Aus einem Rattengehäuse, einer alten „Lama-Platine“ und einem FET-Booster entsteht ein transparenter Overdrive. Im Vorspann Rechtliches und private Historie. Zuerst die Schaltung – Detailfragen in Verzerrungstheorien, schaltbarem Klang, griffigen Reglern und nochmal Verzerrungstheorien. Aber jetzt geht's los. Zum Ende wieder ein Soundcheck und am Ende die unvermeidliche Klugscheißerei.
Das Rattenlama – ein Red Llama mit Vorverstärker
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Um urheberrechtlichen Unklarheiten vorzubeugen: Die Schaltung des im folgenden Artikel beschriebenen Gerätes „Das Rattenlama“ geht auf die Schaltungen zweier anderer Geräte zurück – auf die vom Autor vermutete / „herausgeratene“ Schaltung des „Echoplex Preamp“ von MXR (Schaltung und Beschreibung hier) und auf das „Red Llama“, des früheren Herstellers „Way Huge“ – aktuell angeboten von Dunlop oder, als Bausatz, von Musikding (Schaltung und Beschreibung hier)
Grund und Anlass
Beim „ersten Verzerrer“ des Autors (siehe hier) handelte es sich um einen CMOS-basierten und „Vintage-orientierten“ Verzerrer mit geringem Eingangswiderstand und einem Eingangs-Low-cut à la Treblebooster am Eingang. Es sollte ein Red Llama (siehe hier) ersetzen, weil dessen Klang mit einer Les Paul dem Autor zu wenig dynamisch erschien.
So ganz erfolgreich war dieser Rollentausch nicht, auch der Verzerrer wies mit der Les Paul-Kopie einen eher dunklen bis leicht verstopften Klang auf – möglicherweise, weil das Red Llama für eine Gitarre mit Singlecoils geeigneter ist oder sein könnte. Möglicherweise hat die die Idee, das Red Llama lediglich mit einem niedrigen („vintage“-mäßigen) Eingangswiderstand zum Treblebooster „hochzufrisieren“, dann doch nicht so einfach funktioniert.
Neben einem Verzerrer, der klanglich nicht so funktionierte wie erwartet, lag nun auch noch ein fertig aufgebauter und übriggebliebener Bausatz eines Red Llama herum (und schrie leise nach Arbeit). Daher schien es einen Versuch wert, dem Red Llama einem mitten- bis höhenlastigen Booster vorzuschalten, welcher aufgrund seines mit hohen Eingangswiderstands das Signal weniger dumpf macht, so die Präsenzen der Gitarre (die Resonanzspitze des Tonabnehmers) für die weitere Signalverarbeitung erhält und lediglich die Bässe und unteren Mitten ein wenig „ausdünnt“, um einen weniger muffigen oder „verstopften“ Klang möglich zu machen.
Die Schaltung
Kapitelinhalt:[ Überspringen ]- Das Konzept – Echoplex Booster mit Mid-Boost und Red Llama •
- Arbeitspunktdiskussion •
- Schaltbarer Low-cut •
- Gemeinsamer Gain-Regler für Booster und Red Llama •
- CMOS-Kennlinie, Betriebsspannung und Vorwiderstand
Das Konzept – Echoplex Booster mit Mid-Boost und Red Llama
Wie oben schon erwähnt, besteht das Gerät im Grunde genommen aus zwei bereits bekannten Geräten – einem Echoplex Booster und einem Red Llama. Der Booster wird hier – im Gegensatz zum Beispiel zur Schaltung von MXR – mit einer Betriebsspannung von lediglich 9 Volt betrieben; außerdem wird der Sourcewiderstand kapazitiv überbrückt, um so für die Mitten und Höhen eine größere Verstärkung zu ermöglichen. Beide Veränderungen werden im Artikel zum Echoplex Booster erläutert.
Schaltbarer Low-cut
Kurz zum schaltbaren bzw. veränderbaren Low-cut im Booster. Im Grunde handelt es sich nicht um einen Low-cut, sondern die Verstärkung des Boosters wird in den Mitten und Höhen durch einen dem Sourcewiderstand parallelgeschalteten Kondensator erhöht.
In den Überlegungen und Vermutungen zur Schaltung des MXR Echoplex Booster wurden auch die Formeln für die Größe dieses Kondensators abgeleitet (siehe hier). Als sinnvoll wurde eine Serienschaltung der Kondensatorwerte 330 nF und 470 nF erachtet – durch die Montage auf einem sog. on | off | on-Schalter (Umschalter mit drei Positionen, in der Mittelstellung wird keine der beiden möglichen Kontakte verbunden) sind die Kondensatorwerte 330 nF, 190 nF (Mittelstellung, beide Kondensatoren in Reihe) und 470 nF möglich. Das heißt, die Hochmittenanhebung hat folgende mögliche Eckfrequenzen (sehr ungefähr: Anhebung beginnt im Bereich um Frequenz eins herum und wird nur noch wenig stärker oberhalb von Frequenz zwei): 150 Hz und 650 Hz bei 330 nF, 110 Hz und 460 Hz bei 470 nF sowie 260 Hz und 1,1 kHz bei etwa 190 nF, der Reihenschaltung von 470 nF und 370 nF. Die folgende Abbildung 2 zeigt die Schaltung – siehe insbesondere die beiden Kondensatoren C51 und C52.
Arbeitspunktdiskussion
Die fertig zusammengebaute „Baugruppe“ Eingangs-Booster wurde mit Signalgenerator und Software-Oszilloskop untersucht – siehe dazu die folgende Bildertabelle 1:
Bildertabelle 1: Oszillogramme und Lissajous-Figuren des Eingangs-Boosters, gemessen mit verschiedenen Eingangsspannungen, bei 1 kHz und einem Source-Kondensator von 470 nF. (Gemessene Spannungen mit Faktor 10; absolute Spannungsangaben Toleranz > 10%)
Eine kurze Zwischenanmerkung zu den Spannungsangaben in den Bildertabellen: Der Autor hatte zur Zeit der Messungen keine andere Möglichkeit gefunden, das verwendete Software-Oszilloskop zu eichen, als den Software-Volumenregler zum Line-Eingang im Lautstärkemenü von Windows so einzustellen, dass das Ausgangssignal einer Diodenklippschaltung im Software-Oszilloskop mit einer sinnvollen Spannung gemessen wurde. Die absoluten Spannungsangaben in diesem Software-Oszilloskop sind so mit einer Unsicherheit von mindestens 10 % behaftet.
Zurück zu Bildertabelle 1. Bei kleinen Eingangssignalen von etwa 100 mV arbeitet der Booster noch weitestgehend linear. (Die Verschiebung der Lissajous-Figur nach rechts wie auch der damit im Zusammenhang stehende Gleichspannungsoffset des Eingangssignal scheinen von der Software verursacht.) Die elliptische Form der Lissajous-Figur ist in Phasenverschiebungen zwischen Ein- und Ausgang begründet – der Booster arbeitet nicht frequenzlinear, sondern betont die Mitten und Höhen, zieht also die Phase ein wenig nach vorn.
Bei Eingangssignalen bis etwa 300 mV treten dazu zwar nichtlineare Verzerrungen (eine gekrümmte Kennlinie), aber noch keine Begrenzungen auf. Erst bei stärkeren Eingangssignalen von etwa 500 mV wird das Signal am Ausgang nicht nur verformt, sondern begrenzt – wenn auch nur einseitig an der oberen Halbwelle im Cut Off. Dabei zeigt sich, dass die Drainspannung im Arbeitspunkt relativ hoch ist.
Im Oszillogramm sieht man das nicht auf dem ersten Blick, hier sieht es so aus, als ob die waagerechte schwarze Linie diesen Arbeitspunkt zeigen würde. Wenn dem so wäre, wäre die untere Halbwelle des Ausgangssignals etwa doppelt so groß wie die untere; der Arbeitspunkt läge bei zwei Dritteln des Aussteuerungsbereiches – ein akzeptables Ergebnis. Die waagerechte schwarze Linie im Oszillogramme aber nicht den Arbeitspunkt des Ausgangssignals, sondern dessen Nulldurchgang hinter dem Koppelkondensator, d. h. des Ausgangssignals ohne Gleichanteil – die waagerechte schwarze Linie liegt so, dass die Bereiche unterhalb und oberhalb der Linie die gleiche Fläche haben.
Mit den Verhältnissen am Drain hat das aber nichts zu tun. Wo der Arbeitspunkt am Drain ungefähr liegen muss, lässt sich abschätzen, wenn man schaut, wo das Ausgangssignal „liegt“, wenn das (unverzerrte) Eingangssignal durch null geht bzw. wo die Lissajous-Figur den dicken senkrechten Strich passiert Im Oszilloskop kann man zum Einen erkennen, dass diese beiden Punkte im Ausgangssignal weit oberhalb der der breiten Mittellinie liegen, die Drainspannung im Arbeitspunkt liegt also höher als bei zwei Dritteln des Aussteuerungsbereiches.
Zum Anderen zeigt die Lissajous-Figur auch, dass das Wachstum oder die Kurvensteilheit des übersteuerten Signals beim Passieren der dicken senkrechten Linie schon erkennbar geringer als am Ende der unteren Halbwelle, d. h. im Bereich kleiner Drainspannungen in Richtung Sättigung des FET. Um es kurz zu machen: Es sieht so aus, dass der Arbeitspunkt bzw. die Ruhespannung am Drain mit einem Drainwiderstand von 8,2 kΩ zu hoch gewählt wurde, so dass die Eingangsstufe laute Signale nicht nur (asymmetrisch) begrenzt – vielmehr steht zu befürchten, dass der Booster die Signale auch zu stark „verbiegt“.
Das könnte nicht nur zu einer relativ starken Betonung der geradzahligen Harmonischen führen (was ja nicht schlecht sein muss), sondern zu einer eher unnatürlichen Veränderung der Dynamik im Ausklingen des Signals. Wenn nämlich ein solcherart verzerrtes Signal (der obere Teil einer der beiden Halbwelle wird mehr verstärkt als der Rest des Signals) auszuklingen beginnt, dann wird die Amplitude des verzerrten Signals plötzlich abnehmen.
Um das Problem noch einmal genauer zu untersuchen, wurde der Booster noch einmal auf dem Breadboard aufgebaut und es wurden mit verschiedenen Betriebsspannungen und Drainwiderständen (9,3 V und 8,2 kΩ, 9,3 V und 10 kΩ und 17,2 V und 22 kΩ) Oszillogramme und Lissajous-Figuren bei verschiedenen Frequenzen von 100 Hz bis 2 kHz aufgenommen (die vollständigen Ergebnisse findet der Leser in Bildertabelle 3, 4 und 5). Die hier folgende Bildertabelle 2 fasst die Ergebnisse für eine Messfrequenz von 2 kHz zusammen:
Bildertabelle 2: Oszillogramme der übersteuerten Booster-Stufe bei verschiedenen Frequenzen – UB = 9,3 V, RD = 8,2 kΩ (Gemessene Spannungen mit Faktor 10; absolute Spannungsangaben Toleranz > 10%)
Bildertabelle 3: Oszillogramme der übersteuerten Booster-Stufe bei verschiedenen Frequenzen – UB = 9,3 V, RD = 8,2 kΩ (Gemessene Spannungen mit Faktor 10; absolute Spannungsangaben Toleranz > 10%) (Zum Öffnen klicken)
Bildertabelle 4: Oszillogramme der übersteuerten Booster-Stufe bei verschiedenen Frequenzen – UB = 9,3 V, RD = 10 kΩ (Gemessene Spannungen mit Faktor 10; absolute Spannungsangaben Toleranz > 10%) (Zum Öffnen klicken)
Bildertabelle 5: Oszillogramme der übersteuerten Booster-Stufe bei verschiedenen Frequenzen – UB = 17,2 V, RD = 22 kΩ (Gemessene Spannungen mit Faktor 10; absolute Spannungsangaben Toleranz > 10%) (Zum Öffnen klicken)
Um das Problem noch einmal theoretisch anzugehen, wurden die im Artikel zum MXR Echoplex Preamp angestellten Berechnungen zu den Drain- und Sourcespannungen sowie dem Headroom bei Betriebsspannungen mit 9 V und 18 V noch einmal in EXCEL wiederholt und um Überlegungen zum Anschluss eines Kondensators parallel zum Sourcewiderstand erweitert. Die folgende Datentabelle 6 fasst die Berechnungen zusammen – Erläuterungen im Anschluss.
Vorgaben | UB [V] | 17,2 | 9,3 | 9,3 | |
---|---|---|---|---|---|
RD [kΩ] | 22 | 8,2 | 10 | ||
Arbeitspkt. | UD [V] | 11,5 | 7,2 | 6,7 | |
Ohne CS | UR,alle [V] | AP | 6,5 | 3 | 3,4 |
max. | 15,7 | 7,8 | 7,8 | ||
HWV* | 1,4 | 1,6 | 1,3 | ||
Mit CS | URD [V] | AP | 5,7 | 2,1 | 2,6 |
max. | 14,9 | 7 | 7 | ||
HWV* | 1,6 | 2,3 | 1,7 |
* HWV meint das Halbwellenverhältnis, das Verhältnis von maximaler oberer und unterer Halbwelle vor der Begrenzung.
Begonnen wird in der mit der vorgegebenen (oder zumindest herausgeratenen) Schaltung des MXR Echoplex Preamps an sich (erstes Beispiel; UB = 17,2 V und RD = 22 kΩ) – der LND150 hat, bei einer Betriebsspannung von weniger als 18 V, voraussichtlich eine Drainspannung von weniger als 12 V (Spannung am Drainwiderstand URD = 5,8 V) und eine Sourcespannung US von etwa 0,83 V. Die Summe der Spannungen über Drain- und Sourcewiderstand beträgt etwa 6,5 V.
Geht man im Fall der Sättigung von einem maximalen Drainstrom von weniger als 1 mA aus (URD,max / ID), so beträgt die minimale Drain-Source-Spannung (Sättigungsspannung) etwa 1,5 V, die maximale Spannung über Drainwiderstand und Sourcewiderstand läge bei 15,7 V. Das heißt, im Falle der Sättigung könnten die Spannungen über beiden Widerständen auf das etwa 2,4-fache ansteigen. Weiterhin bedeutet das, dass die untere Halbwelle des Ausgangssignals etwa 1,4-mal so groß sein kann wie die obere Halbwelle – ein Halbwellenverhältnis HWV von 1,4.
Betrachtet wird nun das Verhalten der gleichen Schaltung, allerdings mit einem Kondensator parallel zum Sourcewiderstand RS (erste Tabellenzeile, Spalten eins bis drei und vier bis sieben). Im Sättigungsfall kann hier die Spannung über dem Drainwiderstand stärker ansteigen (von 5,8 V im Ruhezustand auf gut 15 V, also etwa auf das 2,6-fache), da sich die Spannung über dem Sourcewiderstand nicht mit erhöht – der Sourcewiderstand wird ja durch den Sourcekondensator signalmäßig kurzgeschlossen und ändert so seine Spannung kaum. In diesem Fall liegt das Verhältnis der maximalen Aussteuerung beider Halbwellen bei 1,6.
Problematisch wird es mit der in der nächsten Tabellenzeile dargestellten Konstellation – 9,3 V Betriebsspannung und ein Drainwiderstand von 8,2 kΩ – hier ist bei Anschluss eines Kondensators parallel zum Sourcewiderstand ein Halbwellenverhältnis von 2,3 möglich. Was ist daran problematisch? Es gibt doch auch Verzerrer, die so asymmetrisch begrenzen (z. B. der BOSS Super Overdrive mit einer Begrenzerschaltung eine Diode antiparallel zu zwei Dioden)?
Im gegebenen Fall arbeitet mit dem LND150 ein DMOS mit einer weitestgehend quadratischen Kennlinie. Nun, aus dem quadratischen Zusammenhang von Gate-Source-Spannung und Drainstrom folgt ein linearer Zusammenhang zwischen dem Drainstrom und der Kennliniensteilheit und damit zwischen der Drainspannung und der Kennliniensteilheit. Das heißt, am Ende der unteren Halbwelle des Ausgangssignals (Einsatz der Sättigung, kleinste Drainspannung) ist die maximale Kennliniensteilheit mehr als doppelt so groß wie die im Arbeitspunkt, im Nulldurchgang bzw. bei kleinen Signalen. Und genau das ist es auch, was bei Betrachtung der Oszillogramme und Lissajous-Figuren aufgefallen war.
Es ist also durchaus sinnvoll, den Drainwiderstand auf 10 kΩ zu erhöhen (dritte Zeile der Tabelle) – in diesem Fall hat das Halbwellenverhältnis wieder „vernünftige“ Werte. Im konkreten Fall war der Drainwiderstand von 8,2 kΩ durch eine Parallelschaltung von 10 kΩ mit 47 kΩ realisiert worden – letzterer Widerstand 47 kΩ wurde deshalb wieder ausgelötet.
Gemeinsamer Gain-Regler für Booster und Red Llama
Nun zum Gain- oder Distortion-Regler des geplanten Gerätes. Auch hier gibt es einiges zu berücksichtigen.
- Linearer Volume-Regler Echoplex Booster:
-
Beim „Raten“ bzw. Ausknobeln der Schaltung des MXR Echoplex Boosters war vermutet worden, dass im Echoplex Booster ein lineares Potentiometer (470 kΩ) mit einem wesentlich kleineren Pulldown (100 kΩ) sowohl für eine quasi-logarithmische Kennlinie wie auch für einen relativ konstanten Ausgangswiderstand (und, über die kapazitive Belastung durch das angeschlossene Kabels, für eine dezente Höhenblende) sorgt (genaueres siehe hier).
- Logarithmischer Distortion-Regler im Red Llama
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Das Red Llama wiederum hat einen logarithmischen Distortion-Regler 1 MΩ in der Gegenkopplung des ersten CMOS-Inverters, durch den sich der Eingangswiderstand der Schaltung im Bereich zwischen 110 kΩ und 170 kΩ bewegt (genaueres siehe hier). Bei der Zusammenschaltung von Booster und Red Llama könnte also der geringere Eingangswiderstand des Red Llama für einen ähnlichen Effekt wie ein kleiner Pulldown-Widerstand wirken.
- Eine sinnvolle Kombination:
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Für die Zusammenschaltung von Booster und Red Llama musste also eine sinnvolle Schaltung für (ein) Stereopotentiometer gefunden werden (d. h. ein zusammengebasteltes Potentiometer, bestehend aus einmal 470 kΩ linear und einmal 1 MΩ logarithmisch, schied als Option aus.).
Bei solcherart mathematisch-gestalterischen Entscheidungen kann ein Tabellenkalkulationsprogramm wie EXCEL eine große Hilfe sein. Es wurde für vier verschiedene Stereopotentiometer (470 kΩ vs. 1 MΩ sowie linear vs. logarithmisch) die Verstärkung am Ausgang der ersten Stufe des Red Llamas berechnet – und zwar für die Betriebsspannungen 9 V und 18 V (bzw. die entsprechende Verstärkung des Boosters) und für die geringste und die höchste Frequenz (bzw. für die geringste und die höchste Verstärkung des Boosters). Dabei wurde von einer Leerlaufverstärkung der im Red Llama verwendeten CMOS-Inverter von 15 ausgegangen.
Im Ergebnis fiel die Entscheidung auf ein lineares Stereopotentiometer 470 kΩ mit einem Fußwiderstand 100 kΩ für den Volumenregler des Boosters – die folgende Abbildung 3 zeigt die Verstärkung in Abhängigkeit von der Einstellung des Potentiometers.
Aus der Berechnung mit EXCEL, dargestellt in obigem Diagramm, ergab sich:
- „Kennlinienform“:
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Die berechneten Graphen Potentiometerstellung gegen Verstärkung in Dezibel zeigen einen auffallend geraden Verlauf – es kann damit gerechnet werden, dass das Potentiometer „einen guten Griff“ hat.
- Minimales Gain:
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Beim originalen Red Llama liegt das minimale Gain am Ende der ersten Inverterstufe bei eins. Im Diagramm bzw. im Rat Llama ist die minimale Verstärkung am Ende des ersten Inverters, bei einer Betriebsspannungen von 9 V und für die Höhen , ebenfalls gleich eins – die Einstellung für minimale Verzerrung des Red Llama ist also reproduzierbar.
- Maximales Gain:
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Im originalen Red Llama liegt das maximale Gain am Ende der ersten Inverterstufe bei etwa sechs (eine Leerlaufverstärkung der Inverter von 15 angenommen – die Reziproken von Leerlaufverstärkung (15) und Gegenkopplung (11) addieren sich zur reziproken Verstärkung). Im Diagramm ist zu erkennen, dass bei der Kombination Booster und Red Llama die maximale Verstärkung für die kleinen Frequenzen bei etwa sechs (18 dB) liegt – für die Mitten und Höhen ist sie größer.
- Betriebsspannung Booster:
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Etwa 6 dB mehr Gain sind möglich, wenn der Booster mit 18 V (und, wie im Original, mit einem Drainwiderstand von 22 kΩ) betrieben wird.
CMOS-Kennlinie, Betriebsspannung und Vorwiderstand
Soweit der Booster, der gemeinsame Gain-Regler und die EXCEL-Show, nun zu den notwendigen Veränderungen am Red Llama. Zu diesen Veränderungen gehört auch die Verringerung des Vorwiderstandes in der Versorgungsspannungsleitung des CMOS-Inverterschaltkreises (R105 bzw. im Bausatz R5) von 1 kΩ auf 100 Ω.
Der Autor hatte bei Messungen an der statischen Kennlinie z. B. des Inverterschaltkreises CD4049UBE herausgefunden, dass der Schaltkreis bei einem Vorwiderstand von 1 kΩ in der Betriebsspannungszuleitung, dem Betrieb von zwei Invertern und einer Batteriespannung von 9 V eine Versorgungsspannung von etwa 6 V und viel Gain hat, dabei aber recht hart und scharf begrenzt. Wurde aber der Vorwiderstand auf 100 Ω verringert, stieg die Versorgungsspannung des Schaltkreises mehr als 8 V, die Inverter hatten weniger Gain, begrenzten aber wesentlich weniger scharf und weniger symmetrisch (siehe dazu auch den „Red Llama-Theorieartikel“ in diesem Blog).
Aus diesem Grund wurde der Wert von R105 auf 100 Ω geändert.
Das Ganze wurde während des Aufbaus dieses Effektgerätes mit einem „Software-Oszilloskop“ (Oszilloskop über die Soundkarte) untersucht – die Platine des Red Llama wurde von einem Signalgenerator mit einem gitarreüblichen Pegel (etwa 150 mV bis 200 mV) angesteuert und Oszillogramm des Ausgangssignals sowie die Lissajous-Figur von Ausgangs- gegen Eingangssignal bei verschiedenen Einstellungen des Gain-Reglers (und einer Betriebsspannung des Red Llama etwa 9 V) sowie auch bei verschiedenen Betriebsspannungen (und einer Gain-Einstellung der ersten Stufe von etwa 2,8 – P1b etwa 180 kΩ) aufgenommen.
Zunächst die Ergebnisse für verschiedene Einstellungen des Gain-Reglers (siehe die folgende Bildertabelle 7).
Bildertabelle 7: Oszillogramme und Lissajous-Figuren des Red Llama, gemessen mit verschiedenen Gain-Einstellungen, bei 1 kHz. (Gemessene Spannungen mit Faktor 10; absolute Spannungsangaben Toleranz > 10%)
Auffallend sind, neben der leichten symmetrischen Kennlinienkrümmung und weichen Begrenzung bei geringem Gain, die Spitzen im Eingangssignal bei maximalem Gain.
Diese Spitzen hingegen sind kein Problem des Red Llama, sondern eines des Messequipments: Sie lassen auf sprunghafte Spannungsänderungen in der ersten Inverterstufe schließen (eigentlich handelt es sich ja um digitale Inverter) – der Ausgang „springt“ von „High“ auf „Low“ oder umgekehrt, wodurch durch die Widerstandskette zwischen Signalgenerator Inverterausgang kurzzeitig ein größerer Strom fließt, um den Eingangskondensator umzuladen.
Da der vom Autor mit einem Software-Oszilloskop verwendete Signalgenerator einen relativ hohen Ausgangswiderstand von etwa 1 kΩ hat (hinter den Ausgangstreibern – „normale“ Operationsverstärker TL072 – liegen relativ große Schutzwiderstände, siehe den Artikel über den Soundkartentreiber), liegt das eigentliche Sinussignal sozusagen „im Inneren des Signalgenerators“ – in den Oszillogrammen kann nur ein Eingangssignal „zwischen“ dem eigentlichen Sinussignal und dem Ausgang des Red Llama dargestellt werden, auf dem dann die kurzen schnellen Ströme zum Umladen des Kondensator aufgeprägt werden.
Anschließend zum Zusammenhang zwischen dem Verhalten des Red Llama und dessen Betriebsspannung (siehe folgende Bildertabelle 8):
Bildertabelle 8: Oszillogramme und Lissajous-Figuren des Red Llama, gemessen mit verschiedenen Betriebsspannungen, bei 1 kHz und einem Gain ≈ 2,8 (Gain-Potentiometer mit etwa 180 kΩ). (Gemessene Spannungen mit Faktor 10; absolute Spannungsangaben Toleranz > 10%)
Auffallend ist hier, dass die Größe der Spitzen mit größerer Betriebsspannung kleiner werden. Das lässt vermuten, dass die Verstärkung im Nulldurchgang oder die Heftigkeit, mit der der Inverter von „High“ auf „Low“ und umgekehrt wechselt, mit größerer Betriebsspannung abnimmt.
Unabhängig davon verringert sich die Schärfe der Begrenzungen, insbesondere der unteren Halbwelle, mit steigender Betriebsspannung ebenfalls. Das „passt“ auch zu den statischen Kennlinien eines Inverters bei unterschiedlichen Betriebsspannungen, die für den Artikel zum eigentlichen Red Llama aufgenommen wurden (siehe hier).
Aufbau
Kapitelinhalt:[ Überspringen ]Nach so viel Theorie & Grübeln nun zum praktischen Aufbau. Als Gehäuse wurde eine alte Rat (eine alte Ratte bzw.: „The Rat“ des amerikanische Herstellers Proco) benutzt – der Autor hatte, nachdem das Hobby Gitarren(elektronik) ein paar Jahre „kein Thema“ war, das Gehäuse auch schon anderweitig genutzt – die elektronischen Innereien wie auch das Batteriefach und die Knöpfe waren mehr oder weniger zerbastelt oder anderswie über den Jordan.
Äußeres
Also musste zuerst das Batteriefach erneuert (ein Plastik-Batteriehalter wurde zurechtgefeilt und auf die Klappe des Bodenfachs geklebt) und einiges neu- und aufgebohrt werden. Neu war eine große Bohrung für eine ebenso große LED zwischen Fußschalter und „Knopfreihe“, aufzubohren waren die Netzteilbuchse (die Klinkenbuchse 3,5 mm der originalen Rat ist mit nichts anderem kompatibel und so auch nicht mehr zeitgemäß) und die mittlere Potentiometer-Bohrung für den Klangschalter, der den Kondensator parallel zum Sourcewiderstand auswählt. Letztendlich lief das Ganze auf ein eher rustikales Design hinaus – ein großer Klangumschalter liegt zwischen zwei recht großen Knöpfen schwarz / Metall; das Gerät hat eine große LED in dem recht klobigen Gehäuse der Rat:
Die ehemaligen Beschriftungen mit verschiedenen schwarzen Eddings übermalt – sie waren hinfällig geworden. Bei der originalen Rat liegen Ein- und Ausgangsbuchse sowie Verzerrungs- und Volumenregler „über Kreuz“, was bei einer Verkabelung ohne Schirmkabel zu internen Rückkopplungen etc. führen konnte. Deswegen wurden die Positionen von der beiden Regler wieder getauscht und bei zwei Reglern auf eine Beschriftung verzichtet. (Die übliche Anordnung mit beschriftetem Eingang und Verzerrungsregler rechts, beschriftetem Ausgang und Volumenregler links hält der Autor, zumindest im Eigenbedarf, für selbsterklärend).
Innerer Aufbau
Der innere Aufbau bzw. die innere Aufteilung war durch das Gehäuse und die schon vorhandenen Bestandteile der Schaltung weitgehend vorgegeben. Das recht hohe Gehäuse wird quasi in zwei Ebenen genutzt – in der unteren Ebene befinden sich die Batterie bzw. das Batteriefach und an der Stirnseite alle drei Buchsen, in der oberen Ebene die Potentiometer und die Schaltung. Der Fußschalter befindet sich in beiden Ebenen. Diese Aufteilung in der originalen „The Rat“ sollte in das neue Gerät übernommen werden.
In der originalen „The Rat“ sind drei große Potentiometer mit Gehäuse und Platine verschraubt und halten letztere mit einem Mindestabstand unter der Deckplatte des Gerätes. Die Schaltung des zu bauenden Gerätes hingegen besteht im Grunde genommen aus zwei Funktionseinheiten und zwei Platinen – dem Booster als Eingangspuffer und Vorverstärker und dem Red Llama als Verzerrer. Für das Red Llama war bereits eine Platine vorhanden, für den Booster ein Layout. Die Variante, alles auf eine Platine zu bringen, die von den Potentiometern gehalten wird, schied dadurch aus. Vielmehr sollten zwei Platinen verwendet werden, die sich in der „oberen Ebene“ links und rechts neben dem Fußschalter befinden.
Einige Bauelemente mussten trotzdem „freifliegend“ montiert werden – die Kondensatoren C51 und C52 parallel zum Sourcewiderstand wie auch der Kondensator C99 (680 pF, simuliert ein hinter dem Booster angeschlossenes Kabel) – vom Schleifer des ersten Gain-Potentiometers gegen Masse – sollten nicht in die Platinen, sondern der Reduzierung des Platzbedarfs zuliebe direkt an den Schaltern und Potentiometern angelötet werden. Sie gehören eigentlich noch zum Booster, der Entwurf für die Platine war aber an der originalen (vermuteten) Schaltung des MXR Echoplex Preamp orientiert, welche diese Kondensatoren nicht enthält.
Platinen-Layouts
Die Leiterplatte des Red Llama muss hier nicht großartig diskutiert werden – sie entstammt dem Bausatz des Versenders „musikding.de“. Als einziger Makel ist das Fehlen eines Pulldowns am Eingang aufgefallen, was aber in dieser Anwendung keine Rolle spielt – diese Aufgabe übernimmt der erste Teil des Gain-Reglers P1a.
In der Anwendung für dieses Gerät gab es zwei Veränderungen – der Widerstand in der Versorgung des Sechsfachinverters CD4949UBE wurde von 1 kΩ auf 100 Ω geändert; außerdem wurde dem Hauptelko 100 µF an den Lötpins leiterseitig ein moderner Keramikkondensator 100 nF parallelgeschaltet.
Das Layout für die Platine des Boosters zeigen die Abbildungen Abb. 5 (Cuts und Brücken) sowie Abb. 6 (Bestückung und Anschlüsse).
Die grün gezeichneten Cuts sind Bohrungen 3 mm zur Aufnahme von Platinenhaltern 3,2 mm – sie sollten abwechselnd von beiden Seiten mit einem Stahlbohrer 3 mm erstellt werden, während für das Setzen der Cuts ein Stahlbohrer 4 mm sinnvoller ist.
Für das Verlegen der Brücken auf der Leiterseite gibt es mehrere Gründe: Zum einen gehen von einem Loch gelegentlich zwei Brücken aus (z. B. D4), zum anderen soll die Brücke u. U. mehrere Leiterstreifen verbinden (z. B. B5–D5). Schließlich muss die Platine auf der Leiterseite um die Platinenhalter möglichst flach sein, damit den Platinenhaltern keine Drahtspitzen o. ä. im Weg stehen.
Zum Bestückungsplan drei Anmerkungen:-
Der Parallelwiderstand 68 kΩ an der Source wurde letztendlich durch 100 kΩ ersetzt, um einen Sourcewiderstand von 3,16 kΩ zu erreichen. Bitte bei eigenem Aufbau selbst nachmessen!
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Die etwas abenteuerliche Brücke G9–G11 mit dem Anschlussbein des Source ergab sich durch die notwendige Verschiebung des unteren Lochs für den Platinenhalter aus der rechten unteren Ecke – eine solche Bohrung in der Nähe der Ecke wäre schnell ausgebrochen.
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Das Problem des zu kleinen Drainwiderstands war erst nach Überprüfung der fertig aufgebauten Platine des Boosters aufgefallen; der Parallelwiderstand 47 kΩ am Drain (R22; von A7 zu E7) wurde daher erst nachträglich und einseitig abgelötet.
Die folgende Abbildung 7 zeigt die aufgebaute Platine des Boosters – vor dem Test (d. h. mit Widerstand 47 kΩ) und ohne Transistor.
Verkabelung des Fußschalters
Eine Anmerkung noch zur Verkabelung des Fußschalters: Dem Autor war öfters aufgefallen, dass die übliche Verkabelung eines 3-Ebenen-Fußschalters zum Aktivieren eines Effektgerätes ein wenig redundant ist – im Allgemeinen werden, wenn die drei Schalterebenen wie drei senkrechte Spalten nebeneinander liegen, die äußeren zum Schalten der Signalwege verwendet – die oberen Anschlüsse links und rechts sind mit Ein- und Ausgang der Platine, die mittleren Anschlüsse links und rechts mit Ein- und Ausgangsbuchse und die unteren Anschlüsse links und rechts miteinander verbunden. Das heißt, die für die Verbindung im Bypass werden zwei Schaltverbindungen „verbraucht“. Das ist ein wenig redundant; eine Schaltverbindung wird „verschenkt“. Der Schalter der mittleren Schalterebene schaltet LED und Eingangs-Mute – er zieht entweder die Katode der (Effekt aktiviert) oder den Eingang der Schaltung (Effekt deaktiviert) auf Masse.
Allerdings ist in einigen Verzerrern (z. B. im Marshall Bluesbreaker) der Fußschalter so verkabelt, dass im Bypass auch eine Masseverbindung „in der Mitte des Verzerrers“ (z. B. zwischen erster und zweiter Stufe) möglich ist, um die Gefahr von Schwingungen im Falle des Bypass' verringern zu können.
Dieses Prinzip wurde für dieses Gerät übernommen – ist das Gerät nicht aktiviert, wird nicht nur der Eingang des Boosters, sondern auch der Schleifer des ersten Volumenreglers an Masse gelegt. Die folgende Abbildung 8 zeigt ein mögliches Schema, den Fußschalter zu verkabeln. Im Sinne dieser Skizze muss der Fußschalter dabei so gehalten werden, dass die einzelnen Schaltebenen als Spalten nebeneinanderliegen.
Das Schema hat für eine freie Verkabelung (Verkabelung ohne Platine für den Schalter) den Vorteil, dass kein Kabel an den mittleren Pin gelötet werden muss. Es empfiehlt sich, dass die beiden Brücken zuerst an den freien Enden (dort, wo kein Kabel angeschlossen ist, d. am mittleren Pin und am Pin unten rechts) angelötet werden, und dann an den anderen Enden zusammen mit dem anzuschließenden Kabel.
The proof of the pudding
Der erste Hörtest entsprach erst einmal durchaus den Erwartungen – ein eher durchsichtiger, heller Overdrive bis hin zum klassischen(!) Distortion Stärkere Verzerrungen sind so möglich, aber die Stärke des Pedals liegt eher in den beginnenden Verzerrungen.
Der Klang ist insgesamt eher höhenreich, manchmal störten die Höhen bzw. die deutlichen Geräusche der linken Hand auf den Saiten. Allerdings kann die verstärkte Höhenwidergabe auch mit dem ersten Abhörwerkzeug, ein VOX Kopfhörerverstärker mit entsprechendem Sound in Zusammenhang stehen. Der allzu präsente Klang änderte sich beim Wechsel bzw. bei der Änderung des Gitarrenkabels.
(Im Verlauf des Testens wurde noch eine ältere Planung umgesetzt, das drei Meter lange Testkabel von der Gitarre zum Gerät wurde mit zwei Kondensatoren 100 pF und 220 pF um etwa drei Meter „elektronisch verlängert“ – soll heißen, die bei einem sechs Meter langen Kabel größere Kabelkapazität wurde in die Stecker eingelötet. Es sollte ja der Sound bei einem „normalen“ bzw. normal langen guten Gitarrenkabel getestet werden.)
Weiterhin muss darauf hingewiesen werden, dass – wenn der Gain-Regler voll aufgedreht wurde – der Kondensator hinter diesem natürlich kaum eine Wirkung hat, da sich der Ausgangswiderstand der Kombination des Gain-Reglers mit dem Eingangswiderstand des nachfolgenden Red Llama von etwa 50 kΩ auf etwa 10 kΩ (Größe des Drainwiderstands) verringert.
Von den drei Einstellungen des Klangschalters war dessen Mittelstellung die für den Autor am wenigsten gut klingende, weil die mit dem höhenreichsten und schärfsten Sound – mit der Les Paul des Autors kam ein ziemlich „stratig-drahtiger“ Sound zu Stande. Der Unterschied zwischen den anderen beiden Einstellungen des Klangschalters war allerdings beim ersten Test weniger auffällig.
Das Pedal hat durch das enthaltene Red Llama ein recht hohes Ausgangsvolumen – für den Test bedeutet das, dass es sinnvoll ist, das eingestellte Volumen gelegentlich zu kontrollieren, damit auch der Klang und die Verzerrung des Pedals getestet wird, und nicht die des angeschlossenen Verstärkers.
Schön und transparent sind auch die Klänge mit heruntergedrehtem Volumenregler an der Gitarre – vorausgesetzt, es sind passende Bleeding-Caps eingelötet, ansonsten könnte es natürlich etwas dumpf werden. Ansonsten ist der angezerrte Sound und die beginnenden Verzerrungen, beispielsweise bei Arpeggios, eine Stärke des Gerätes – ein eher „amerikanischer“ Sound.
Tweaks & Tunings
Hinterher ist man immer schlauer bzw. wenn alles fertig ist, findet man die Fehler und es kommen neue Ideen. Deswegen auch hier zum Ende des Artikels ein paar korrigierende oder weitergehende Anmerkungen:
- Dezenter Tiefpass am Booster:
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Der wohl wichtigste Punkt, der sich verändern lässt, wäre eigentlich die Korrektur einer Eselei des Autors. Weiter oben wurde begründet, dass die Beschaltung des Volumenreglers im MXR Echoplex Preamp zur Folge hat, dass sich hier über einen im weiten Bereich relativ festen Ausgangswiderstand dieser Beschaltung mit einem üblichen sechs Meter langen Gitarrenkabel eine leichte Höhenblende ab vier bis fünf Kilohertz ergibt. In diesem Gerät wurde deswegen ein Kondensator 680 pF, der in etwa ein sechs Meter langes Kabel nachbildet, hinter diesen Volumenregler geschaltet.
Möglicherweise wäre es jedoch sinnvoller gewesen, diesen Tiefpass vier bis fünf Kilohertz durch einen Kondensator 3,3 nF vom Drain gegen Masse (in Kombination mit dem Drainwiderstand 10 kΩ) zu realisieren – so ist der Tiefpass unabhängig von der Einstellung des genannten Reglers.
Dieser Kondensator könnte im Platinenlayout anstelle des entfernten Widerstandes R21 eingesetzt werden – beispielsweise in Position D7–B7.
(Bei einer Betriebsspannung des Boosters von 18 V und einem Drainwiderstand von 22 kΩ muss der Kondensator natürlich entsprechend kleiner sein – 1,5 nF.)
- Austausch Kondensatoren an der Source:
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Der nächste mögliche „Tweak“ betrifft die Auswahl der Kondensatoren C51 und C52 parallel zum Sourcewiderstand R7 (bzw. R71 parallel R72). Wenn der Klang der Mittelstellung des Schalters (Serienschaltung 330 nF und 470 nF ergibt etwa 200 nF und eine Anhebung von 250 Hz bis 1,1 kHz) zu hell und scharf ist, kann der Kondensator 330 nF auch durch einen Kondensator 1 µF ausgetauscht werden. Als neue Kapazitäten ergeben sich dann 320 nF (470 nF in Serie mit 1 µF), 470 nF und eben 1 µF – die genannte Mitten-Höhen-Anhebung 250 Hz bis 1,1 kHz entfällt bzw. wird ersetzt durch eine Mitten-Anhebung 50 Hz bis 250 Hz.
- Arbeitspunkt Booster:
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Ansonsten können die in der obigen Diskussion zum Arbeitspunkt des Boosters angedeuteten Klangunterschiede in Abhängigkeit von der Drainspannung der ersten Stufe weiter ausprobiert und ausgelotet werden – beispielsweise, indem man den Drainwiderstand durch einen Trimmer 22 kΩ ersetzt.
- Gemeinsames Layout:
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Bei einem Neubau des Gerätes empfiehlt sich natürlich ein gemeinsames Layout beider Baugruppen einschließlich der zum Booster hinzugekommenen Kondensatoren. Dabei könnte man auch die beiden Source-Kondensatoren C51 und C52 in allen vier Kombinationen (in Serie, einzeln oder parallel) verschalten, entweder über Jumper wie in der Eingangsstufe des ПРИМИТИВ-Verzerrers (siehe hier; Bereich G1–O4) oder entsprechend mit einem kleinen Drehschalter mit vier Positionen und zwei Ebenen.