Der Einsatz eines Impedanzwandlers in der Elektrogitarre, Teil 1EinleitungDer Impedanzwandler wird in vielen Veröffentlichungen der klassischen Gitarrenelektronik, aber auch an vielen Stellen im Internet, als klangliches Allheilmittel gepriesen. Andere sehen in ihm ein "Teufelswerk", das den Sound zerstört. Beide Sichtweisen sind richtig oder können besser gesagt richtig sein. Welche der beiden Ansichten tatsächlich gültig ist, hängt ganz davon ab, wie man es macht!
Wem der Sinn nach einem solchen Gerät steht, der muß in der Regel selber aktiv werden und bastelnderweise in die elektrotechnischen Niederungen herabsteigen. Hilfestellung bieten einige Hersteller, die Bausätze oder fertig bestückte Platinen anbieten. Wer sich das Angebot jedoch einmal genauer ansieht, findet schnell heraus, daß sich hinter dem Begriff "Impedanzwandler" durchaus verschiedene Schaltungskonzepte mit unterschiedlichen Eigenschaften verbergen.
Worauf soll man, worauf muß man also achten?
Wie wird der Impedanzwandler sinnvoll in der Gitarre eingesetzt?
Das sind Fragen, die man am besten vor dem Erwerb oder dem Bau einer solchen Schaltung klärt! Der nachfolgende Artikel versucht Antworten auf diese und andere Fragen zu geben. Als Einstieg mag der Artikel
Impedanzwandler für die Elektrogitarre dienen, in dem bereits einige Grundlagen des Impedanzwandlers beschrieben und eine einfache Lösung mit Hilfe eines Operationsverstärkers vorgestellt wurde.
1. Grundlagen1.1 Der ideale Impedanzwandler für die ElektrogitarreFür die nachfolgenden Überlegungen in diesem Artikel benutzen wir ein Bauelement, daß es in der Praxis gar nicht gibt: Den idealen Impedanzwandler (engl. Buffer). Er hat eine Spannungsverstärkung von 1, einen unendlich großen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0! In der Folge ist seine Stromverstärkung unendlich groß. Aufgrund dieser Eigenschaften kann man den Impedanzwandler auch als gesteuerte ideale Spannungsquelle auffassen.
Bild 1: Symbol des idealen ImpedanzwandlersDa Impedanzwandler zu den Verstärkern zählen, benutzen wir als Symbol ein Dreieck in dem die 1 auf die Spannungsverstärkung hinweist.
1.2 Der reale ImpedanzwandlerMit den gängigen Schaltungskonzepten ist es in der Praxis möglich, dem eben beschriebenen Ideal recht nahe zu kommen. Moderne Operationsverstärker oder diskrete Schaltungen mit Feldeffekttransistoren ermöglichen leicht Eingangswiderstände bis zu 10MOhm. Bei reinen Spannungsfolgern sind Ausgangswiderstände von einigen wenigen Ohm ohne Probleme zu realisieren. Die Grenze wird hier in der Regel durch die zur Verfügung stehende Betriebsspannung und die gewünschte Stromaufnahme definiert.
1.3 Der "schlechte" ImpedanzwandlerGibt es eigentlich einen "schlechten" Impedanzwandler? Nun eigentlich nicht! Jeder Schaltung, die einen unterschiedlichen Ein- und Ausgangswiderstand aufweist, ist immer auch ein Impedanzwandler. Das kann im Prinzip jeder Verstärker sein. Aber es gibt Impedanzwandler, die für den Einsatz und die Bedürfnisse in der Elektrogitarre nur bedingt oder gar nicht geeignet sind!
Als Kriterien sind hier in erster Linie ein zu kleiner Eingangswiderstand sowie eine mangelnde Treiberfähigkeit zu nennen. Aber auch der teilweise recht hohe Ausgangswiderstand einiger Vorverstärker (Preamps) ist in der Regel kontraproduktiv. Solche Impedanzwandler sind dann tatsächlich "schlecht"... für die Elektrogitarre, denn sie lösen die anstehenden Probleme nicht, sondern verschärfen sie manchmal sogar!
1.4 Die Belastung der ElektrogitarreVerbindet man eine Elektrogitarre mit einem Verstärker oder Effektgerät, dann wird aus elektrotechnischer Sicht eine Last hinzugefügt. Diese besteht in der Regel aus dem Eingangswiderstand der Schaltung, der als Rin bezeichnet wird, und der Kapazität CK des Instrumentenkabels. Natürlich besitzt der Verstärker ebenfalls eine Eingangskapazität, die aber vergleichsweise gering ist und daher vernachlässigt wird. Beide Komponenten liegen parallel zum Ausgang der Gitarre und sorgen für eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und eine Verringerung der Güte. Sie tragen daher zum "Klang" einer passiven Elektrogitarre entscheidend bei!
Über das Instrumentenkabel kann man notfalls Bücher schreiben und viele Hersteller machen aus den Eigenschaften ihrer Produkte ein ähnlich großes Geheimnisse, wie die Hersteller von Tonabnehmern aus ihren sagenhaften Pickups. Für unsere Belange ist nur die Kabelkapazität oder besser gesagt der Kapazitätsbelag von Interesse. Alle weiteren Größen können im Audio-Bereich getrost vernachlässigt werden!
Der Kapazitätsbelag hängt in erster Linie vom Abstand des Innenleiters zum Schirm und vom dazwischen befindlichen Isolationsmaterial ab. Also, je dicker das Kabel, desto geringer der Kapazitätsbelag. Bei gängigen Instrumentenkabeln kann man als Daumenwert 100pF pro Meter ansetzen. Die Kapazität des Kabels ist dann das Produkt aus Kapazitätsbelag und Kabellänge.
Der Eingangswiderstand von Gitarrenverstärkern beträgt heute typisch 1MOhm und bei Effektgeräten findet man in der Mehrzahl einen Eingangswiderstand von 470kOhm. Weitere Details zu diesem Thema sind im Artikel "
Ein- und Ausgangsschaltungen von Effektgeräten und Verstärkern" nachzulesen.
2. Probleme der passiven Elektrogitarre2.1 Das klangliche KernproblemEingangswiderstand und Kabelkapazität führen zu einer Veränderung der Resonanz. Grundsätzlich gilt: Je länger das Kabel, desto größer die Kapazität, desto kleiner die Resonanzfrequenz und desto "weicher" der Klang!
Prinzipiell ist gegen diese Belastung nichts einzuwenden. Im Gegenteil! Ohne eine bestimmte kapazitive Last würde die Elektrogitarre ziemlich farblos klingen, da die Leerlaufresonanz der Tonabnehmer in der Regel im Bereich von 10kHz oder mehr liegt. Ein "Stück" Kabel muß also sein! Gängige Werte liegen hier zwischen 300pF und 800pF.
Das Kabel beeinflußt also den Klang der Elektrogitarre. Wenn man immer mit dem gleichen Kabel spielt, dann wird man in der Regel nichts Böses ahnen und mit dem klanglichen Ergebnis zufrieden sein. Wer jedoch Zuhause mit einem 2m langen Kabel musiziert und sich dort an dem schönen drahtigen Sounds seiner Stratocaster erfreut, wird gar nicht mehr erfreut sein, wenn es im Probenraum plötzlich viel mittiger klingt. Tja, 7m Kabel haben eben eine deutlich höhere Kapazität und schon sind sie futsch, die schönen Höhen! Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?
2.2 Der "Höhenklau" und die LautstärkeJeder kennt es: Man verringert die Lautstärke an der Gitarre und gleichzeitig verschwinden die Höhen! Ursache ist immer die große Kabelkapazität und der Widerstand des Lautstärkeeinstellers (Volume). Eine genauere Erklärung für dieses Verhalten findet sich im Artikel "
Die Lautstärkeeinstellung in der Elektrogitarre".
Alle normalen passiven Schaltungstricks basteln nur ein wenig an den Symptomen herum. Die Ursache beseitigen sie jedoch nicht! Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?
2.3 Ja wer klopft denn da?Sound-Check: Der Onkel steht auf der Bühne und "schüttelt" sein Kabel aus. Es gibt ein polterndes Geräusch!
"Sach ma, is dein Kabel mikrofonisch? Kann ja wohl nich angeh'n!"
Tontechniker sind mit ihrer Kritik manchmal gnadenlos, aber Recht hatte er leider schon! Mikrofonie und Klopfempfindlichkeit sind Eigenschaften, die bei den meisten Instrumentenkabeln in unterschiedlicher Ausprägung vorhanden sind. Ursache ist eine Kapazitätsänderung die entsteht, wenn sich der Abstand zwischen dem Innenleiter und der Abschirmung verändert. Ein Tritt oder Schlag ist da häufig schon ausreichend.
Dieses Problem zu lösen, gleicht der Quadratur des Kreises. Um den Abstand zwischen Abschirmung und Innenleiter zu fixieren, sind festere Materialien gefordert, aber darunter leidet die Flexibilität des Kabels, was bei den Musikern ebenfalls nicht auf der Wunschliste steht. Teure Kabel versprechen da zumindest Linderung, wie aber diverses Tests zeigen, ist ein hoher Verkaufspreis noch lange keine Garantie für eine geringe Mikrofonie.
"Tools4Music" veröffentlichte im Mai 2005 einen Kabeltest, in dem ausgerechnet zwei hochpreisige Kabel von Klotz und Planet Waves bezüglich der Mikrofonie die hintersten Ränge belegten. Ein billiges Kabel von Adam Hall für ein Drittel des Preises der "hochwertigen" Konkurrenz lag da überraschend an der Spitze! Mit der Mikrofonie von Kabeln muß man also irgendwie leben. Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?
2.4 Rauschen und andere elektrische LästigkeitenRauschen, Zischen, Knistern, Brummen - Der Äther ist voller elektrischer Signale, die von Musikern nicht gern gehört werden. Da hilft nur eine vernünftige Abschirmung der Signalwege! Gute Instrumentenkabel haben daher einen koaxialen Aufbau. Die Signalleitungen werden durch einen schlauchförmigen Außenleiter umschlossen, der mit der Schaltungsmasse verbunden wird und so als Abschirmung dient.
Bild 2: Aufbau eines KoaxkabelsOrdentliche Kabel überzeugen hier mit einem Schirmungsmaß von mehr als 110dB! Aber wie schon bei der Mikrofonie ist ein hoher Preis ebenfalls kein Garant für ein hohes Schirmungsmaß!
Leider ist nichts für die Ewigkeit gemacht! Auch kein Instrumentenkabel! Häufiges Auf- und Abrollen, Tritte oder gar Knicke können die Abschirmung schnell und dauerhaft beschädigen. Auf das bei Antennenkabeln zu findende Abschirmungsgeflecht - eventuell sogar mit einer zusätzlichen leitenden Folie - wird bei Instrumentenkabeln aus Gründen der Flexibilität und des Preises häufig verzichten. Ein kleiner Knick und schon hat sich die Abschirmung verschoben und das Kabel hat ein "elektrisches Loch". Dann heißt es wieder: "Freie Bahn für Rauschen, Zischen, Knistern, Brummen...!"
Besitzer schlechter Kabel haben es da leichter, denn sie haben sich daran bereits gewöhnt. Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?
2.5 Ich möchte mehr "Höhen" haben! Welchen Tonabnehmer soll ich kaufen?Da ist sie wieder, die typische Frage, die man wohl täglich und weltweit in diversen Internetforen in mehrfacher Ausfertigung lesen kann. Sie wird insbesondere von Gitarristen gestellt, deren Instrumente über sogenannte "High-Gain-Pickups" verfügen. Das, was in diesem Fall aus elektrischer Sicht notwendig ist, ist eine Vergrößerung der Resonanzfrequenz und - unter Umständen - eine Erhöhung der Resonanzspitze. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es zwei Möglichkeiten:
- Eine Verringerung der Induktivität. Das erreicht man in der Regel nur durch einen neuen Tonabnehmer mit sogenanntem "Vintage Output". Sie haben in der Regel deutlich geringere Windungszahlen und klingen daher "heller". Meistens sind sie jedoch auch deutlich leiser!
- Eine Verringerung der Kapazität. Diese Lösung ist mit passiven Mitteln schwer, wenn nicht gar unmöglich, denn sie läuft auf eine Verringerung der Kabelkapazität hinaus. Ein Kabel mit einem deutlich geringeren Kapazitätsbelag, ist da sicherlich ein Schritt in die richtige Richtung, wird aber nicht ganz das Ziel erreichen können.
Wer sich mit einer aktiven Lösung schwer tut, der wird wohl um den Kauf eines anderen Tonabnehmers nicht umhin kommen. Aber das kostet... Wäre es nicht schön, wenn dieses Problem nicht auftreten würde?
Weiter geht es demnächst. Stay tuned
Ulf
(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist ebenfalls in der
Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
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