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Alt 19-07-2016, 23:06
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Standard AW: WetFur - Germanium Fuzz/Distortion for e-Guitar

The Optics


Heute ist die Optik-Sektion des WetFurs dran. Schauen wir sie uns zunächst etwas genauer an:


Einleitung

Einige Dinge fallen sofort ins Auge.
1. Die Sektion ist komplett diskret aufgebaut. Ich will hier keine Diskussion über IC-Driver o.ä. starten - nur so viel: Diese erfüllten nicht den von mir erwünschten Zweck, verbrauchen zuviel Strom, sind zu unflexibel und zu groß (physikalisch gesehen). Ferner sind sie notorisch schlecht verfügbar. Ich wollte von Anfang an eine sparsame, effiziente und simple Schaltung. Der Zeitlosigkeit des Fuzz-Cores wollte ich eine ebenso zeitlose Optik-Sektion an die Seite stellen. Und zeitlos ist sie wirklich - unabhängig von schlecht verfügbaren Spezialkomponenten - es braucht lediglich ein paar PN-Junctions und ein paar Emitter - plus ein bisschen R und C. Das alles wird es in 100 Jahren ja wohl immer noch geben. Den Trick führt hier die Schaltung an sich aus - nicht die Komponenten.

2. Die Schaltung scheint durchweg DC-Gekoppelt zu sein. Huch! - So etwas sieht man heutzutage nur noch sehr selten: DC- (oder deutsch: Gleichstrom-) Verstärker. Hier funktioniert vieles etwas anders, als mit Kondensatoren im Repertoire. Die Arbeitspunkt-Einstellung ist hier keine "Festlegung", sondern hat viel mehr mit Subtraktion und Addition zu tun - deshalb sieht die Schaltung etwas ungewohnt aus. Bei näherer Betrachtung entpuppt sie sich aber als sehr sehr simpel und effektiv.

Es lohnt sich, hier mal näher hinzuschauen - DC-Verstärker haben zweifellos ihre Stärken. Auch ist dies eine nette praktische Anwendung zur Berechnung von Spannungsteilern. Tolles Lernobjekt. Bevor wir nun weiterreden, ist es Zeit, ein wenig über folgendes zu reden:

Das Konzept

Wie bereits erwähnt, war mir das schmalstmögliche Profil wichtig. Hierfür musste das vorherrschende Konzept von Level-Visualisierung komplett neu gedacht werden. Normalerweise (d.h. in Fest-Installationen wie Panels/Mixer/Verstärker etc..) wird mit Visualisierungen nicht gespart. Es gibt unzählige VU-Meter, Status LEDs, Betriebsanzeigen etc.. . Neuerdings wird sogar mit LCDs und Touchscreens experimentiert. Wie gesagt, es mag Situationen geben, in denen solche Strategien Sinn machen - speziell wenn Strom und Spannung kein Thema (=reichlich vorhanden) sind.

In meiner Situation - in der Situation einer kompakten Fuss-Maschine, welche allerlei Abusus tolerieren muss - notorisch mit Bier bekippt wird - ständig irgendwo runterfällt oder im hohen Bogen am Kabel durch die Lüfte fliegt - gerne auch (naiverweise) mit den abstraktesten Stromquellen (wie z.B. Autobatterien) gepowert wird, machen solche Gedanken (=ausgiebige Beleuchtung) keinen Sinn. Wir brauchen hier was hand- (bzw. fuss-)festeres.


Was wir hier wollen ist eine kompakte, aussagekräftige, zuverlässige Anlage, die am besten mit nahezu jeder Spannungsquelle betrieben werden kann ohne gleich abzustürzen und/oder in der Funktion beeinträchtigt zu sein.

Nun, nach langem Hin-und-Her reduzierte ich es am Ende auf eine einzige physikalische RGB-LED (3 Farben separat ansteuerbar), ein paar Dioden und 4 allerwelts-Transistoren. Das war mir dann simpel, reproduzierbar und universell genug.

Um dem Musiker etwas zu sagen, muss unsere kleine LED natürlich möglichst aussagekräftig sein, d.h. sie wird hart arbeiten müssen und mehrere Aufgaben gleichzeitig übernehmen. Nach langem überlegen (inklusive "Haare ausraufen") bin ich dann auf folgendes Konzept gekommen:
1. Der Musiker will eine Information über die momentane Lautstärke - die "Kraft" in seinem Gitarrenspiel. Es lag nahe, dieser Information die physikalische Größe "momentane Helligkeit" zuzuordnen. Sprich: Die LED "blitzt" in ihrer Helligkeit je kräftiger auf - je kräftiger der Gitarrist spielt bzw. je heftiger der Fuzz zuschlägt.

2. Es gibt 3 Klangfarben: Bassig / Mittel / Hell - was liegt näher, als dieser Information die physikalische Größe "Farbe" zuzuordnen. Der Musiker hat also jederzeit eine -klare- Information darüber, welcher Klangmodus aktiv ist. 3 Farben kann sich jeder merken. Theoretisch kann man die Farben nach dem RGB-Konzept frei wählen.
(siehe bitte Anm. *1)

3. Der Musiker will natürlich auf jeden Fall wissen, ob der Fuzz gerade spielt oder im Bypass (=AUS) ist. Es ist nur logisch, analog die LED ebenfalls AN und AUS-Schalten zu lassen. Leuchtet es, weiss der Musiker (auch wenn er total betrunken ist) - OK - das Gerät ist AN.

4. Es besteht hier ja die Möglichkeit (siehe Spezifikationen) die Betriebsspannung/den Betriebsstrom zu drosseln. Es liegt nahe, einer Drosselung der Versorgung auch eine Drosselung der (potentiell möglichen) Helligkeit zuzuordnen - und genau dies wurde auch getan. Allerdings war dies schwieriger als gedacht, da die Spanne der Helligkeit erst umgerechnet werden muss in die Spanne der Drossel. Kompliziert deshalb, weil beide Spannen nonlinear sind.
Anmerkungen:

*1) Da es derzeit leider kaum noch vernünftige mechanische Schalter gibt, ist man gezwungen bei der Farbmischung einen Kompromiss einzugehen. Das Problem ist, dass unser Tone/Mode Schalter in der echten Welt gewissen Begrenzungen in der Anzahl der Schaltoptionen unterliegt. Der flexibelste mir bekannte Schalter ist ein Dreh-Schalter (Rotary Switch) mit 3 Schaltstellungen und 4 Kanälen.
Ich wiederhole: Der größte Schalter kann uns gerade mal 4 Kanäle bieten.
2 Kanäle gehen bereits für die eigentliche Tone/Mode-Auswahl drauf. Bleiben noch 2 Kanäle für die LEDs. -.- Denn diese sollen ja gleichzeitig mit dem Tone geschaltet werden, sonst ist die ganze Theorie sinnlos. So langsam wird deutlich worauf es hinausläuft. Wir sind gezwungen auf 2 Kanälen mit 3 LEDs mindestens 3 Farben darstellen zu müssen. Deshalb der gedankliche Umweg. 2 Driver-Transistoren (Stromverhältnis 1:2) werden (je nach Schalterstellung) über 3 LEDs geschaltet - 2 sind aktiv - eine ist aus. Dies reduziert zwar die Anzahl der möglichen Farben - aber es reicht immer noch dick aus.



Die Praxis


Das Signal am >METER< - Input ist - direkt gekoppelt - das gepufferte Signal vom Kollektor des zweiten Germanium Transistors - mit anderen Worten: eine gepufferte Kopie des primären Ausgangssignals. Es wird direkt an der Source des Output-JFETs (diese ist niederohmig) abgegriffen. Ich wiederhole es nocheinmal: Das Signal enthält -sowohl- Gleichstrom (nämlich der BIAS-Strom des FETs, bei c.a. 2V) -wie auch- Wechselstrom(=Audio). Dies ist wichtig um die BIAS-Technik der Optik-Sektion zu verstehen.

Zunächst wird mithilfe eines 100k Widerstands entkoppelt - dies stellt sicher, dass die Optik-Sektion keine Rückwirkung auf den FuzzCore haben kann. Ein Trimmer in Rheostat Konfiguration bildet mit den 100k einen Spannungsteiler. Dieser dient hauptsächlich dazu, das DC-BIAS-Level fein-einstellen zu können - er macht aus dem Biasstrom des JFETs etwas was wir in der Optik-Sektion weiterverwenden können. Hier wird gedreht, bis die Lampe bei 100% gedrosselter Betriebsspannung tatsächlich AUS ist (oder fast aus ist - je nach Geschmack). Es ist die einzige Kalibrier-Option der Optik-Sektion. Vorsicht ist geboten, da man über den Spannungsteiler nicht nur DC schickt, sondern auch (einer "Volume-Kontrolle" gleich) das -zu messende- Audio-Signal ebenfalls runterregelt. Das ist an sich kein Problem, man sollte es aber im Auge behalten.

Die folgende Inline-Diode ergibt im Zusammenhang mit dem 10nF Kondensator eine kleine Charge-Pumpe, da der Strom durch die Diode nicht zurückfließen kann - dies zieht zusätzliche "Trägheit" beim "Release" nach sich. Der Voltage Drop über der Diode spielt aufgrund des geringen Stromes so gut wie keine Rolle.

Der 10nF Kondensator ist hier ein klassischer Miller-Kondensator. Der Miller Effekt ist normalerweise parasitär. Hier wird er künstlich hergestellt. Es wird mit etwas invertiertem Signal vom Collector (über R31), dem Kondensator und der Basis eine kleine Feedback-Schleife aufgemacht. Diese ist Frequenzspezifisch - dämpft HF mehr als LF. Die Reaktion auf Lautstärkepeaks wird also "träger" - sowohl beim Attack als auch beim Release. Das nette ist, dass hier keine Information "weggeschmissen" wird (wie bei passivem Filtering mittels parallelem Kondensator nach Masse) - sondern dass mittels Feedback gefiltert wird.

R37 legt den Arbeitsstrom durch den Transistor Q4 und D9 fest - D9 drop't dabei etwas Spannung und verändert so die Emitterspannung. Kurz gesagt: Ohne die Diode säße der Emitter auf c.a. 785mV. Durch den Voltage-Drop über der Diode steigt die Emitterspannung auf c.a. 1.55V an. Dies ist ein Trick, um sich die Wahl der Bauteilwerte beim folgenden Summenkreuz zu vereinfachen - man kommt bei 3x 100k raus. Ohne Diode müsste man die Spannung am Summenkreuz komplett neu berechnen, und dies kann bei 2 Zuläufen und 2 Abläufen, die sich auch noch untereinander beeinflussen recht kompliziert werden. Zumindest wenn man auf "den ganz bestimmten Punkt" hinauswill.

Am Summenkreuz mischen sich alle Sensorwerte. Wir haben den Zulauf aus dem METER-Vorkreis (am Ende c.a. 1.55VDC + dynamischer Anteil). Wir haben den Zulauf vom DC-Monitor (dieser Anschluss überwacht die Betriebsspannung am Fuzz-Core - 4V-8.5VDC - keine dynamik, ausser bei Oszillationen). Dann haben wir den Ablauf über die Basen der Treiber-Transistoren und wir haben einen Ablauf nach Masse. Man kann dieses Kreuz aus verschiedenen Perspektiven betrachten und auch berechnen. Ich bevorzugte beim Design gutes altes LT-SPICE-Trial&Error um das bestmögliche Gleichgewicht zu finden. Es genügt an dieser Stelle, folgendes zu wissen:

Am Summenpunkt soll ein bestimmtes DC-Level herrschen - und zwar jenes, welches die LEDs gerade so leuchten lässt (Betriebsspannung auf Minimum). Theoretisch wäre dies: Ein bisschen weniger als Vf der Leucht-Diode plus BE-Drop der Driver plus Drop über dem Emitterwiderstand.

Dazu dynamisch addiert werden RMS-Werte, die -live und analog- aus dem Musikmaterial berechnet werden. Das ganze ist (möglichst) auf Kante genäht, damit die Driver niemals zuviel Strom durch die LEDs schicken, aber auch niemals zu wenig. Es ist -ähm- extrem schwierig, dies im Vorfeld schon perfekt zu konfektionieren. Deshalb der Trimmer im Vor-Kreis. Dieser steuert, wieviel DC über den Vor-Kreis an den Summenpunkt geschickt wird. Man kontrolliert damit (indirekt) das Level am Summenkreuz und damit auch den "Threshold".

Das lokale Feedback über den Emitterwiderständen der Treiber-Transistoren hilft dabei, die Situation zu stabilisieren. Perfekt ist es nicht - es ergeben sich Schwankungen im Leuchtbild, wenn die Versorgungsspannung von 9V auf 16V steigt. Deshalb musste ich tief in die Trickkiste greifen und eine (verdammt clevere) Strombegrenzung einbauen. Ich kenne diese aus Power-Verstärkern im Audio-Bereich.

Komissar Zufall hat es eingerichtet, dass für diese Sicherung Emitterwiderstände von 47-80-Ohm erforderlich sind. Kann man diese bieten, schaltet man einfach einen zusätzlichen Transistor zwischen Basis und (dem anderen Ende des) Emitterwiderstand(s) - mit der eigenen Basis am Emitter des Drivers. Sobald -etwas zuviel- (nicht näher definiert) Strom durch den Driver - und damit durch den Emitterwiderstand fließt, fällt am Emitterwiderstand eine Spannung ab. Diese reicht -gerade so- um den Sicherungstransistor AN zu schalten - er fängt dann damit an, Strom von der Basis des Drivers abzusaugen - dieser kann dann wiederum nicht mehr soviel Strom über die CE-Strecke schicken. Das System stabilisiert sich bei einem bestimmten (perfekt passenden) Strom-Level. Mehr als 30mA gehen da nicht durch. Das sollte sowohl LEDs wie auch Driver vor größerem Schaden bewahren. Da der zweite Driver (glücklicherweise?) einen etwas größeren Emitterwiderstand bietet, wurde die Sicherung natürlich über diesen Driver gelegt. Dem (gemeinsamen) Basiskreis ist es egal - beide Basen werden beschützt, aber die Sicherheit profitiert ungemein, da der Sicherungstransistor viel schneller durchsteuert als am ersten Driver.

Diese Schaltung ist insgesamt schon ziemlich clever und dabei billig. Die Effektivität (also die Effizienz des "Schutzes") kann im Prinzip nur noch von Konstantstromquellen im Emitterkreis überboten werden. Aber diese sind nicht billig und sehr schlecht verfügbar. Man könnte FETs einsetzen, diese sind zumindest besser verfügbar - aber teuer sind sie auch. Transistoren kann man dagegen per 100 Gramm kaufen und gibt noch nicht mal viel Geld aus. Die Lösung mit Konstantstromquellen sollte man deshalb nur wählen, wenn es echt nicht anders geht - wenn man mit (billigen) Transistoren nicht weiterkommt.

Warum nun eigentlich das Heckmeck um den Gleichstromverstärker - Könnte man nicht einfach kapazitiv ankoppeln?

Nun - man könnte. Der Laie würde dies mit Sicherheit tun, da sich vordergründig ein Vorteil in der Stabilität zu ergeben scheint. Wenn man sich aber eine Weile mit der Schaltung beschäftigt, stellt man schnell fest, dass das Gegenteil wahr ist.

Ganz abgesehen von dem meistvergessenen Bug im Elektronikbereich, der da wäre:

"Elektrolytkondensatoren lecken! Mehr als 470k an Übergangswiderstand ist nicht da! Dieser fluktuiert und hat bereits tausende Arbeitspunkte auf dem Gewissen! Aufpassen! Überbrücke niemals mehr als 47k mit Elektrolytkondensatoren, ohne genau hinzuschauen! Der Drift kann gewaltig sein!"


Selbst perfekte Kondesatoren helfen uns bei dieser Schaltung nicht weiter. Das liegt daran, dass Koppelkondensatoren selbst umgeladen werden müssen und dies gewisse Konsequenzen beim Strom mit sich bringt (gerade bei niederfrequenten Dynamiken), gerade auch wenn man Halbwellen-gleichrichtet. Etwaige Arbeitspunkte werden plötzlich abhängig von der Zeitkonstante des Koppelkondensators.

Andererseits enthält das stark verzerrte primäre Ausgangssignal bereits (positiv wie negativ) einiges an Clipping. Betrachtet man nun jeweils nur die positiven Halbwellen, dann addiert sich zum momentanen -realen- Biasstrom noch der Clippingstrom - kurz gesagt: mathematisch verzieht es den Arbeitspunkt nach oben, da mathematisch mehr Gleichstrom in der Rechnung ist. Schaltet man einen Koppelkondensator + DC-Return dazwischen, "verliert" die andere Seite sprichwörtlich den Überblick und verzieht den Arbeitspunkt, wie es dem Kondensator bzw. dessen Zeitkonstante eben gerade passt.

Praktisch bedeutet dies, dass man den Ausgangslevel gerade per Halbwellengleichrichtung NIEMALS stabil visualisieren kann, wenn man auf Kondensatoren setzt und wenn das System stark asymmetrisch verzerrt. Das System würde sehr schnell nicht mehr synchron sein. Es würde irgendetwas anzeigen - aber nicht die momentane "power".

Entweder, man setzt auf Vollwellen-Gleichrichtung (hier keine Option), oder man koppelt synchron (=direkt) an. Mir ist die Wahl nicht schwer gefallen.

P.S.
Das Phänomen der Verziehung des Wellenmittelpunkts tritt -überall- auf, wo asymmetrische Verzerrung (2.,4.,6. etc..harmonische) auf einen Koppelkondensator trifft. Dieses Phänomen lässt sich nicht umgehen. Es führt zu einer sehr stark nervenden Drift des DC-Levels. Es ist überall im Gitarrenbereich Thema, vor allem bei Röhrenverstärkern - aber auch hier beim WetFur - am Ausgang - hinter einem Koppelkondensator lässt sich über die Zeit dasselbe Drift-Verhalten beobachten. Die einzige mir bekannte Medizin ist ein DC-Servo. Dieser Schaltungsaufwand ist jedoch meist nicht gerechtfertigt.
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Fachgebiete: Linear/Analog, Audio, Filter, Modelling
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Geändert von JoeHill (23-07-2016 um 16:22 Uhr)
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