Fuzz-mäßiger Overdrive – Teil II

Die neue Schaltung

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Verwendetes Vorbild •
• Die Eingangsstufe •
• Die Begrenzerstufe •
• Der Rest der Schaltung •
• Einstellungen des Bias

Verwendetes Vorbild

Bei dem zu bauenden Effektgerät ging es also darum, eine schaltungs­technische Idee mit der Modifikation eines vorhandenen Vorbildes Tonebender MKIII auszuprobieren.  Im konkreten Fall sollte getestet werden, ob es möglich ist, mit einer asymmetrischen Begrenzerstufe über einen Transistor­differenz­verstärker einen „germaniummäßigen“ Zerrklang zu erzielen.  Nun gibt es den Tonebender MKIII nicht, die Ex-Jugendbewegungs-Altertumsforschung Vintage & Mojo bietet mehrere Deutungen an.  Hier eine der Versionen, die sich auf der Seite Fuzz Central finden lässt.

Letztendlich orientiert sich die realisierte Schaltung an der Tonebender MKIII-Version des Onlineversenders uk-electronic. Der Bausatz­anbieter hatte die Schaltung auf negative Masseführung „umgestrickt“ und einen schaltbaren Hochpass vor den Eingang eingefügt.  Die Schaltung wurde dort als Bausatz angeboten, UK-electronic stellt dort auch eine Bauanleitung mit Schaltplan als PDF zum Download zur Verfügung. 

Soweit zu den Quellen.  In der folgenden Abbildung 2.2 nun die Schaltung des realisierten Verzerrers, die hier eingehend beschrieben wird:  Die rot gezeichneten Bauelemente C₃, R₃ und P₁ bieten sich für Modifikationen an – näheres dazu im entsprechenden Kapitel Mögliche Modifikationen. 

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Die Eingangsstufe

Zuerst die Eingangsstufe.  Der Tonebender MKIII wird hier mit einer Darlington­schaltung eine hohe Eingangsverstärkung erreicht – auch wenn die seinerzeit verfügbaren Transistoren geringere Stromverstärkung hatten.  Der Arbeitspunkt beider Transistoren wird durch einen Spannungsteiler 220 kΩ zu 47 kΩ bestimmt. 

Um, für eine Siliziumversion der Schaltung einen ähnlichen Arbeitspunkt einzustellen (die drastisch größeren Restströme von Germanium­transistoren ersteinmal außenvorgelassen), muss jetzt berücksichtigt werden, dass Silizium­transistoren eine größere Basis-Emitter­spannung „brauchen“ – insofern funktioniert die Schaltung mit Silizium­transistoren in dieser Dimensionierung nicht genauso.  Die Emitter­spannungen von T₁ und T₂ sind bei gleicher Basis­spannung von T₁ kleiner und damit auch die Emitter- bzw. Kollektorströme, so dass sich die Kollektor­spannung im Arbeitspunkt nach oben verschiebt. 

Dies wurde durch eine größere Basis­vor­spannung ausgeglichen – die Basis­vor­spannung wird über einen Spannungsteiler 220 kΩ zu 56 kΩ bereitgestellt.  Die Leerlauf­spannung des Gleich­spannungs­teilers im Eingang steigt so von 1,5 Volt auf 1,8 Volt – an T₁ bzw. T₂ wurde eine Kollektor­spannung von 6,5 Volt gemessen. 

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Die Begrenzerstufe

Grundlegendes ist ja eingangs in den Vorüberlegungen bereits gesagt worden, zur Verzerrung dient ein Differenz­verstärker, dessen gemeinsamer Emitterwiderstand so klein ist, dass der Differenz­verstärker kaum linear arbeitet und sich eher weichere und kontinuierlich zunehmende Verzerrungen ergeben.  Das Prinzip dieser Schaltung hier nachfolgend etwas genauer: 

Die beiden Transistoren der Begrenzerstufe T₃ und T₄ arbeiten im (nichtlinearen) Bereich kleiner Ströme – die Basiströme beider Transistoren liegen bei etwa 1–2 µA, ihre Emitterströme entsprechend bei 100–200 µA. 

Strenggenommen arbeitet T₃ in Kollektor­schaltung (als Emitterfolger, Spannungs­verstärkung etwa 1) mit niederohmigem Ausgang als Stromverstärker, während T₄ in Basis­schaltung mit niederohmigem Eingang und einem hohen Emitterwiderstand die eigentliche Signalverstärkung übernimmt.  Beide Transistoren werden in die Begrenzung durch einen kleineren Basisstrom, gebracht, allerdings geschieht das in beiden Halbwellen des Signals auf unterschiedliche Weise.  Um die Nichtlinearitäten der Schaltung zur verstehen, müssen beide Halbwellen des Eingangssignals getrennt betrachtet werden: 

Negative Halbwelle

Die negative Halbwelle führt dazu, dass T₃ in den Cut Off, ins „sanfte Cliping“ läuft, das heißt, T₃ wird in den Bereich kleinster Basis- und Emitterströme und eines kleineren Stromverstärkungs­faktors gebracht und begrenzt weich.  Die Abnahme des Emitterstroms von T₃ führt dann zu einer Zunahme des Emitterstroms vom T₄, die T₄ nicht in den Cut Off bringt – die sanft begrenzte negative Halbwelle erscheint verstärkt am Kollektor von T₄. 

Positive Halbwelle

Die positive Halbwelle wird von T₃ lediglich weiterverstärkt, das heißt, T₃ entzieht T₄ Basis- und Emitterstrom, so dass jetzt T₄ in den Cut Off, die Absenkung des Stromverstärkungs­faktors läuft und „sanft clipt“.  Die Kollektor­spannung von T₄ steigt gleichfalls sanft in Richtung Betriebs­spannung an. 

Die erreichbare Verstärkung hängt dabei vom Verhältnis der Kollektor­widerstände R₁₃, R₁₄ und R₁₃₁ zum gemeinsamen Emitterwiderstand R₁₁ ab. 

Das Übersteuerungs­verhalten dieser Begrenzerstufe durch die Einstellwiderstände R₉ und R₁₆ bestimmt.  Über R₁₆ wird die Kollektor­spannung von T₅ und damit die Basisruheströme von T₃ und T₄ kontrolliert.  R₁₆ muss so eingestellt werden, dass T₄ bei einer negativen Halbwelle nicht in die Sättigung fährt und am Kollektor übersteuert.  Der Widerstand R₉ hingegen steuert über den Basisstroms von T₃ den Arbeitspunkt der Begrenzerstufe (die Ruhe­spannung am Kollektor von T₄ ) und damit die Symmetrie der Begrenzungen. 

Im Unterschied zum Tonebender MKIII, dessen Begrenzerstufe nur die halbierte Betriebs­spannung zur Verfügung steht, arbeitet die Begrenzerstufe mit Silizium­transistoren mit der vollen Betriebs­spannung, da die verwendeten Transistoren „größere Spannungen brauchen“.  (Die beiden Widerstände 10 k Ω [R₁₃ und R₁₃₁] bilden im originalen Tonebender MKIII einen Spannungsteiler zwischen Betriebs­spannung und Masse mit einer Ausgangs­spannung von 4,5 Volt und einem Ausgangswiderstand von 5 kΩ).  Letztendlich kann die Schaltung aber noch umgelötet und R₁₃₁ gegen Masse gelegt werden, wodurch die Begrenzerstufe wie im Tonebender MKIII mit 4,5 Volt arbeitet (was aber u. U. eine Neueinstellung von R₉ und R₁₆ nach sich zieht.). 

Soweit die theoretischen Überlegungen.  Um diese Überlegungen zuerst einmal ohne allzu großen Aufwand zu verifizieren, wurde die ausgedachte Begrenzerstufe zunächst am Rechner in PSPICE simuliert.  Hier die Simulations­schaltung:

Das Ganze sieht gefährlicher aus, als es letztendlich ist ;-)  Um die Kennlinie im Zusammenhang mit dem Arbeitspunkt zu ermitteln, wird die Schaltung in der Simulation zweimal mit identischen Bauelementewerten aufgebaut – die untere Instanz der Schaltung hat keine andere Aufgabe, als die Ruhe­spannung an der Basis von T₃ zu liefern.  Das ist notwendig, um zu ermitteln, welche Ausgangs­spannung ohne Signal anliegt und um beurteilen zu können wie symmetrisch oder asymmetrisch die Begrenzungen sind.  Dieser Ruhe­spannung an der Basis von T₃ wird dann eine Gleich­spannung von beispielsweise ± 1 Volt aufaddiert und mit dem Eingang der oberen Instanz der Schaltung verbunden, so dass an deren Ausgang die Ausgangs­spannung in Abhängigkeit von Wert der Eingangs­spannung, mithin die statische Kennlinie der Schaltung, abgenommen werden kann.  PSPICE hat das in ein schönes Diagramm gegossen: 

Die aufsteigende Linien zeigen die Ausgangs­spannung am Kollektor von T₃ [in der Diagramlegende: V(R14:1)].  Die „Glockenkurven“ zeigen die (halbe) Änderung der Ausgangs­spannung über der Eingangs­spannung: [in der Diagramlegende: D(V(R14:1))/2].  Die cyanfarbene hervorgehobene Kennlinie entspricht einer symmetrischen Speisung beider Transistoren: (R₈ + R₉) = R₁₂ = 100k Ω. 

Als Ergebnis der Simulation kann man erkennen, dass eine relativ weich geschwungene nichtlineare symmetrische Kennlinie (die Verstärkung ist nirgendwo konstant) entsteht, deren Arbeitspunkt über R₉ eingestellt werden kann.  Die Kennlinie an sich ist symmetrisch, die Symmetrie der Verzerrungen wird über den Arbeitspunkt eingestellt. 

Anschließend wurde die Kennlinie noch mit einem realen Schaltkreis CA3046 auf dem Breadboard ausgemessen, die Ergebnisse waren, abgesehen von einer größeren Verstärkung, im Wesentlich ähnlich. 

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Der Rest der Schaltung

Zurück zum Schaltungsentwurf für den Verzerrer.  Die Klangregelung entspricht nun weitestgehend dem Original bzw. dem gewählten Vorbild – lediglich für das Volumen­potentiometer sollte eines mit logarithmischer Charakteristik verwendet werden, es war nur gerade kein passendes da ;-( 

Die Basis­vor­spannung für die Begrenzerstufe wird, wie schon gesagt, mit dem übriggebliebenen Transistor T₅ bereitgestellt, die beiden parallel­geschaltete Kondensatoren – C₁₀ und C₁₁ zwischen Basis und Kollektor (ein Elko 1 µF und ein Vielschicht-Keramik­kondensator 100 nF) sorgen für Stabilität. 

Last but not least die Spannungsversorgung.  Die Betriebs­spannung wird über einen Vorwiderstand R₁₈ = 100 Ω und zwei parallel­geschaltete Kondensatoren – ein Elko C₈ = 100 µF und ein Vielschicht-Keramik­kondensator C₉ = 100 nF gesiebt.  Die Z-Diode D₁ sorgt zusammen mit R₁₈ für einen Schutz gegen Über­spannung und Schäden durch Verpolung von Batterie oder Netzteil. 

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Einstellungen des Bias

Nun finden sich in der entworfen Schaltung in Abbildung 2.2 zwei Trimmpotentiometer – R₉ und R₁₆.  Beide dienen der Einstellung der Begrenzerkennlinie. 

Zuerst R₁₆.  Oben wurde ausgeführt, dass T₃ beim Verstärken der negativen Halbwelle in den Cut Off läuft, dass der Basisstrom von T₃ und die Kollektor­spannung von T₄ ihren kleinsten Wert erreichen.  R₁₆ muss so eingestellt werden, dass zu dieser sanfte Begrenzung nicht noch eine Begrenzung an T₄ hinzukommt. Das heißt, die Kollektor­spannung von T₄ sollte den Wert von 1 Volt nie wesentlich unterschreiten. 

Die Einstellungen können folgendermaßen vorgenommen werden:

R₁₆ – minimale Kollektorspannung:

Dazu wird die Basis von T₃ gegen Masse kurzgeschlossen und dann mit R₁₆ für T₄ eine Kollektorspannung von etwa einem Volt eingestellt.

R₉ – Arbeitspunkt der Ausgangsstufe:

Nach Entfernen des o. g. Kurzschlusses kann der Arbeitspunkt von T₄ eingestellt werden.

Wenn für den Tonebender MKIII für dessen Begrenzerstufe ein Arbeitspunkt von knapp 2 Volt empfohlen wird (die Begrenzerstufe des Tonebender MKIII arbeitet mit einer Betriebs­spannung von 4,5 Volt.) so wäre hier über R₉ ein Arbeitspunkt von knapp 4 Volt am Kollektor von T₄ einzustellen.  Aber das ist selbstverständlich nur ein Vorschlag – das Ohr entscheidet.