was man erreichen möchte, nämlich eine Kompensation des Tiefpaßverhaltens, erreicht man nur, wenn der Drehwinkel kleiner als 65% ist. Größere Winkel führen immer noch zu einer Dämpfung der hohen Frequenzen. Schlußendlich ist die konstante Dämpfung oberhalb von 10kHz auch nicht das, was auf unserem Wunschzettel für eine gute Lautstärkeeinstellung steht.

Doch bevor wir die Schaltung endgültig verdammen, sollten wir nicht vergessen, daß bisher nur die Schaltung für sich betrachtet wurde. Wie aber wirkt sie sich in der kompletten Simulation einer E-Gitarre aus? Sehen wir uns dazu einfach das nächste Bode-Diagramm an:



Was fällt auf?
  1. Die konstante Dämpfung tritt hier nicht negativ in Erscheinung, da der Resonanztiefpaß schon deutlich vor 10kHz in seiner Wirkung einsetzt. Also ist dieser "Nachteil" nicht wirklich ein Nachteil!
  2. Bei einem Drehwinkel von 95% bis 85% ist die Resonanz fast verschwunden. Sie wird durch die unerwünschte Tiefpaßwirkung unterdrückt. Das ist nach wie vor nicht erwünscht!
  3. Bei einem Drehwinkel kleiner als 85% setzt die Kompensation durch den Hochpaß ein und es bildet sich wieder eine Resonanz aus. Die Ausprägung wird durch das Verhältnis von CV und CK bestimmt. Je kleiner diese Dämpfung ist, desto größer ist die Ausprägung. Diese Resonanz entsteht jedoch nur, weil das Potentiometer in seiner Wirkung durch CV "ausgeschaltet" wird.
    Die Ausprägung ist umso größer, je kleiner die eingestellte Lautstärke ist. Das hat zur Folge, daß der Klang bei kleinen Lautstärken als höhenbetont empfunden wird. Wir haben jetzt also ein gegensätzliches Verhalten erzielt.
    Möchte man die Ausprägung verringert, so muß das Verhältnis der beiden Kapazitäten verändert werden. Das hat jedoch zur Folge, daß sich das Niveau der konstanten Dämpfung verschiebt. Dadurch verändert sich dann auch der Bereich der "resonanzfreien" Zone. Eine geringere Ausprägung sorgt dann für einen vergrößerten Einstellbereich ohne Resonanz. Hier wird man beim Tuning der Schaltung also einen Kompromiß eingehen müssen!
  4. Die Lage der Resonanzfrequenz hat sich nach oben verschoben. Auch das ist ein Effekt, der nicht gewünscht ist. Ideal wäre eine etwas tiefere Lage.
Insgesamt ist diese Schaltung schon ein Schritt in die richtige Richtung. Als nächstes soll versucht werden, die Lage der Resonanz etwas nach unten zu verschieben.

2. "Ausgebremst"

Zu diesem Zweck fügen wir einen Widerstand RV in Reihe zum Kondensator CV ein.



Dieser bildet mit der Kabelkapazität CK einen weiteren Tiefpaß. Je größer der Widerstand ist, desto geringer ist seine Grenzfrequenz. Damit wird die Wirkung des Hochpasses ein wenig eingeschränkt.

Eine Simulation mit CV=700pf und RV=68kOhm führt zum nächsten Bode-Diagramm:



Jetzt wurde die Resonanzfrequenz schon recht gut getroffen! Durch CV=CK=700pf ist die "resonanzfreie" Zone sehr klein geworden. Eine vollständige Dämpfung der Resonanz tritt praktisch nicht mehr auf! Dafür zahlen wir jedoch einen hohen Preis, denn die Ausprägung der Resonanz ist bei kleinen Lautstärken jetzt wesentlich größer. Gleichzeitig ist der Verlauf der um einiges flacher. Die Güte hat sich also verringert und die "Bandbreite" hat sich vergrößert. Die Lage der Resonanzfrequenz ist unabhängig von der Einstellung des Potentiometers. Man beachte dazu auch die folgende Animation:



Jetzt erkennt man allerdings auch schon das sich anbahnende Drama:

Die Lage der Resonanzfrequenz ist nur unabhängig von der Potistellung, wenn die Kapazität des Bypass-Kondensators gleich der Kabelkapazität ist!

Wenn man ein anderes Kabel nimmt, ist unser mühsam gefundene Kompromiß also hinfällig. Es gilt:
  1. CK<CV: Die "neue" Resonanzfrequenz ist kleiner und bei voller Lautstärke ist die "alte" Resonanz verschwunden.
  2. CK>CV: Die "neue" Resonanzfrequenz ist größer als die "alte"
Der Widerstand "bremst" der Widerstand die "Höhen" quasi aus. Mit seinem Wert hat man es also in der Hand, wie groß die Ausprägung der "neuen" Resonanz ist. Dabei gilt:

Je größer der Widerstand, desto geringer die Ausprägung der Resonanz, aber desto größer ist auch der Bereich der "resonanzfreien" Zone.

Hier einen geeigneten Kompromiß zu finden ist nur schwer möglich. Möchte man immer eine Resonanz haben, so muß man das mit einer sehr starken Resonanz, also vielen "Höhen" bei geringen Lautstärken bezahlen!

3. "Rechts vorbei"

Eine weitere Alternative besteht in der Verwendung einer Parallelschaltung von Kondensator und Widerstand:



Ohne jetzt weitere Bilder zu präsentieren kann man sich denken, daß ein vergleichbares Verhalten vorliegt. Aus elektrotechnischer Sicht läßt sich eine Parallelschaltung immer in eine äquivalente Reihenschaltung umrechnen, wobei freilich andere Werte entstehen.

"Bremst" der Widerstand in der Reihenschaltung die "Höhen" quasi aus, so leitet er in der Parallelschaltung die "Bässe" an der "Sperre" Kondensator vorbei. Mit seinem Wert hat man es also in der Hand, wie groß die Ausprägung der "neuen" Resonanz ist. Dabei gilt:

Je kleiner der Widerstand, desto geringer die Ausprägung der Resonanz, aber desto größer ist auch der Bereich der "resonanzfreien" Zone.

Ein besonderes Problem kann entstehen, wenn der Widerstand zu klein oder der Kondensator zu groß gewählt wird. Durch diese Belastung verändert sich nämlich die Charakteristik des Potentiometers. Aus einem logarithmischen Poti wird dann ganz schnell ein lineares mit der Folge, daß sich das Einstellverhalten nachteilig verändert.

Fazit

Keine der drei vorgestellten Schaltungsvarianten löst das eigentliche Problem der Tiefpaßwirkung durch die Kabelkapazität! Hier wird lediglich ein wenig an den Symptomen "herumgedoktort"!

Je nachdem wie die elektrischen Daten der Gitarrenschaltung und Tonabnehmer sowie des Kabels aussehen, läßt sich jedoch ein klanglicher Kompromiß finden, der viele Gitarristen zufriedenstellt könnte. In der Literatur und im Internet kursieren die unterschiedlichsten Werte für die Dimensionierung der Bypass-Elemente. Ob sie für die eigene Gitarre passen ist allerdings ungewiß.

Man kommt also nicht umhin, sich ein paar Widerstände und Folienkondensatoren zu kaufen, um das ganze anschließend mit Hilfe der Ohren auszuprobieren. Geeignete Werte für den Kondensator liegen zwischen 100pF und 1nF. Je nach Schaltung kann der Widerstand von ein paar bis zu mehreren hundert Kiloohm liegen.

Ulf
 
Geist ist geil!!


Zuletzt bearbeitet von DerOnkel am 14.02.2007, insgesamt einmal bearbeitet
Verfasst am:

Re: Verbesserung der Lautstärkeeinstellung

DerOnkel schrieb:
[...] um das ganze anschließend mit Hilfe der Ohren auszuprobieren.

... womit wir dann beim nächsten Problem wären: so wie jeder in Nuancen anders sieht bzw. jedes menschliche Gehirn das Gesehene anderes interpretiert, so hört auch jeder anders (oder interpretiert eben das Gehörte unterschiedlich).

Obwohl ich leider nur den allerkleinsten Teil dessen, was Du da oben geschrieben hast, verstehe (ich bin mit Strom in jeder Form nicht kompatibel), finde ich Deine Ausführungen beachtlich. Respekt! Vielleicht wäre das auch gut in den FAQ's aufgehoben.

Gruß,
Sven
Verfasst am:

RE: Die Lautstärkeeinstellung in der Elektrogitarre

Hallo, eine sehr fundierte Forschung hat Der Onkel betrieben !
Die Ergebnisse sind eigentlich mit meinen praktischen Erfahrungen
gleich. Richtig ist auch, dass es von Spieler abhängt, wie er es
wahrnimmt und haben will.
Mein jahrelanges Setup mit einem Transistorverstärker war z.B.
auch anders, als meine heutige puristische Röhrenanlage.
Die Sache ist so vielfältig, dass man sehr lange dafür forschen könnte.
V.H.
Verschoben: 10.02.2007 Uhr von doc guitarworld
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