VOX Pathfinder 10 – Teil II

Eine „weichere“ Klippstufe

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Klippen über Gleichrichter •
• Ungefähre Dimensionierung •
• Simulation •
• Kennlinienmessung •
• Weitere Änderungen •
• Praktische Realisierung

Beim Ausprobieren des VOX Pathfinder 10 war aufgefallen, dass der Verstärker zwar einen schönen Cleansound hat, aber der Overdrivesound, gelinde gesagt, ein wenig „halbstark“ (aggressiv ohne wirkliche Basis und Substanz) klingt.  Eine neue Begrenzer­schaltung sollte sich also im Zerrverhalten von der recht harsch klingenden LED-Klippstufe unterscheiden. 

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Klippen über Gleichrichter

Zuerst also die Begrenzer­schaltung an sich.  Es war gewünscht, dass die Begrenzung nicht erst spät und hart einsetzt, sondern langsam und kontinuierlich zunimmt.  Außerdem sollte das Signal asymmetrisch, das heißt bei verschieden großen Spannungen für die positive und die negative Halbwelle, begrenzt werden.  Dafür wurde eine etwas unübliche Begrenzer­schaltung / Klippstufe mit vorgespannten Dioden entwickelt und in diesem Verstärker ausprobiert. 

Obige Abbildung 2.1 zeigt die Schaltung.  Sie sieht komplizierter aus, als sie letztendlich ist – die Dioden D₁₀₁ bis D₁₀₄ und D₁₀₅ bis D₁₀₈ bilden jeweils eine Graetzbrücke, wie sie zur Gleichrichtung in Netzteilen verwendet werden. 

Die allseits bekannte Klipp­schaltung über einen Kondensator, einen Vorwiderstand und zwei antiparallele Dioden gegen Masse ist auch in dieser Schaltung vorhanden und wird mit den Dioden D₁₀₄ und D₁₀₆ sowie mit der im Pathfinder bereits vorhandenen Kombination aus Vorwiderstand (R₉) und Koppel­kondensator (C₈, hier in Reihe mit dem hinzugefügten C₁₀₁) realisiert.  Eine solche Klipp­schaltung begrenzt das Signal üblicherweise symmetrisch bei Eingangsspannungen über etwa 500 mV.  Der Wider­stand R₉₉ dient hier als Pulldown, d. h. er sorgt dafür, dass die linke Seite von C₁₀₁ im Ruhezustand Massepotential hat und es beim Umschalten in den Overdrive-Betrieb nicht knackt oder ploppt. Für die Kennlinie der Begrenzer­schaltung hat er keine Bedeutung.

Die restliche Schaltung bedarf einer kurzen Erläuterung.  Dazu wird der Wider­stand R₁₀₅ zunächst ignoriert und mit der Betrachtung oben rechts begonnen:  Durch die Wider­stände R₁₀₃ und R₁₀₁, die Diode D₁₀₂, Masse, die Diode D₁₀₈ sowie die Wider­stände R₁₀₂ und R₁₀₄ fließt ein Strom von knapp 10 mA vor positiven Betriebs­spannungs­quelle zur negativen.  (C₁₀₂ und C₁₀₃ haben hier keine klangliche Funktion, sondern sollen lediglich eventuelle Brummreste aus der Versorgungs­spannung herausfiltern.).  Dadurch fällt auf die Dioden D₁₀₂ und D₁₀₈ eine Spannung von jeweils etwa 800 mV ab.  Diese insgesamt 1,6 V verteilt sich nun auf die Dioden D₁₀₁, D₁₀₃, D₁₀₅ und D₁₀₇ (auf der linken Seite der Begrenzer­schaltung).  Ohne R₁₀₅ würden die genannten Dioden mit je etwa 400 mV vorgespannt bzw. vorgesättigt werden und die Schaltung dadurch schon bei sehr kleinen Eingangssignalen von etwas mehr als 100 mV begrenzen.  Deswegen R₁₀₅ – einer der Dioden parallel­geschaltet, schließt dieser Wider­stand die Diode teilweise kurz und sorgt dafür, dass deren Vorsättigung wesentlich geringer ist als die der anderen Begrenzerdioden. 

Das führt nicht nur dazu, dass die Begrenzung für eine Halbwelle (in diesem Fall die positive Halbwelle) wesentlich weniger scharf ansetzt.  Der Arbeitspunkt der Schaltung (Ruhespannung an der rechten Seite von C₁₀₁) „wandert“ in den Bereich der Begrenzung der negativen Halbwelle (Siehe auch das folgende Diagramm in Abbildung 2.2) – für kleine Signalpegel entsteht eine asymmetrisch gekrümmte Kennlinie wie beispielsweise bei einer Triode „im cleanen Bereich“. 

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Ungefähre Dimensionierung

Ein paar Angaben zur Dimensionierung:

Die Wider­stände

Der Wert von R₉ ist vorgegeben.  R₁₀₁—R₁₀₄ müssen so gewählt werden, dass der Strom, der durch die Dioden D₁₀₂ und D₁₀₈ fließt, immer größer ist als der durch R₉.  (Ansonsten würden die Spannungen an R₁₀₁ / D₁₀₂ bzw. R₁₀₁ und an R₁₀₇ / D₁₀₈ bzw. R₁₀₂ bei starker Aussteuerung „mitwandern“ und die Begrenzung dann nicht mehr funktionieren.)

Da die minimale oder maximale Spannung an der linken Seite von R₉ nicht wesentlich kleiner ist als die Betriebsspannungen ist, sollten R₁₀₁ und R₁₀₃ (bzw. R₁₀₂ und R₁₀₄) zusammen kleiner sein als R₉. 

Interessanter ist die Ermittlung von R₁₀₅.  Hier wurde auf die Hilfe von PSPICE zurückgegriffen.  Das Bild zeigt, schon einmal im Vorgriff auf die Simulation, die statische Kennlinie der Begrenzer­schaltung für verschiedene Werte von R₁₀₅ von 0,5 kΩ bis 5 kΩ: 

Der fett markierte Graph für einen Wider­stand R₁₀₅ von 1,5 kΩ schien den Anforderungen an einen stetig gekrümmten Kurvenverlauf und eine nicht zu starke Asymmetrie am besten zu entsprechen. 

Die Dioden

Es wurden zwei handelsübliche Brücken­gleichrichter verwendet, die auch zur fliegenden Montage auf Lötleisten geeignet sind. 

Die Kondensatoren

C₁₀₅ muss vor die Begrenzer­schaltung einfügt werden, damit beim Zuschalten kein Gleichspannungshub („Plopp“) entsteht.  Für C₁₀₅ gilt, dass er größer sein muss als der im Verstärker vorhandene C₈, damit die entstehende Gesamtkapazität nicht wesentlich kleiner als C₈ wird. 

Die Siebkondensatoren C₁₀₂ und C₁₀₃ (je 100uF) filtern Netzbrummen auf den Versorgungs­leitungen heraus. 

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Simulation mit PSPICE

Bevor die Schaltung aufgebaut und in den Verstärker eingesetzt wurde, musste sie zuerst mit PSPICE simuliert werden.  Anschließend wurde die statische Kennlinie aus Einzelmesspunkten aufgenommen. 

Simuliert wurde nach der folgenden Schaltung: 

Auch diese Schaltung erfordert u. U. einige Erläuterung. 

• Zur Benennung der Bauteile: 

  • Die bereits im Verstärker vorhanden Bauelemente tragen hier Indizes unter einhundert (R₉) . 

  • Die im Umbau verwendeten und real vorhandenen Bauelemente haben Indizes zwischen einhundert und zweihundert. 

  • Die Bauelemente mit Indizes über zweihundert dienen der Simulation. 

• Dabei ersetzen die Spannungsquellen V₂₀₂ und V₂₀₃ die symmetrische Spannungsversorgung im Verstärker. 

• Die Spannungsquelle V₂₀₁ durchläuft den Eingangsspannungs­bereich von −15 V bis +15 Volt.  (Für die Kennlinien­darstellung wurde dieser Bereich verringert, da der wesentliche Teil der Kennlinie im Bereich kleinerer Eingangsspannungen liegt.)

• Im realen Verstärker wird das Eingangssignal über einen Kondensator in die Begrenzer­schaltung eingekoppelt (was in der Kennlinien­simulation über Gleichspannung nicht funktioniert), so dass, wenn kein Signal R₉ anliegt, dieser stromlos ist.  Durch R₁₀₅ wiederum wird der Nullpunkt der Begrenzer­schaltung verschoben, so dass an deren Ausgang eine Ruhespannung von etwa −170 mV anliegt. 

  Das hat natürlich Einfluss auf die Kennlinie der Begrenzer­schaltung, sie wird in der negativen Halbwelle früher klippen als in der positiven.  Eine Simulation muss diese Zusammenhänge nachbilden. 

  Aus diesem Grunde wird die Begrenzer­schaltung auf der rechten Seite der Simulations­schaltung noch einmal „nachgebaut“, um zwischen D₂₀₄ und D₂₀₆ die genannte Ruhespannung abzugreifen und sie gepuffert der Eingangsspannung der Simulation zu überlagern. 

• Zur Simulation wurden für die beiden Graetzbrücken diskrete Gleichrichterdioden 1N4002 verwendet. 

Hier nun noch einmal das Diagramm mit der in der Simulation ermittelten statische Kennlinie der Begrenzer­schaltung und deren Ableitung (beide fett hervorgehoben): 

Die Kennlinie zeigt zuerst einen sanft geschwungenen Verlauf – an ihrer Ableitung (der obere, grüne Graph als glockenförmige Kurve) ist zu erkennen, dass deren Wachstum niemals konstant, das heißt, dass die Kennlinie niemals wirklich linear ist, sondern das Signal auch bei kleiner Amplitude immer etwas begrenzt oder mindestens verformt. 

Außerdem ist zu erkennen, dass das Signal eine asymmetrische Begrenzung erfährt – die positive Halbwelle wird erst bei einer Amplitude größer 1 Volt begrenzt, bei der negativen Halbwelle geschieht das schon bei wesentlich kleineren Spannungen.  Weiterhin zeigt der Kennlinienbereich in der Nähe des Arbeitspunktes, dass sehr kleine Signale an einer leicht gekrümmten Kennlinie lediglich verformt, aber nicht begrenzt werden, das heißt, bei kleinen Pegeln kann mit einer Zunahme geradzahliger Harmonischer gerechnet werden. 

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Händische Kennlinienmessung

Schließlich wurde die statische Kennlinie der Klipp­schaltung ausgemessen.  Bei der verwendeten Schaltung entfiel zunächst C₂ und C₃ sowie R₃ und R₄ – die an den rechten Seiten von R₁ und R₂ lagen stabilisierte +9 V bzw. —9 V an. 

Es wurde aus 95 Messwerten eine kontinuierliche statische Kennlinie ermittelt.  Die gelegentlichen Ausreißer vor allem im Wachstumsgraph sind wohl eher in Messfehlern begründet. 

Für die Interpretation dieser gemessenen Kennlinie gilt das auch schon zur Simulation gesagte – der Arbeitspunkt liegt nicht da, wo Eingangs- und Ausgangsspannung gleich null sind, sondern dort, wo durch den Vorwiderstand kein Strom fließt.  Das heißt, Arbeitspunkt bzw. Nullpunkt im Sinne der Signalbegrenzung ist der Punkt, an dem Eingangs- und Ausgangsspannung gleich sind.  Im Diagramm der gemessenen Kennlinie ist dieses Problem grafisch gelöst, am Schnittpunkt zwischen Kennlinie und der Linie „Hilfslinie U_A = U_E“ wurde ein zweites Koordinatenkreuz (blau gepunktet) eingefügt, dessen Nullpunkt im Arbeitspunkt bzw. Ruhezustand der Begrenzer­schaltung liegt. 

Mit dieser (Richtig)-Verschiebung des Arbeitspunkt ähnelt das Ergebnis der Kennlinienmessung durchaus dem der Simulation über PSPICE. 

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Weitere Änderungen an der Vorstufe

Da der Verstärker im Original nicht nur eine harsch klingende LED-Klippstufe, sondern auch ein zu hohes Gain besitzt, wurde eine weitere Änderung vorgenommen – der Wider­stand R₇ wurde von 1 MΩ auf 330 kΩ verringert.  Weiterhin schien die rechts drastische Höhenanhebung in der ersten Verstärkerstufe (von 1,4 kHz bis etwa 10 kHz um bis zu 17 dB) für eine etwas weniger harsche Begrenzer­schaltung nicht notwendig; durch Vergrößerung von R₄ von 1,5 kΩ auf 10 kΩ wurde ein anderes klangliches Verhalten erreicht; die Verstärkung nimmt in dieser Stufe von 800 Hz bis 1,6 kHz um 6 dB zu – eine Hochmittenanhebung, wie man sie ähnlich auch von Verstärkern der Firma Marshall kennt. 

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Praktische Realisierung

Die Begrenzer­schaltung wurde auf einem Stück doppelreihiger Lötleiste aufgebaut und die Lötleiste mit zwei Abstandshaltern an eine freie Stelle im Gerät eingeklebt.  Die Klipp-LEDs im Verstärker konnten ausgelötet und beide Anschlüsse; mit Ausgang und Masse der neuen Begrenzer­schaltung verbunden werden.  Die beiden Gleichspannungen wurden hinter der zweiten Siebstufe des Verstärkers abgegriffen.