Surfy Industries
Surfy Trem und Surfy Vibe

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• Abstract & Vorspann •
• „Harmonisches“ Tremolo Surfy Trem •
• Röhren­ersatz­vibrato Surfy Vibe – LFO und Filter •
• Röhren­ersatz­vibrato Surfy Vibe – das Stell­glied

Abstract & Vorspann

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• Urheberrecht und Moral­predigt im Voraus •
• Theorie vorweg •
• Literatur

Dieser längere Artikel beschreibt Überlegungen und Experimente, die bei dem im Forum https://musikding.rocks gestarteten Versuch, aus Fotos, Messungen, Simulationen und Experimenten auf dem Bread­board die Schalt­pläne zweier Effektgeräte auszuknobeln, angestellt wurden.  Es handelt sich dabei um die Geräte „Surfy Trem“ und „Surfy Vibe“ des schwedischen Herstellers „Surfy Industries“. 

Urheberrecht und Moral­predigt im Voraus

Dabei scheinen die Geräte den Schaltplänen von Tremolo- bzw. Vibrato­effekten klassischer Röhrenverstärker (Fender, Magna­tone) zu folgen.  Ziel des Autors dieses Artikels war es, zur Diskussion von Prinzipien und Lösungs­ansätzen solcher An­passungen „alter“ Röhren­technik auf moderne Bau­elemente und Fertigungs­methoden beizutragen – und nicht, eine Mög­lich­keit zu schaffen, die Geräte zu kopieren.  Der Autor ist an den Lösungen von Surfy Industries genauso interessiert wie an der (insbesondere wirt­schaft­lichen) Existenz dieses Unter­nehmens – „idiotensichere“ Nach­bau­an­leitung(en) anzubieten ist nicht Absicht hinter diesem Artikel. 

Eine wie auch immer geartete kommerzielle Nutzung der dargestellten Schaltungen bzw. Schaltungs­hypothesen wird hiermit von Seiten des Autors ausdrücklich untersagt. 

Theorie vorweg

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• Kondensator „sieht“ •
• Differentieller Widerstand •
• Zeiger­diagramme

Auch in der mehr oder weniger theoretischen Elektronik haben sich bestimmte Formulierungen oder auch grafische Darstellungs­formen etabliert, die für dem Einen oder die Andere schwer verständlich sind bzw. einer Erklärung bedürfen.  Um sich in den Kapiteln des Artikels kürzer fassen zu können, wird versucht, einige dieser Fachbegriffe, Formulierungen oder Darstellungs­formen hier im Vorspann genauer zu erklären: 

Kondensator „sieht“

Um zu erklären, was mit dieser speziellen Formulierung „Der Kondensator ‚sieht“‘ gemeint ist, wird ein Beispiel bemüht – der Einfachheit halber ein Ausschnitt aus dem Schaltplan des Verstärkers Fender Concert 6G12A aus dem ersten Kapitel dieses Artikels – siehe folgenden Schaltplan 1.1: 

Diese Schaltung bildet das Herz­stück des sogenannten „Harmonic Tremolo“  – die Lautstärke wird bei dieser Schaltung nicht im Gesamten verändert, sondern Bässe und Höhen werden gegenläufig in ihrer Laut­stärke moduliert.  Dabei übernimmt die linke Triode die Ver­stärk­ung / Modul­ation der tiefen Frequenzen und die rechte Triode die der Mitten und Höhen. 

Mit der Betrachtung der Schaltung „aus Sicht“ von C₇₂ soll begonnen werden:  „Nach links“ ist C₇₂ mit der Signal­quelle verbunden (Anschluss u_E, davor eine Röhren­stufe, i. A. mit einem Ausgangs­widerstand kleiner als 50 kΩ, im konkreten Fall knapp 10 kΩ), nach rechts mit dem Gitter der Triode und mit dem Ausgang des Bias­spannungs­teilers R₃₆ = 1 MΩ auf R₄₀ = 1 MΩ.  Der Ausgangs­widerstand eines Spannungs­teilers wiederum entspricht der Parallel­schaltung seiner Bestandteile – dieser Spannungs­teiler R₃₆ auf R₄₀ hat also einen Ausgangs­widerstand von 500 kΩ. 

Insgesamt „sieht“ C₇₂ also nach rechts einen Widerstand 500 kΩ gegen die halbe Bias­spannung und nach links einen Widerstand von 10 kΩ gegen die Signalquelle – C₇₂ und der Bias­spannungs­teiler bilden also einen Hoch­pass 250 pF auf 500 kΩ mit einen vernachlässigbar kleinen Vor­widerstand.  (Der Hoch­pass hat eine −3dB-Frequenz von etwa 1,3 kHz). 

Die linke Seite mit den beiden Kondensatoren C₇₃ und C₇₇ ist ein wenig komplizierter.  Beginnt man mit C₇₃ und dem Spannungs­teiler R₄₁ auf R₄₂ (und ignoriert C₇₇ und R₇₄), so entsteht hier ein Hoch­pass 64 Hz. 

Bezieht man C₇₇ und R₇₄ mit ein, wird es kompliziert; dann „sieht“ C₇₃ einen Tief­pass 72 Hz und einen Spannungs­teiler mit einer Quell­impedanz 220 kΩ parallel 10 nF.  Dabei kommt die einfache Betrachtungs­methode „Kondensator sieht“ an ihre Grenzen – eine plausible Beschreibung der Schaltung ist ein Band­pass 70 Hz (Tief­pass und Hoch­pass mit einer −3dB-Frequenz von etwa 70 Hz), dessen zweites Glied (Hoch­pass C₇₃ auf Spannungs­teiler R₄₂ auf R₄₁) um den Faktor zwei hochohmiger ist als das erste (Tief­pass R₇₄ auf C₇₇). 

Differentieller Widerstand

In den Beschreibungen insbesondere der Stellglieder des Surfy Vibe wird regelmäßig von einem differentiellen Widerstand gesprochen.  Anhand der folgenden Abbildung 1.1 (entnommen als Faksimile aus [ robbins ], durch den Autor um grüne und hellblaue Eintragungen ergänzt) für die Kennlinien zweier Varistoren sollte das Prinzip beschrieben werden: 

Im Diagramm sind zweierlei Zusammen­hänge zu erkennen:  Zum einen folgt an jedem Punkt der Kennlinie aus der Höhe der Spannung über dem Varistor ein Strom durch den Varistor in bestimmter Höhe – der Varistor hat für diesen Punkt einen auch einen bestimmten Widerstand (als Quotient aus Strom und Spannung).  Zum anderen ergibt sich für jeden Punkt bzw. Bereich der Kennlinie eine Richtung des Graphen; d. h. zur Änderung der Varistor­spannung an diesem Punkt gehört eine Änderung des Varistor­stroms – ein Zusammenhang, der durch den Quotienten der Änderungen von Spannung und Strom, d. h. durch den differentiellen Widerstand, bzw. durch die Richtung des Graphen an diesem Punkt der Kennlinie, beschrieben wird. 

Zur groben Abschätzung wurden in Abbildung 1.1 an drei Stellen der Kennlinie Strom und Spannung durch den Varistors abgelesen.  Weiter­hin wurde für den Bereich zwischen 80 % und 125 % des Varistor­stroms die Abweichung der Varistor­spannung bestimmt.  Aus dem Quotienten dieser Differenzen kann grob der differentielle Widerstand bestimmt werden – die folgende Tabelle 1.1 fasst die Zahlen noch einmal zusammen: 

Tabelle 1.1:  Daten zur Kennlinie des Varistors, entnommen aus obigem Abbildung 1.1; dazu die Werte für R_Var und r_diff. 

Bereich der Kennlinie:	links unten	Mitte	rechts oben
IVar	31 µA	100 µA	315 µA
UVar	38 V	58 V	83 V
RVar	1,2 MΩ	580 kΩ	260 kΩ
Δ IVar	15 µA	45 µA	150 µA
Δ UVar	8 V	8 V	11 V
rdiff	500 kΩ	180 kΩ	70 kΩ

Der differentielle Widerstand bzw. die Unterscheidung zwischen (fixen) und differentiellem Widerstand ist wichtig für den Einsatz des Varistors – z. B. in einer Vibrato­einheit eines Röhren­verstärkers Magna­tone 280B (siehe folgenden Schalt­plan 1.2). 

Aus der Bias­spannung über den Varistoren und den beiden Vor­wider­ständen (R₂₂ und R₂₃ sowie R₂₆ und R₂₇) resultiert anhand der Strom-Spannungs-Kennlinie ein bestimmter mittlerer Varistor­strom bzw. bestimmte mittlere Varistor­spannung (ein in Bezug auf das Audio­signal statischer Zustand).  In Bezug auf die wesentlich kleinere Audio­signal­spannung wiederum ist der differentielle Widerstand wichtig, er führt in dieser Schaltung im Zusammen­wirken mit dem Kondensator C₁₀ bzw. C₁₃ zu einer vom differentiellen Widerstand der Varistoren ab­hängigen Phasen­ver­schiebung. 

In der folgenden Tabelle 1.2 wird das einmal exemplarisch durchgerechnet – aus dem Varistor­strom, der Varistor­spannung und dem differentiellen Widerstand des Varistors an den drei verschiedenen Mess­punkten ergeben sich verschiedene Bias­spannungen (U_Bias = 2 ⋅ U_Var + 2 ⋅ I_Var ⋅ 47 kΩ) wie auch verschiedene differentielle Widerstände in der Schaltung und verschieden große 90°-Frequenzen. 

Tabelle 1.2:  Berechnete 90°-Frequenzen in Schaltung Schalt­plan 1.2, wenn Varistoren mit einer Kennlinie entsprechend Abbildung 1.1 eingesetzt werden würden. 

Bereich der Kennlinie:	links unten	Mitte	rechts oben
I Var	31 µA	100 µA	315 µA
U Var	38 V	58 V	83 V
rdiff	500 kΩ	180 kΩ	70 kΩ
Ubias	≈79 V	≈125 A	≈196 A
1 / 2 ⋅ rdiff	250 kΩ	90 kΩ	35 kΩ
fπ/2	≈770 Hz	≈2,2 kHz	≈5,5 kHz

Zeiger­diagramme

Um im normalen gewohnten Umgang mit technischen und u. U. auch elektrischen Größen den Wert eines dieser Größen zu bestimmen, genügt im Allgemeinen ein Parameter (z. B. Länge, Masse, Gewicht, Batterie­spannung) – man kann diese Größe quasi „mit dem Meterstab messen“ und entsprechend addieren, subtrahieren etc. 

Bei der Betrachtung elektrischer Netz­werke hingegen werden Sinus­signal­spannungen oder -ströme durch zwei Parameter bestimmt; ihre Amplitude und ihre Phasenlage.  Die Berechnung wird dadurch komplizierter; in grafischen Darstellungen können solche Signale durch rotierende Zeiger dargestellt werden.  Ein Zeiger­diagramm ist die grafische Dar­stellung aller Wechsel­spannungen oder -ströme in einer Schaltung.  Um die Zeiger nicht alle rotierend darstellen zu müssen, wird (für einem Zeitpunkt, zu dem eine bestimmte Größe – meist das Eingangs­signal – die Phasenlage null hat) eine Art Schnapp­schuss des System­systems gezeichnet, das Zeiger­diagramm.  Siehe dazu die folgende Abbildung 1.2: 

Links ist der Prinzip­schalt­plan einer Phasen­schieber­stufe im Univibe-Phaser; rechts das zugehörige Zeiger­diagramm: 

Kollektor- und Emitterw­iderstand der Transistor­stufe sind gleich, d. h. die Signal­spannungen am Kollektor und Emitter sind gegenphasig mit gleichem Betrag, deswegen werden u_RC und u_RE als gleichlange gegenläufige Zeiger dargestellt. 

Zwischen Kollektor und Emitter liegen ein (Foto)­widerstand und ein Kondensator, vom gleichen Signal­strom durchflossen.  Die Signal­spannungen über beiden sind aber um 90° phasen­verschoben.  Deswegen spannt sich über den beiden Zeigern für u_RC und u_RE ein rechtwinkliges Dreieck aus den Zeigern für u_C und u_R,foto – wobei der Zeiger für u_C gegen­über dem für u_R,foto gegenüber um 90° gedreht ist. 

Daraus (bzw. aus der in der Geometrie bekannten Tatsache, dass das Sekantendreieck über dem Durchmesser stets rechtwinklig ist) ergibt sich, dass die rechtwinklige „Ecke“ des rechtwinkligen Dreiecks, das die Zeiger für u_C und u_R,foto sowie u_RC und u_RE bilden, auf einem Halbkreis unter der Abszisse liegt.  Das wiederum bedeutet, dass der Zeiger für die Ausgangs­spannung u_A zwischen dem Koordinaten­ursprung und der Spitze genannten Dreiecks stets gleicher Länge ist, d. h. dass die Ausgangs­spannung der Phasen­schieber­stufe zwar ihre Phasen­lage gegenüber der Ein­gangs­spannung ändert, in ihrer Amplitude aber gleich bleibt. 

Literatur

[ fender → concert ]

Schaltplan des Fender Concert 6G12A gefunden auf www.prowessamplifiers.com. 

[ robbins ]

Tim Robbins. Magna­tone Vibrato Design; gefunden unter: www.dalmura.com.au/static/Magnatone vibrato design.pdf. 

[ magna­tone ]

Schaltplan des Magna­tone 280B. Gefunden auf der Magna­tone-Seite http://www.magnatoneamps.com;  Downloadlink:  http://www.magnatoneamps.com/schematics/magnatone_280B.png.