Ideen zu einem Treblebooster für Humbucker – Anhang B
B Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Germaniumtransistoren
Kapitelinhalt:[ Überspringen ]Nach dem Versuch, Kennziffern des statischen Verhaltens der Germaniumtransistoren zu messen, sollte deren dynamisches Verhalten im linearen Bereich und bei Übersteuerung in einer dem Rangemaster Treblebooster ähnlichen Schaltung untersucht werden.
Dabei fanden drei verschiedene Transistoren und zwei verschiedene Messaufbauten Verwendung – einmal eine einfache Verstärkerstufe ohne Gegenkopplung, mit der die drei verschiedene Transistoren ausgemessen wurden, und einmal die gleiche Schaltung, erweitert um eine nichtlineare Gegenkopplung über eine im Emitterzweig eingefügte Diode 1N4148. Mit der zweiten Schaltung wurde nur ein Transistor ausgemessen, um den Unterschied zu dessen Verhalten in der ersten Schaltung zu ergründen.
Das vorhandene Messequipment (Stereo-Soundkarte, Soundkartenvorschaltgerät mit einem Ausgang und zwei Eingängen, 2-Kanal-Software-Oszilloskop) machte es notwendig, die Messungen aufzuteilen. Bei jedem Messaufbau wurde im jeweils ersten Durchgang das Signal an der Basis gegen das Eingangssignal vor einem Basisvorwiderstand gemessen, im jeweils zweiten Durchgang das Signal am Kollektor gegen das an der Basis.
Zunächst Messschaltung 1 (siehe Abbildung B.1): Das Testsignal wird über einen relativ großen Koppelkondensator (C1, 470 nF) und einen Vorwiderstand (R3, 4,7 kΩ, entspricht in etwa dem Gleichstromwiderstand eines Single-Coil-Tonabnehmers) auf die Basis des Transistors geleitet. Dessen Basisruhestrom bzw. Arbeitspunkt wird über einen Spannungsteiler R4 eingestellt und über einen Vorwiderstand R2 ebenfalls auf die Basis geleitet. Der Gleichstromwiderstand, den „die Basis sieht“, entspricht mit knapp 60kΩ etwa dem der Basisstromspeisung beim Rangemaster Treblebooster (470 kΩ || 68 kΩ). Ebenfalls vom Rangemaster Treblebooster abgeleitet ist die Höhe des Kollektorwiderstands (R1, 10 kΩ).
Im zweiten Messaufbau wurde, zunächst eher aus Daffke (bevor die Überlegungen im vorherigen Kapitel ausgearbeitet waren), eine Siliziumdiode 1N4148 zwischen den Emitter des Transistors und Masse eingefügt (sieheAbbildung B.2) und der Speisewiderstand für den Basisruhestrom von 56 kΩ auf 100 kΩ erhöht. Dahinter stand die Überlegung, man könnte durch das Einfügen der Diode den Eingangswiderstand der Schaltung erhöhen (der differentielle Widerstand der Diode erscheint, multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors, an der Basis) und ihre Verstärkung verringern (die differentiellen Widerstände der Diode und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors bilden einen Spannungsteiler), ohne die statische Kennlinie durch eine lineare Gegenkopplung zu linearisieren. Das heißt, es ging darum, eine Schaltung zu erhalten, die bei etwa doppelten Eingangssignalspannungen und gleichen Eingangssignalströmen vergleichbar der ersten Messschaltung reagiert – gedacht als möglicher Treblebooster für Humbucker.
Auf den Eingang der Messschaltung wurden nun Sinussignale von 440 Hz oder 1 kHz verschiedener Amplitude geleitet; es wurden die Zeitsignalverläufe des Generatorsignals und die Signale an Basis und Kollektor sowie die Lissajous-Figuren der Signale an Basis und Kollektor, jeweils gegen das Generatorsignal, aufgezeichnet. Weiterhin wurden bei linearer Aussteuerung jeweils im ersten Durchgang der Messungen (Basissignal gegen Generatorsignal) der Eingangswiderstand und im zweien Durchgang (Kollektorsignal gegen Generatorsignal) die Verstärkung bestimmt.
Messschaltung B1 – AC128
Eingangskreis – ueing. vs. uB
Es fand die Messschaltung 1 entsprechend Abbildung B.1 Verwendung – untersuchter Transistor war ein AC128 .
ueing. [mV] |
uB [mV] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 74 | 25 | 52 | 17,7 | ≈ 11 |
2 | 145 | 50 | 105 | 37 | ≈ 12 |
3 | 362 | 128 | 272 | 100 | (zerrt) |
4 | 723 | 257 | 549 | 209 | (zerrt) |
Bildertabelle B1.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung B.1:
Verstärkung und Verzerrung – ueing. vs. uC
ueing. [mV] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 73 | 25 | 2,5 | 0,88 | ≈ 35 |
2 | 144 | 50 | 4,6 | 1,7 | ≈ 33 |
3 | 360 | 127 | 8,9 | 3,3 | (zerrt) |
4 | 722 | 256 | 9,7 | 4 | (zerrt) |
Bildertabelle B1.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung B.1:
Messschaltung B2 – МП21 mit β = 40
Es fand die Messschaltung 1 entsprechend Abbildung B.1 Verwendung – untersuchter Transistor war ein МП21 mit einem ausgewiesenen Stromverstärkungsfaktor von 40.
Eingangskreis – ueing. vs. uB
ueing. [mV] |
uB [mV] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 140 | 49 | 76 | 26 | ≈ 5,5 |
2 | 355 | 124 | 226 | 82 | (zerrt) |
3 | 720 | 254 | 510 | 191 | (zerrt) |
Bildertabelle B2.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung B.2:
Verstärkung und Verzerrung – ueing. vs. uC
ueing. [mV] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 140 | 49 | 4,08 | 1,46 | ≈ 29 |
2 | 354 | 125 | 7,64 | 2,83 | (zerrt) |
3 | 715 | 254 | 9,68 | 3,89 | (zerrt) |
Bildertabelle B2.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung B.2:
Messschaltung B3 – МП21 mit β = 52
Es fand die Messschaltung 1 entsprechend Abbildung B.1 Verwendung – untersuchter Transistor war ein МП21 mit einem ausgewiesenen Stromverstärkungsfaktor von 52.
Eingangskreis – ueing. vs. ub
ueing. [mV] |
uB [mV] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 72 | 25 | 46 | 16 | ≈ 8 |
2 | 144 | 50 | 94 | 33 | ≈ 9 |
3 | 360 | 127 | 257 | 94 | (zerrt leicht) |
4 | 720 | 256 | 535 | 202 | (zerrt) |
Bildertabelle B3.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung B.3:
Verstärkung und Verzerrung – ueing. vs. uc
ueing. [V] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 72 | 25 | 2,58 | 0,91 | ≈ 36 |
2 | 143 | 50 | 4,69 | 1,68 | ≈ 33 |
3 | 359 | 127 | 8,55 | 3,15 | (zerrt) |
4 | 721 | 256 | 9,71 | 3,99 | (zerrt) |
Bildertabelle B3.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung B.3:
Messschaltung B4 – AC128 mit Emitterdiode 1N4148
Es fand die Messschaltung 2 entsprechend Abbildung B.2 Verwendung – untersuchter Transistor war ein AC128 .
Eingangskreis – ueing. vs. ub
ueing. [V] |
uB [V] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 0,15 | 0,05 | 0,13 | 0,04 | ≈ 30 |
2 | 0,37 | 0,13 | 0,32 | 0,12 | ≈ 33 |
3 | 0,74 | 0,26 | 0,64 | 0,23 | (zerrt) |
4 | 1,47 | 0,52 | 1,25 | 0,47 | (zerrt) |
5 | 1,84 | 0,65 | 1,56 | 0,59 | (clippt) |
6 | 3,69 | 1,31 | 3,12 | 1,18 | (clippt) |
Bildertabelle B4.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung B.4:
Messschaltung 4:
ueing. und ub
Messschaltung 4:
ub vs. ueing.
Verstärkung und Verzerrung – ueing. vs. uc
ueing. [V] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 0,076 | 0,026 | 1,68 | 0,56 | ≈ 22 |
2 | 0,15 | 0,05 | 2,24 | 0,78 | ≈ 15 |
3 | 0,37 | 0,13 | 5,24 | 1,84 | (zerrt) |
4 | 0,74 | 0,26 | 8,94 | 3,31 | (zerrt) |
5 | 1,47 | 0,52 | 9 | 3,67 | (clippt) |
6 | 3,69 | 1,31 | 9,03 | 3,80 | (clippt) |
Bildertabelle B4.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung B.4:
Messschaltung 4:
ueing. und uc
Messschaltung 4:
uC vs. ueing.
Auswertung
Nach dem kurzen Überblick über die quantitativen Ergebnisse in der folgenden Tabelle B.5 ein paar erläuternde Anmerkungen insbesondere zu den Oszillogrammen und Lissajous-Figuren.
Die ersten Messungen und Oszillogramme (speziell Messschaltung B.1) dienen weniger der Überprüfung eigener Hypothesen oder Schaltungsideen, sondern eher einer ersten Orientierung und Visualisierung des dynamischen Verhaltens insbesondere des Rangemaster Trebleboosters.
Die erste Messung Messung B1 entspricht im wesentlichen dem „originalen“ Treblebooster unter Verwendung eines „amtlichen“ Germaniumtransistor (AC128, β etwa 90), allerdings mit wesentlich größerem Eingangskoppelkondensator (um bei den üblichen Messfrequenzen von 440 Hz bzw. 1 kHz keine Phasenverschiebungen berücksichtigen zu müssen).
Die Ergebnisse dieser Untersuchung der Treblebooster-Schaltung sind eine Referenz insbesondere in Bezug auf das dynamische Verhalten, mit der beispielsweise Treblebooster-Schaltungen für hochohmige Tonabnehmer verglichen werden können. Wenn beispielsweise bei dieser Messung B1, die Schaltung bei einem Eingangspegel von etwa 200 mV so stark übersteuert wird, dass der Arbeitspunkt in den waagerechten Teil der Kennlinie wandert, (asymmetrische Übersteuerung, im Nulldurchgang des Eingangssignal ist der Transistor voll durchgesteuert und in Sättigung), so sollte man bei der Treblebooster-Version für Humbucker-Gitarren darauf achten, dass diese Art der Übersteuerung erst bei 400 mV bis 500 mV auftritt.
Insbesondere die Messungen an Messschaltung B2 und B3 haben einige der im Artikel angestellten Überlegungen bestätigt: Der Eingangswiderstand, der besonders für die Höhen wichtig ist, sinkt mit dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors, während die (Spannungs-)Verstärkung (im Vergleich zur Leerlaufsignalspannung eines hochhohmig angeschlossenen Tonabnehmers) relativ unabhängig davon ist.
Das Einschleifen einer kleinen Diode in den Emitterkreis (Messschaltung B4) führt zu einer deutlichen Erhöhung des Eingangswiderstands wie auch zu einer ebenso deutlichen Verringerung der Spannungsverstärkung. Der weiter oben genannte Effekt der Verschiebung des Arbeitspunktes an den Cut Off (im Nulldurchgang des Eingangssignal sperrt der Transistor fast völlig, die Kollektorspannung des pnp-Transistors ist am negativsten) tritt bei der Messschaltung B4 bei einem etwa doppelt so großen Eingangssignal auf – in der folgenden Tabelle B5.2 werden die Signalverläufe und Lissajousfiguren der vier Messschaltung in diesem Zustand noch einmal zusammengefasst.
Schaltung mit DUT |
Ση | reing. [kΩ] |
vU | ueing. [mV] |
||
---|---|---|---|---|---|---|
clean | soft clip |
|||||
B1 | AC128 | ≈1 | 11 | 35 | 25 | 50 |
B2 | МП21 (MP21) β ≈ 40 | ≈1 | 5,5 | 29 | 49 | 49 |
B3 | МП21 (MP21) β ≈ 52 | ≈1 | 8 | 36 | 25 | 50 |
B4 | AC128 mit 1N4148 | ≈2,7 | 30 | 15 | 52 | 130 |
Bildertabelle B5.2: In den Cut Off verschobener Arbeitspunkt für verschiedene Eingangssignalspannungen bei verschiedenen Schaltungen – Signalverläufe und Lissajous-Figuren
ueing. und uC
uC vs. ueing.