Für die Paula ein mittiger dreistufiger Verzerrer à la Red Llama: Das Wildschaf heißt Verzerrer. Mit Treble Booster. Der Schaltplan. Elektronikbasteln für Dummys. Jetzt Theorie – das Lama wird seziert: Digitale Logik und Digitale Schaltkreise als Verzerrer. Analogtechnik mit der Stromgitarre und ein spezieller Klang. Saging und Sägen. Zum Schluss der Dank an einen deutscher Professor.
Ein fettes Lama
Kapitelinhalt:[ Überspringen ]Zuallererst zum originalen Red Llama von Way Huge – es handelt sich hier um einen schaltungstechnisch eher speziellen Gitarrenverzerrer aus den neunziger Jahren. Zur Zeit der Erstellung dieses Artikels wird eine leicht veränderte Version (die Veränderungen betreffen, über die Größe des Widerstands in der Betriebsspannungsleitung, Kompression und Dynamik) des Red Llama von der Firma Dunlop gebaut und vertrieben – ob es weitere Versionen der Schaltung von anderen Herstellern gibt, kann hier nicht abschließend gesagt werden, ebenso wenig, wer eventuelle Rechte an der Schaltung hält. Die genannte Version von Jim Dunlop wird wohl seit 2012 verkauft; schon zuvor hat (unter anderem?) der Versender musikding.de einen entsprechenden Bausatz angeboten und tut das bis dato auch noch. Soviel aus Laiensicht zum Urheberrecht.
Die hier vorgestellte Schaltung ist aus einem solchen Musikding-Bausatz des Red Llama Overdrive hervorgegangen. Allerdings hatte die (originalgetreue) Bausatzversion mit einer Les Paul-Kopie nicht überzeugt (zu kratzig, entweder zu clean oder, bei mehr Verzerrung, zu komprimiert). Über mehrere Stufen / Versuche des Umbaus entwickelte sich die Schaltung bis zum hier beschriebenen letzten Stand.
Der folgende Text versucht nun, diese Schaltung und auch die des Red Llama beschreiben und, wenn möglich, zu erklären. Dazu wird zunächst mit der realisierten Schaltung begonnen; anschließend werden die Änderungen zum Red Llama erläutert (beides im ersten Teil Der realisierte Verzerrer), bis dann im zweiten Teil (Das sezierte Lama) die Theorie auseinandergenommen wird.
Der realisierte Verzerrer
Kapitelinhalt:[ Überspringen ]Zum Hergang der Entstehung der Schaltung nur so viel: Es ist sinnvoll, möglichst schnell die Phase der Schaltungssimulationen hinter sich zu lassen und intensiver am Steckbrett zu testen – die Ideen werden beim Simulieren nicht besser und die verwendeten Bauelemente, insbesondere die Schalter, beim Probieren & Herumlöten auch nicht.
Schaltungsüberblick
Hier also die Schaltung des realisierten Verzerrers, die im Folgenden erläutert werden soll:
Abb. 1.1: Schaltung des realisierten Verzerrers – Fußschalter und LED wurden nicht mit dargestellt.
Nach einem Schalter, der den Eingangskondensator auswählt (10,4 nF, 2,2 nF oder 4,4 nF ) folgen ein Gain-Regler und dann drei sogenannte CMOS-Inverter, die mit zwei Widerständen (je einer vor dem Inverter und einer zwischen Inverterein- und -ausgang) gegengekoppelt werden. Bei der ersten Inverterstufe liegen zwei Widerstände zwischen Ein- und -ausgang – hier kann über einen weiteren Widerstand gegen Masse der Arbeitspunkt verändert werden.
Weiterhin ist jede Inverterstufe mit einem kleinen Kondensator gegengekoppelt, um ein mögliches Schwingen der Stufe zu verhindern. Der letzten Stufe folgt nach einem Koppelkondensator der Lautstärkeregler.
Unterschiede zu Red Llama
Zum Red Llama, aus dem die Schaltung hervorgegangen ist, gibt es einige Unterschiede. (Die Schaltung des Red Llama wird im folgenden Kapitel eingehend erläutert.) Hier schon einmal der Schaltplan:
Abb. 1.2: Schaltung des Red Llama in der Version des Internetversenders musikding.de; die Darstellung hier folgt dem Bausatz des Versenders, allerdings wurden Fußschalter, LED, restliche Inverter usw. weggelassen.
Folgende Unterschiede zu obiger Originalschaltung haben sich mit der Zeit ergeben:
- Eingangswiderstand:
Der Widerstand zwischen dem Eingang der Schaltung und dem Eingang der ersten Stufe wurde verringert, um die erste Stufe mit maximaler Verstärkung zu betreiben. Die Gain-Regelung wurde verändert – der vorherige Gain-Regler 1 MΩ wurde durch einen Festwiderstand ersetzt und vor der ersten Inverterstufe ein Potentiometer P1 (100 kΩ) eingefügt. Dadurch wurde der Eingangswiderstand dieser Stufe ausgeglichen, er hängt nicht mehr so stark von der Aussteuerung ab.
Erläuterungen zum Eingangswiderstand der CMOS-Inverter finden sich im folgenden Kapitel Der Eingangswiderstand.
- Eingangshochpass – „Treble Booster: off | 2 | 1“:
Bei einem Eingangswiderstand von etwa 50 kΩ vor dem neuen Gain-Regler P1 (siehe auch weiter unten im Kapitel zum Eingangswiderstand) und einer Quellimpedanz des Tonabnehmers von 8 kΩ (Gleichstromwiderstand eines klassischen Humbuckers) bildet sich mit den vorgeschalteten Kondensatoren in drei Schaltstellungen ein Hochpassverhalten mit verschiedenen (theoretischen) 3 dB-Frequenzen aus:
- C1 parallel zu C3 (8,2 nF parallel zu 2,2 nF)
Mit einem Widerstand von etwa 60 kΩ (Eingangswiderstand und Tonabnehmerimpedanz) – es entsteht ein Hochpass bei knapp 300 Hz. Am Gerät ist das als Schalterstellung „Treble Booster off“ bezeichnet. Klanglich ist das eine leichte Absenkung der Bässe, damit es bei Verzerrung nicht allzusehr matscht.
- C1 allein
Hier ergibt sich theoretisch ein Hochpass bei 1,3 kHz – am Gerät „Treble Booster 2“.
- C1 parallel zu C2
Beide Kondensatoren haben zusammen einen Wert von 4,4 nF – das heißt, der Hochpass hat eine Grenzfrequenz von gut 600 Hz – am Gerät ist das „Treble Booster 1“.
Soweit die einfache Theorie. Berücksichtigt man dazu die elektrische Wechselwirkung von Eingangswiderstand und der Induktivität des Tonabnehmers, so bildet sich ein Frequenzgang, der, bei voll aufgedrehtem Volumenpoti an der Gitarre, vorrangig die Mitten durchlässt, während bei zurückgedrehtem Poti die Bässe und die unteren Mitten gedämpft werden, die Mittenbetonung aber eher weicher wird.
Betrachtungen zu diesem Verhalten werden im Kapitel Der Frequenzgang angestellt.
- C1 parallel zu C3 (8,2 nF parallel zu 2,2 nF)
- Arbeitspunkt der ersten Stufe – „Cliping: Symm. | asymm.“:
Zur Gegenkopplung der ersten Inverterstufe ist ein Widerstand R7 (2,2 MΩ) gegen Masse zuschaltbar, so dass sich der Arbeitspunkt der Ausgangsspannung erhöht und so die Verstärkung im Arbeitspunkt etwas kleiner als die maximal mögliche Verstärkung ist.
Dazu wurde ein DP3T-on | off | on-Schalter (Zweiebenen-Umschalter mit drei Positionen, in der Mittelstellung ist kein Kontakt geschlossen) verwendet: Die erste Schalterebene schaltet, und zwar nur in der Schaltstellung 1, R7 zu, während die zweite Ebene in den Schaltstellungen 1 und 3 das Signal hinter dem Lautstärkeregler auf den Ausgang schaltet. Die zweite Schalterebene dient also dazu, in der Mittelstellung die Signalverbindung zum Ausgang abzuschalten, damit man den Umschaltknack nicht so laut hört.
Eine solche Verschiebung des Arbeitspunktes sollte grundsätzlich nicht in der letzten Stufe passieren – es entsteht ein zusätzliches Kratzen, das hier klanglich wenig überzeugt. Fügt man allerdings noch eine weitere Begrenzerstufe an, so scheint dieses Kratzen in den Klang „hineinkomprimiert“ zu werden.
- Gegenkopplung zweite Stufe:
Der zweiten CMOS-Inverterstufe wurde ein Widerstand R3 (100 kΩ) vorgeschaltet, so dass diese Stufe über R3 und R4 mit eins zu zehn gegengekoppelt wird und dadurch die Verstärkung kleiner zehn und die statische Kennlinie ein wenig homogener wird. Das heißt, das Maximum der Verstärkung um den Arbeitspunkt herum ist geringer und besser in das Gesamtverhalten des Inverters eingebettet.
- Dritte Stufe:
Der Verzerrer hat also eine dritte Inverterstufe bekommen, die mit ihrer starken Gegenkopplung (R5 mit 100 kΩ gegen R6 mit 33 kΩ) das Signal vor allem noch etwas komprimierend verzerrt.
Frühere Versuche, dem Red Llama lediglich eine weich begrenzende Klippstufe mit vorgespannten Dioden nachzuschalten, hatten ebenfalls nicht überzeugt, das Signal wurde zu stark komprimiert.
- Versorgungsspannung:
Der zwischen die Betriebsspannung und dem Betriebsspannungsanschluss des Schaltkreises (UDD ) eingeschleifte Widerstand R8 ist wesentlich kleiner als der vergleichbare Widerstand beim Red Llama (100 Ω vs. 1 kΩ). Dadurch steigt die Betriebsspanunng UDD des gesamten CMOS-Schaltkreises, so dass die einzelnen Inverter auch anders übersteuern – die Übersteuerung wird geringer und auch weicher, komprimierter und weniger ruppig. Außerdem haben die Inverter so „weniger Gain“, d. h. die erreichbare maximale Verstärkung ist geringer.
Im Kapitel Betriebsspannung und Kennlinie wird der Zusammenhang zwischen Betriebsspannung und statischer Kennlinie noch einmal erörtert.
Weiterhin besteht der Verpolschutz nicht nur aus einer dem Betriebsspannungsanschluss in Sperrrichtung parallelgeschalteten „Opfer“diode. Vielmehr wurde hinter R9 eine Z-Diode 15 Volt / 1,3 Watt in Sperrichtung gegen Masse eingesetzt. Zum einen überlebt diese Z-Diode dank R9 eine Verpolung, zum anderen wurde damit auch ein zusätzlicher Überspannungsschutz realisiert. R9 ist ebenfalls mit 1 Watt belastbar.
Schließlich bilden R9 sowie C8 und C9 (C9 am besten ein Keramik-Vielschicht-Kondensator) als Tiefpassfilter Schutz gegen Netzbrummen und höherfrequente Störgeräusche.
Realisierung
Dieser Verzerrer ist eines der ersten Geräte, die der Autor gebaut hat – der Autor hat hier lernen müssen und gelernt. Deswegen auch nicht allzuviel zum praktischen Bau des Gerätes, es gibt dazu kompetere Ratgeber. Hier sei insbesondere auf das Forum Musikding verwiesen.
Abb. 1.3: Innenaufbau des realisierten Verzerrers.
Nichtdestotrotz soll das grundsätzliche Konzept der Platine kurz beschrieben werden. Die Schaltung wurde in ein relativ kleines Gehäuse 1590B eingesetzt, das eigentlich zu einem Red Llama gehört hatte – die neue Platine durfte also nicht wesentlich größer werden, obwohl die neue Schaltung umfangreicher ist als die des Red Llama.
Dazu wurde etwas weniger als die Hälfte einer Experimentierplatine für DIL-Schaltkreise von Conrad (Bestellnummer 53 11 98) verwendet. Da nur drei der sechs Inverter des CD4049UBE benötigt werden, wurde auch nur eine Seite des Schaltkreises genutzt. Die verwendete Experimentierplatine bot dabei den Vorteil, dass sie die Reihe der drei Inverter, die nacheinander mit einem Kontaktabstand von 2,54 mm an den Pins 7–2 liegen, auf eine Reihe von Lötösen mit Abstand 5 mm aufspreizt.
Betrachtet man noch einmal die realisierte Schaltung (siehe Abbildung 1.1), so ist hier auch eine Kette von Invertern zu erkennen, die dann über die aufgespreizten Pins auf einer Seite der Experimentierplatine recht einfach umgesetzt werden kann.
Abb. 1.4: Layoutskizze für eine Experimentierplatine. Die Schaltung wurde im Layout ein wenig geändert – C4 und R1 wurden vertauscht und R9 geht hinter R1 an Masse. Der Anschluss „Clip.“ führt an den Cliping-Schalter. Der Draht über die Pins 8–16 wurde leiterseitig angelötet, die gekreuzten Pins vorher aus der Schaltkreisfassung entfernt.
Bleiben noch die Pins 9–16 auf der anderen Seite des Schaltkreises. Die anderen drei Inverter müssen mit ihrem Eingang entweder an die Betriebsspannung oder an Masse gelegt werden, damit ihr Ausgang definiert ist und die Inverter keinen Strom verbrauchen.
Der Schaltkreis CD4049UBE kam in eine Fassung. Für ein einfaches Layout der Platine wurden der Pin 8, die Pins 9–16 und Masse mit einem durchlaufenden Draht miteinander verbunden (an Pin 8 liegt der Masseanschluss) und die Kontakte für die Pins 10, 12, 13, 15 und 16 (Inverterausgänge und NC-Anschlüsse) vorher aus der Fassung entfernt.
Ein Nachteil dieser platzsparenden Lösung ist allerdings, dass die Beschaltung des Eingangskondensators direkt am Schalter erfolgen musste – hier sind im Nachhinein kaum noch Experimente oder klangliche Anpassungen möglich, will man nicht irgendwann den Schalter zerlöten.