Der C-Switch - (k)einer für alle?

Der C-Switch - (k)einer für alle?

(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist immer in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)

Einleitung

Über die Bedeutung eines parallelen Lastkondensators als Mittel zur Klangveränderung bei den Magnettonabnehmern einer Elektrogitarre hat Helmuth Lemme bereits 1977 in seinem Buch "Elektro Gitarren" hingewiesen. Mit einem C-Switch als Lastkondensator lassen sich verschiedene Klangfarben erzeugen. Aus elektrotechnischer Sicht ist der C-Switch immer nur ein Bestandteil eines linearen Filters, der für die "elektrische" Klangeinfärbung verantwortlich ist. Er wirkt also immer zusammen mit den anderen Komponenten in der Elektrogitarre. In der Gitarrenelektronik wird er von Lemme auf drei verschiedene Weisen eingesetzt:

• Als paralleler Lastkondensator um die Resonanzfrequenz des Tonabnehmers zu verringern,
• als Ersatz des Kondensators für die Tonblende, was auch eine Resonanzverschiebung bedeutet, und
• in Reihe zum Lautstärkeeinsteller geschaltet als Bass-Schalter zur Absenkung der tiefen Frequenzen.

In diesem Artikel werden wir uns hauptsächlich mit der Wirkung des C-Switch als veränderlicher Lastkondensator beschäftigen. Der Frage, ob ein solcher Resonanzschalter wirklich als Ersatz der Tonblende dienen kann, wird hier nicht weiter verfolgt werden.

Helmuth Lemme bietet auf seiner Internetpräsenz fertige C-Switches an. Man kann einen solchen Schalter aber auch leicht und mit wenig Aufwand selber bauen. Da stellt sich dann nur die Frage nach der Dimensionierung der verschiedenen Kondensatoren. Aber auch da wird man manchmal im Internet fündig. In Guitar-Letter II findet man zum Beispiel in Tabelle 2-2 entsprechende Werte. Aber kann man vom Einsatz so eines "Standard-C-Switch" auch immer optimale Ergebnisse erwarten? Dieser Frage wollen wir in diesem Artikel ein wenig auf den Grund gehen.

1. Was ist eigentlich ein C-Switch?

Wenn man den "Klang" eines Tonabnehmers verändern will, hat man grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Man kann die Induktivität L verändern oder die Kapazität C. Beides führt zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz des Tonabnehmers. Eine Veränderung der Induktivität ist ganz einfach: Man kauft einen anderen Tonabnehmer. Hinterher hat man aber auch einfach weniger Geld in der Tasche - ein deutlicher Nachteil, den die Gitarristen aber meistens, ohne mit der Wimper zu zucken, in Kauf nehmen!

Die Kapazität läßt sich deutlich einfacher verändern. Man benötigt lediglich einen Kondensator mit einer anderen Kapazität - eine vergleichsweise preiswerte Lösung. Wenn die Kapazität dann auch noch einstellbar ist... umso besser! Die Industrie bietet zu diesem Zweck sogenannte Drehkondensatoren an. Bis in die 70er Jahre fand man solche Bauteile in jedem Rundfunktempfänger. Einer ihrer größten Nachteile wird jedoch schnell augenfällig: Die mechanische Größe!

Diese Kondensatoren bestehen aus zwei Plattensätzen von denen einer an einer Achse befestigt ist. Durch Drehen der Achse verändert sich die kapazitiv wirksame Fläche und damit die Kapazität des Kondensators. Da hier Luft als Dielektrikum verwendet wird, haben solche Kondensatoren aber eine vergleichweise geringe Kapazität. 500pF sind da schon ein großer Wert. Dafür beträgt die Einbautiefe dann auch locker 5 bis 7 Zentimeter! Im Zusammenspiel mit einem Tonabnehmer werden zur Verschiebung der Resonanzfrequenz allerdings Kapazitäten bis zu 30nF benötigt. Wie groß ein solcher "Drehko" dann wird, kann sich wohl jeder leicht vorstellen. Abgesehen davon kann man sich für den Preis eines solchen Bauteiles auch locker einen anderen Tonabnehmer kaufen! So geht es also ganz bestimmt nicht!

Natürlich läßt sich eine veränderlich Kapazität auch auf andere Weise erzeugen. Zum Beispiel mit einer Kapazitätsdiode. Aber auch hier verhindert die geringe Kapazität den erfolgreichen Einsatz in der Elektrogitarre. Abgesehen davon benötigt die Kapazitätsdiode eine Gleichspannung zur Einstellung der Kapazität. Also muß eine Batterie in die Gitarre. Igitt! [Blocked Image: http://www.guitar-letter.de/forum/styles/GuitarLetter/smilies/nein.gif]

So geht es also auch nicht! Dann bleibt nur die Möglichkeit, Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitäten mit Hilfe eines Schalters auszuwählen und genau so eine Schaltung fand man dann auch schon in Lemmes erstem kleinen Buch.

Diese Konstruktion ist aus elektrotechnischer Sicht ein einfacher Zweipol und da ein Kondensator in Schaltbildern mit dem Symbol "C" bezeichnet wird, nannte Lemme diesen Zweipol einfach "C-Switch".

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2. Die ideale Resonanzverschiebung

Bekanntlich wird der "Klang" eines Magnettonabnehmers in erster Linie durch die Lage und Ausprägung seiner Resonanz bestimmt. Sie betont einen bestimmten Frequenzbereich, wodurch die hörbare Klangeinfärbung letztendlich entsteht. Das folgende Bild zeigt den Amplitudengang eines Magnettonabnehmers mit der typischen Beschaltung durch Tonblende (Tone), Lautstärkeeinsteller (Volume) und Instrumentenkabel:

Der "Berg" legt fest, "wo" im Spektrum die Klangeinfärbung geschieht. Er hat seinen Gipfel - die Resonanzspitze - bei der Resonanzfrequenz (hier in etwa 3,5kHz). Die Betonung ist umso stärker, je höher der Berg ist. Seine "Höhe" wird aus technischer Sicht durch die sogenannte Güte (engl. Quality Factor) Q beschrieben. Die Klangfarbe wird durch die Lage des Berges festgelegt. Verschieben wir ihn nach Links, also hin zu kleineren Frequenzen, dann wird der Klang mittiger, weicher. In die andere Richtung wird es immer heller, metallischer...

Kauft man einen anderen Tonabnehmer, der eine andere Induktivität besitzt, dann verändert sich die Lage der Resonanzfrequenz und damit der "Klang". Den gleichen Effekt kann man erreichen, wenn man die kapazitive Belastung des Tonabnehmers verändert. Auch dann verändert sich die Resonanzfrequenz. Beide Verfahren sind aus Sicht des Übertragungsverhaltens vollkommen identisch. Allerdings ist ein Kondensator deutlich billiger als ein Tonabnehmer, aber das hindert viele Gitarristen nicht daran, trotzdem den teureren Tonabnehmer zu kaufen. Das ist jedoch eine andere Geschichte....

Gibt man einem Techniker die Aufgabe, die Resonanzfrequenz einstellbar zu machen, dann wird er zum Beispiel mit der folgenden Lösung zurückkommen:

Man erkennt, daß alle "Berge" gleich hoch sind. Es wird tatsächlich nur die Klangfarbe durch die Resonanzverschiebung verändert. Die Betonung ist also bei allen Resonanzfrequenzen gleich stark und das ist gut so.

Unser Techniker hat darüber hinaus keine "halben Sachen" gemacht und zwischen den "Bergen" in etwa den gleichen Abstand erzeugt. "Wieso das denn?", wird man jetzt wohl fragen. Die Antwort ist ganz einfach: Unser Tonhöhenempfinden ist keinesfalls linear ausgeprägt, sondern eine lineare Tonhöhenwahrnehmung ist mit einer annähernd geometrischen Veränderung der zugrunde liegenden Frequenzen verbunden! Der Abstand der einzelnen Resonanzfrequenzen ist tatsächlich also nicht konstant. Erst durch die logarithmierte Skalierung der Frequenzachse entsteht der optisch konstante Abstand, der unserem Hörempfinden entspricht. Aus mathematischer Sicht darf der Abstand zwischen den einzelnen Resonanzfrequenzen folglich nicht konstant sein, sondern das Verhältnis zweier benachbarter Resonanzfrequenzen muß konstant sein. Es handelt sich also nicht um eine arithmetische Folge, sondern um eine geometrische Folge. Nach dieser Gesetzmäßigkeit muß dann auch die Dimensionierung der einzelnen Kapazitätsstufen erfolgen. Hält man sich nicht an diese Regel, sondern sieht eine konstante Kapazitätsdifferenz vor, dann ist das das Resultat:

Es ist deutlich zu erkennen, daß sich die "Berge" bei den tiefen Frequenzen "drängeln". Da geht es dann so eng zu, daß man den Unterschied zwischen den einzelnen Frequenzen unter Umständen nicht mehr wahrnehmen kann! Wer Zeit und Lust hat, kann einen solchen C-Switch aufbauen und sich das Resultat anhören. Man kann aber auch dem Onkel glauben, denn er ist ein guter Onkel, der weiß, daß es so keinesfalls optimal ist!

So, das war die Sache mit "wo der Berg" steht. Daß alle Berge gleich hoch sein sollen, ist wohl klar, aber wie hoch dürfen sie denn sein? Nach Belieben oder gibt es da eine Grenze, die man besser nicht überschreiten sollte?

Tja, eine solche Grenze gibt es tatsächlich, denn der Berg wird aus elektrotechnischen Gründen immer schmaler, je höher er ist. Lemme hat seinerzeit dargelegt, daß eine Güte von mehr als 2 (6dB) anfängt "spitz" zu klingen und der Onkel unterstützt diese Aussage aus eigener Erfahrung! Das Ganze wird dann auch schnell etwas "dünn", da das Amplitudenverhältnis von hohen Frequenzen zu tiefen Frequenzen zu groß wird. Es entsteht dann leicht der Eindruck, daß die Bässe fehlen würden, was so natürlich nicht stimmt, da ja die hohen Frequenzen überbetont werden. Für den entstehenden Klangeindruck ist es jedoch egal, ob man die Bässe absenkt oder die Höhen anhebt. Entscheident ist der "Abstand"!

Diese 6dB-Grenze ist jedoch nicht besonders scharf, da jeder Mensch etwas anders hört. Wenn die Güte denn 2,1 beträgt wird wohl auch noch niemand "tot umfallen". Man sollte es jedoch nicht übertreiben!

Die meisten Magnettonabnehmer erreichen mit den üblichen Beschaltungen Güten, die in der Regel deutlich kleiner als 2 sind. Je nach Anschlußkabel ist es bei der Stratocaster ungefähr 1,8 (4,9dB). Die mit Humbuckern bestückte Les Paul erreicht diesen Wert nur dank der Potentiometer mit einem Kennwiderstand von 500kOhm. In der Schaltung der Stratocaster wäre mit den Humbuckern schon bei 1,25 (1,4dB) Schluß.

Fazit: Für eine ideale Resonanzverschiebung mit Hilfe einer veränderlichen Lastkapazität müssen die einzelnen Kapazitätsstufen eine geometrische Folge bilden! Die Güte sollte so eingestellt werden, daß ein Wert von 2 nach Möglichkeit nicht signifikant überschritten wird!

(Weiter im nächsten Beitrag)
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3. Real ist nicht ideal

In der 4. Auflage seines Buches "Elektro Gitarren"zeigt Helmuth Lemme auf Seite 148 einen siebenstufigen C-Switch für den Einsatz in der Stratocaster mit folgenden Werten: C1=1nF, C2=1,5nF, C3=2,2nF, C4=3,3nF, C5=4,7nF, C6=6,8nF und C7=10nF. Gleichwohl im Beispiel der C-Switch eine Tonblende ersetzte, kombinieren wir ihn mit der Standardschaltung der Stratocaster. Der Schalter wird auf acht Positionen erweitert, damit die Lastkapazität auch ausgeschaltet werden kann (CL0=0). Hier ist das Schaltbild:

Zur Berechnung der Amplitudengänge kommt des Onkels Simulator, zum Einsatz. Die Simulation selber basiert auf dem folgenden Modell:

In der Ersatzschaltung wird der Magnettonabnehmer durch die Spannungsquelle U0, die Spuleninduktivität Ls, den Gleichstromwiderstand Rs und die Wicklungskapazität Cs modelliert. Diese Bestandteile wurden in Blau gezeichnet. Der C-Switch wird durch den Lastkondensator CL (rot) dargestellt, der parallel zur Wicklungskapazität Cs und der Tonblende liegt. Die Tonblende (engl. Tone) wird durch die Bauelemente PT, RT und CT repräsentiert, wobei RT in den meisten Schaltungen einen Wert von 0 hat und darum weggelassen wird. Die Lautstärkeeinstellung aus dem als Spannungsteiler geschalteten Potentiometer PV. Beide Schaltungsteile wurden in Grün dargestellt. Die externe Belastung wird durch die Kabelkapazität CK=700pF, den Eingangswiderstand des Verstärkers Rin=1MOhm und seiner Eingangskapazität Cin=0 gebildet.

Mit dieser passiven Ersatzschaltung läßt sich das elektrische Übertragungsverhalten fast jede Elektrogitarre beschreiben. Das Übertragungsverhalten selber ist der Quotient aus den Spannungen Uout und U0. Aus ihm wird durch Betragsbildung der sogenannte Amplitudengang erzeugt, der dann in doppeltlogarithmischer Form grafisch dargestellt wird.

Als Grundlage für die ersten Simulationen soll der bekannte Stratocastertonabnehmer dienen, dessen Werte Helmuth Lemme bereits 1977 veröffentlichte: Ls=2.2H, Cs=110pF, Rs=5.7kOhm. Dazu kommen die für die Strat typischen Werte für Potentiometer und Tone-Kondensator: PT=250kOhm, CT=22nF, RT=0Ohm, PV=250kOhm. Die Charakteristik der Potentiometer ist logarithmisch mit einer üblichen Progression von 20%. Weitere Informationen zur Charakteristik von Potentiometern sind im Artikel "Potentiometer-Grundlagen" nachzulesen.

So, genug von der staubtrockenen Elektrotechnik. Schau'n wir einfach mal nach, wie es "klingt". Hier sind die acht Amplitudengänge für alle Stellungen des C-Switch bei voll aufgedrehter Tonblende (Tone):

Was fällt auf? Nun, die Berge verteilen sich recht gleichmäßig. 1:0! Lediglich bei den oberen Resonanzfrequenzen ist die Verteilung nicht ganz optimal. Das mag der Tatsache geschuldet sein, daß hier Kapazitätswerte aus der E6-Reihe verwendet wurden. Nutzt man die E12-Reihe und optimiert die Stufung ein wenig, dann erhält man das rechte Bild.

Trägt man die Resonanzfrequenzen über der Schaltstufe auf, dann entsteht so etwas wie eine Linearitätskurve:

Links ist ein deutlicher Knick zu erkennen, der auf eine nicht ganz so optimale Kapazitätsstufung hinweist. Die Linearität der optimierten Stufung (rechts) ist dagegen wesentlich besser und sieht fast aus, wie mit dem Lineal gezogen.

Mehr noch als die gleichmäßige Verteilung der Resonanzfrequenzen fällt die unterschiedliche Güte in beiden Diagrammen von Abbildung 8 auf. Hier sind wir vom Ideal doch ein deutliches Stück entfernt. Daß die Güte teilweise die 6dB-Grenze etwas überschreitet, soll hier nicht nachteilig gewertet werden. Aber trotzdem steht es jetzt nur noch 1:1!

Verbindet man alle möglichen Resonanzspitzen miteinander, so erhält man ein Art Hüllkurve, die den Verlauf der Güte des belasteten Tonabnehmers für verschiedenen Resonanzfrequenzen darstellt:

Der Verlauf dieser (berechneten) Kurve hängt im Wesentlichen von der Induktivität des Tonabnehmers, seinem Gleichstromwiderstand und dem ohmschen Lastwiderstand (hier die Parallelschaltung aus PV und Rin) ab. Egal, wie die durch CL realisierte kapazitive Last auch aussehen mag, diese Grenze kann die Güte nicht überschreiten! In der Praxis tritt jedoch nur der blau gezeichnete Teil der Kurve in Erscheinung, denn Resonanzspitzen mit weniger als 0dB gibt es nicht! Weitere Details dazu sind in Kapitel 3.24 von Guitar-Letter II zu finden.

Was wird wohl geschehen, wenn wir unseren einfachen C-Switch in eine Les Paul einbauen? Also her mit dem Simulator. Aber vorher tauschen wir die Potentiometer gegen solche mit einem Kennwiderstand von 500kOhm. Der Gibson-Humbucker P-490R hat folgende Daten: Ls=5,15H, Cs=76,4pF und Rs=8,08kOhm.

Klar, größere Induktivität heißt kleinere Resonanzfrequenz. Alle Resonanzen haben sich also nach Links verschoben. Bei der Verteilung hat sich nichts verändert und auch die unterschiedlichen Güten mit der bekannten Hüllkurve sind deutlich zu erkennen. Allerdings ist die Güte mit einem Wert bis zu 2,55 (7,9dB) stellenweise doch deutlich zu groß!

Jetzt wieder zurück zur Stratocaster und nehmen ein anderes Kabel mit nur 400pF bekommt:

Tja, was soll man sagen? Die Resonanzen folgen der bekannten Hüllkurve und die Resonanzen sind nach Rechts verschoben. Der Grund ist auch klar: Es fehlen 300pF. Die kapazitive Last des Tonabnehmers hat sich also verringert und damit steigt die Resonanzfrequenz natürlich an.

Aber Moment mal! Da haben sich doch nicht alle Resonanzen verschoben! In beiden Diagrammen liegt die tiefste Resonanz bei gut 1kHz. Wo ist denn da die erwartete Verschiebung geblieben?

Wenn man jedoch genauer hinsieht, entdeckt man doch noch eine Verschiebung. Sie fällt aber vergleichsweise gering aus, da diese Resonanz hauptsächlich durch eine Kapazität von 10nF erzeugt wird. Die Verringerung der kapazitiven Last um 300pF stellt jedoch nur eine Änderung von 3% dar. Deshalb ist die Verschiebung nur so gering!

Damit hätten wir den einfachen C-Switch als Resonanzschalter schon recht gut abgehandelt. Fassen wir unsere Erkenntnisse kurz zusammen:

• Solange die Kapazitätsstufung geometrisch erfolgt und der Unterschied zwischen der kleinsten und der größten Kapazität groß genug ist, wird man immer einen Klangunterschied wahrnehmen.
• Die möglichen Klangeinfärbungen hängen von den elektrischen Daten der einzelnen Elektrogitarre und dem verwendeten Instrumentenkabel ab. Der C-Switch "klingt" also in jedem Instrument etwas anders. Ob einem das im konkreten Fall gefällt... Nun ja, Klangempfinden ist eine sehr subjektive und persönliche Sache...
• Die einzelnen Güten sind immer unterschiedlich. Ihre Werte hängen in erster Linie vom Tonabnehmer und seiner ohmschen Belastung ab.

Einen "Standard-C-Switch" kann man also durchaus verwenden. Wie das klangliche Ergebnis im eigenen Instrument jedoch aussieht, läßt sich so nicht ohne weiteres vorhersagen. Ob einem die einzelnen Schaltpositionen klanglich zusagen, ist eine Frage des persönlichen Geschmacks. Tritt jedoch eine unglückliche Kombination der elektrischen Daten auf, bei der zum Beispiel eine übergroße Güte entsteht, dann heißt es wieder: "C-Switch, Lastkondensator - Alles Quatsch! Ich kauf' mir jetzt 'nen neuen Tonabnehmer!"

Da gibt es also durchaus noch etwas zu verbessern, aber das machen wir in ein paar Tagen. Jetzt ist Pause für die "Birne"!

Ulf

(Weiter geht es in ein paar Tagen)

(Der vollständige und stets aktuelle Artikel ist immer in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)

Dem kann der Onkel (ausnahmsweise) mal nichts hinzufügen oder gar nörgeln. Also, da sprichst Du wahr!

Aber es geht ja noch weiter. Nur Geduld!

Ulf