Der WILDCAT Bassman Plus (PDF, 7,2 MB) - EMSP
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN PLUS<br />
Von Jorgos Estrella, Sebastian Gonzales, Markus Haag, Thomas Schmidt und Henry Westphal<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A<br />
<strong>Der</strong> FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A ist DER Gitarrenverstärker schlechthin, er ist bis heute die absolute<br />
Referenz für Gitarrenverstärker überhaupt.<br />
So ist er der bevorzugte Verstärker von Stevie Ray Vaughan, Buddy Guy, B.B.King, T-Bone Walker, Jeff<br />
Beck und vielen anderen bekannten Gitarristen.<br />
Die Markteinführung war 1959, jedoch als Bassverstärker für E-Bass und Kontrabass. Seine untere<br />
Grenzfrequenz beträgt jedoch 90 Hz, das ist über eine Oktave über der unteren Hörgrenze von 40 Hz.<br />
Das ist ein sehr hoher Wert für einen Bassverstärker, stellte aber 1959 die Grenze des technisch<br />
Machbaren dar.<br />
Bald war jedoch mit Nachfolgemodellen eine tiefere Grenzfrequenz möglich. Daraus folgte die<br />
schnelle "Weitergabe" der 5F6-A-Verstärker an Gitarristen, die dann schnell den besonderen Klang<br />
entdeckten.<br />
Die Produktion des 5F6-A wurde bereits 1961 wieder eingestellt.<br />
Die Schaltung des 5F6-A wurde bis heute tausendfach kopiert. Die bekannteste Kopie ist der Marshall<br />
JTM-45. Auch alle auf ihn folgenden Marshall-Verstärker basierten auf dem FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A.<br />
Die frühen Marshall-Verstärker klingen jedoch, trotz identischer elektrischer Schaltung, anders als der<br />
FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A, da diese eine geschlossene Lautsprecherbox besitzen, während die Box des<br />
FENDER <strong>Bassman</strong> hinten offen ist. <strong>Der</strong> versuchsweise Anschluß einer Marshall-Box an unseren<br />
<strong>Bassman</strong>-Prototyp erbrachte dann auch sofort den typischen „Marshall-Sound“<br />
<strong>Der</strong> FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> legendäre, durch den FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A geprägte Gitarrensound ist also unbeabsichtigt ,<br />
durch einen Zufall der Geschichte, entstanden.<br />
Die eigentlich vorgesehene Anwendung des FENDER <strong>Bassman</strong> als Bassverstärker: Bill Black und Elvis<br />
Presley Live on Stage 1956, Bill Black spielt über ein frühes <strong>Bassman</strong>-Modell Kontrabaß. Quelle:<br />
www.scottymoore.net<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Das innovative, schaltungstechnische Moment des FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A war die erstmalige<br />
Verwendung einer Phasenumkehrstufe in Differenzverstärkertechnik ("Long Tail") bei<br />
Instrumentalverstärkern. Diese Stufe trägt wesentlich zu der den Klang des <strong>Bassman</strong> prägenden<br />
besonderen Charakteristik der Endstufenverzerrung bei.<br />
Das folgende Bild zeigt das „Innenleben“ eines FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A, der jedoch nachträglich mit<br />
einer zusätzlichen Modifikation versehen wurde.<br />
<strong>Der</strong> FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A von Innen, mit einer nachträglich eingebauten Modifikation<br />
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<strong>Der</strong> FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A: <strong>Der</strong> Verstärker von Hank Garland<br />
<strong>Der</strong> Gitarrist Hank Garland wurde bereits im Kapitel „Einführung“ erwähnt.<br />
Er ist einer der meistgehörtesten und einflußreichsten Gitarristen überhaupt, auch wenn sein Name in<br />
der breiten Öffentlichkeit kaum bekannt ist.<br />
Hank Garland hat mehr im Hintergrund als Session-Gitarrist in Nashville gewirkt. Hierbei hat er auch<br />
über einen FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A gespielt.<br />
Hank Garland lebte von 1930 bis 2004. 1949 brachte er im Alter von 19 Jahren seinen ersten<br />
Millionseller, das Instrumental "Sugar Foot Rag" heraus. Von 1950 bis 1961 wirkte er als gefragter<br />
Studio-Gitarrist in Nashville bei vielen Welthits mit. Er spielte bei Aufnahmesessions mit Elvis Presley, Roy<br />
Orbison, den Everly Brothers, Patsy Cline und vielen anderen Künstlern eine bedeutende Rolle.<br />
Parallel dazu begann er eine zweite Karriere als Jazz-Gitarrist in New York, er spielt gemeinsam mit<br />
Charlie Parker und nimmt etliche Jazz-Platten auf.<br />
1961 endet seine Karriere auf tragische Weise. Hank Garland wird bei einem Autounfall<br />
lebensgefährlich verletzt und fällt ins Koma. Er erwacht nach einiger Zeit, hat aber einen Großteil<br />
seiner motorischen Fähigkeiten für immer eingebüßt. Ein Jahrhunderttalent ging damit verloren.<br />
Hank Garland und Elvis Presley live on Stage<br />
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Die bekannteste Aufnahme, die Hank Garland mit dem FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A gespielt hat ist "Little<br />
Sister" mit Elvis Presley. <strong>Der</strong> Song wurde 1961 im RCA-Studio B in Nashville aufgenommen.<br />
Hierzu ist das folgende Zitat überliefert:<br />
"That's the late great Hank Garland who played the lead guitar that drives Elvis' "Little Sister", with<br />
Scotty Moore on rhythm guitar. For the session, Mr. Garland wasn't satisfied with the sound of his<br />
usual Gibson ES-355, or the Byrdland that he helped design with Billy Byrd, so he borrowed Harold<br />
Bradley's brand new 1961 Fender Jazzmaster (white cream colored). It was after 4:00 a.m.,<br />
following the recording of "(Marie's the name) His Latest Flame", when they began cutting "Little<br />
Sister". Hank "Sugarfoot" Garland plugged the Jazzmaster into an old Fender (tube) tweed <strong>Bassman</strong><br />
amp and cranked the volume way up, as he improvised the song's distinctive lick on the spot.<br />
According to engineer Bill Porter, it was the loudest he ever heard a guitar played in RCA's studio in<br />
Nashville. By take 4 of the song, they nailed it to Elvis' satisfaction -- the magic was captured on a 3track<br />
tape machine, with Elvis singing through a Telefunken U-47 microphone, a Neuman KM-46 on<br />
Mr. Garland's <strong>Bassman</strong> amp, and Mr. Porter balancing the levels on the fly!"<br />
Quelle: http://tbgb.nl/guestbook/index.php<br />
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<strong>Der</strong> FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A heute<br />
<strong>Der</strong> FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A ist auch heute noch (oder auch wieder) sehr populär. <strong>Der</strong> Ebay-Preis für<br />
einen Original FENDER-<strong>Bassman</strong> ist im Herbst 2006 in den USA 6000 US$. Alle Originalteile wie<br />
Transformatoren, Röhren und Lautsprecher werden heute noch (oder auch wieder) hergestellt und<br />
sind überraschend einfach zu bekommen.<br />
Es ist zudem hervorragende Dokumentation und Literatur über den FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A<br />
vorhanden. Besonders interessant ist die komplette, tiefgehende Schaltungsanalyse im Buch "The<br />
Fender <strong>Bassman</strong> 5F6-A" von Richard Kuehnel (Verlag Pentode Press) www.pentodepress.com<br />
Das Buch von Richard Kuehnel<br />
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Ein Blick in das Buch von Richard Kuehnel<br />
Auch FENDER selbst hat ein „Reissue“ des <strong>Bassman</strong> 5F6-A herausgebracht. Allerdings handelt es sich<br />
hier nicht um eine exakte Nachbildung, nach Aussagen von dem Verfasser bekannten Musikern ist<br />
das klangliche Ergebnis enttäuschend, offensichtlich wurden aus Gründen der Kosteneinsparung<br />
Kompromisse gegenüber dem Original-<strong>Bassman</strong> gemacht.<br />
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<strong>Der</strong> <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong><br />
In seiner Grundeinstellung stellt der <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> plus eine exakte Entsprechung zum FENDER<br />
<strong>Bassman</strong> 5F6-A dar.<br />
Wir haben jedoch einen (abschaltbaren) Federhall und verschiedene Einschleifschnittstellen<br />
hinzugefügt. Damit ergibt sich eine vielseitige Verwendbarkeit in verschiedenen Musikstilen.<br />
Die zu ihm gehörende , von der Firma TAD speziell angefertigte, Lautsprecherbox mit 10"-Jensen-<br />
Lautsprecher entspricht in ihren akustischen Parametern exakt dem Originalgerät FENDER <strong>Bassman</strong><br />
5F6-A.<br />
<strong>Der</strong> vorliegende Prototyp wurde in Leiterplattentechnik aufgebaut und in einem einfachen<br />
Metallgehäuse untergebracht. Die geplante Weiterentwicklung wird dagegen mit einem dem<br />
Originalgerät entsprechenden Combo-Gehäuse mit Tweed-Finish und in klassischer Handverdrahtung<br />
realisiert.<br />
Auf der folgenden Seite ist der Prototyp des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> abgebildet.<br />
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<strong>Der</strong> fertiggestellte Prototyp des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong><br />
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Die Schaltungsbeschreibung<br />
Die Beschreibung der Originalschaltung<br />
Auf der folgenden Seite ist die Originalschaltung des FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A gezeigt.<br />
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Es stehen vier Eingänge zur Verfügung, jeweils zwei Eingänge sind einer Eingangsstufe zugeordnet,<br />
die Ausgangssignale beider Eingangsstufen werden am Gitter der Treiberstufe summiert.<br />
Die beiden zu einer Eingangsstufe gehörenden Eingänge unterscheiden sich dadurch, daß bei<br />
einem der Eingänge das von der Gitarre kommende Signal mit seinem vollen Pegel an das Gitter der<br />
Eingangsröhre gelangt, während das Signal des anderen Eingangs in seinem Pegel halbiert wird.<br />
Hierbei ist die Funktion der Schaltkontakte der Eingangs-Klinkenbuchsen maßgeblich.<br />
Man erkennt, daß wenn das Gitarrenkabel in den Eingang „1“ gesteckt wird die beiden 68-kOhm-<br />
Widerstände parallelgeschaltet zwischen dem Eingangssignal und dem Gitter liegen, das Signal wird<br />
nicht abgeschwächt, die Widerstände bilden jedoch im Zusammenwirken mit der Miller-Kapazität der<br />
Eingangsstufe einen Tiefpaß, der hochfrequente Störsignale unterdrückt.<br />
Bei Stecken des Gitarrenkabels in den Eingang „2“ arbeiten die beiden 68-kOhm-Widerstände als<br />
Spannungsteiler, der das Eingangssignal um den Faktor 2 herunterteilt. Die auf das Gitter bezogenen<br />
Quellimpedanz des Spannungsteilers entspricht er Parallelschaltung beider Widerstände, so daß sich<br />
die Grenzfrequenz des mit der Miller-Kapazität gebildeten Tiefpasses nicht ändert.<br />
Die masseseitigen Kontakte der Klinkenbuchsen sind im Originalschaltplan nicht eingezeichnet.<br />
Die mit der Röhre 12AY7 aufgebaute Eingangsstufe führt, für beide Eingangskanäle, eine<br />
Spannungsverstärkung durch. Die beiden Eingangskanäle arbeiten mit einem gemeinsamen<br />
Kathodenwiderstand zur Gittervorspannungserzeugung.<br />
Die Ausgangssignale der Eingangsstufe gelangen über die Lautstärkeregler (VOL. 1M) und die<br />
Summationswiderstände (270K) an das Gitter der mit der Röhre 12AX7 aufgebauten Treiberstufe. <strong>Der</strong><br />
„obere“ Lautstärkeregler ist mit einem Kondensator (0.0001uF) überbrückt, damit ergibt sich bei<br />
kleineren Lautstärken eine Höhenanhebung, daher die Bezeichnung „BRIGHT“ für den „oberen“<br />
Eingang.<br />
In der Treiberstufe findet eine weitere Spannungsverstärkung statt. Das Ausgangssignal der Treiberstufe<br />
gelangt dann an die Kathodenfolgerstufe, die mit dem anderen System der Röhre 12AX7 aufgebaut<br />
ist. Diese Stufe ist ein Impedanzwandler, sie hat eine Spannungsverstärkung von nahe 1. <strong>Der</strong><br />
Ausgangswiderstand dieser Stufe ist sehr gering.<br />
Die Kathodenfolgerstufe steuert, über das zwischengeschaltete Klangregelnetzwerk mit getrennten<br />
Einstellmöglichkeiten für Tiefen (BASS), Mitten (MIDDLE) und Höhen (TREBLE), die Phasensplitterschaltung<br />
an.<br />
Die Phasenspiltterschaltung ist eine Differenzverstärkerstufe, sie verstärkt die Differenz zwischen dem<br />
aus dem Klangregelnetzwerk kommende Eingangssignal und dem vom Lautsprecherausgang<br />
abgenommenen Ausgangssignal. Die Phasensplitterschaltung erzeugt zwei zueinander<br />
komplementäre Ausgänge, die dann die Endröhren der Gegentaktendstufe ansteuern. Die<br />
Phasensplitterschaltung ist mit einer weiteren Röhre 12AX7 aufgebaut. Die Stärke der mit dieser Stufe<br />
erzeugten Gegenkopplung wird mit dem PRESENCE-Potentiometer eingestellt. Dreht man dieses<br />
„ganz nach oben“ ist keine Gegenkopplung mehr vorhanden. Eine Besonderheit ist, daß das zur<br />
Gegenkopplung rückgeführte Signal nicht nur auf das Gitter des „unteren“ Röhresystems wirkt,<br />
sondern auch, durch Einkopplung in den beiden Röhrensystemen gemeinsamen Kathodenpfad,<br />
einen Gleichtaktanteil im Ausgangssignal verursacht, mit dem in der Stufe vorhandene Unsymmetrien<br />
ausgeglichen werden.<br />
Diese Phasensplitterschaltung, in Verbindung mit dem niederohmig angesteuerten, ihr<br />
vorgeschalteten Klangregelnetzwerk, ist das innovative Moment des damaligen FENDER <strong>Bassman</strong><br />
5F6-A, nie zuvor wurde eine derartige Phasenumkehrstufe in einem Gitarrenverstärker verwendet.<br />
Dieser Schaltungsteil ist für den einzigartigen Klang des <strong>Bassman</strong> maßgeblich. Experimente, bei<br />
denen selektiv Vor- oder Endstufenverzerrung herbeigeführt wurde {Master-Volume 1M log zwischen<br />
Klangregelnetzwerk und Phasensplitterstufe) haben gezeigt, daß die besonderen, intensiven,<br />
energiegeladenen Obertöne nur bei Herbeiführung der Endstufenverzerrung entstehen.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> PRESENCE-Regler hat einen erheblichen Einfluß auf das Klangbild, weniger Gegenkopplung führt<br />
zu einem „härteren“, aggressiveren und höhenbetonterem Klang, da sich dann der<br />
Ausgangswiderstand der Endstufe erhöht. Die Impedanz der Lautsprecher steigt bei höheren<br />
Frequenzen an, bei Abwesenheit der Gegenkopplung führt dies zu einer Erhöhung der Spannung<br />
über den Lautsprechern, womit sich dann die beschriebene Akzentuierung der Höhen ergibt.<br />
Die Gegentakt-Endstufe, aufgebaut mit zwei Röhren 5881, stellt die Ausgangsleistung von ca. 40W<br />
bereit. <strong>Der</strong> Ausgangsübertrager paßt den hochohmigen Ausgangswiderstand der Röhrenstufe an die<br />
2 Ohm-Lastimpedanz der vier parallelgeschalteten 10“-Lautsprecher an. <strong>Der</strong> Grund für diese<br />
ungewöhnliche Konfiguration ist die Dämpfung von Resonanzen im unteren Baßbereich. Es wurden,<br />
anstelle eines großen Lautsprechers vier kleinere Lautsprecher eingesetzt, die Parallelschaltung dieser<br />
Lautsprecher hat wahrscheinlich eine bessere Resonanzdämpfung als die eher naheliegende<br />
Serien/Parallelschaltung, mit der sich wieder die Impedanz eines einzelnen Lautsprechers von 8 Ohm<br />
ergeben hätte. Die Gittervorspannung für die Endröhren wird aus dem Netzteil zugeführt, die<br />
Schirmgitter sind über zwei Widerstände mit der Spannung +430V verbunden.<br />
Die Gleichrichtung der Anodenspannung geschieht mit einer Gleichrichterröhre GZ34. Die<br />
gleichgerichtete Spannung wird mit den beiden parallelgeschalteten Ladekondensatoren (20uF<br />
600V) geglättet, die Versorgungsspannungen für die Schirmgitter der Endröhren und für die Vor- und<br />
Treiberstufen werden mit einer Siebdrossel weiter geglättet. Es fällt auf, daß die Werte der Lade- und<br />
Siebkondensatoren, für heutige Verhältnisse, recht klein sind. Ausführliche Untersuchungen im<br />
Rahmen dieses Projekts haben gezeigt, daß das Zusammenspiel der durch sie gegebenen<br />
Zeitkonstanten mit dem Innenwiderstand des Netztrafos und der Gleichrichterröhre zu einem ganz<br />
bestimmten „Einbrechen“ der Spannungsversorgung bei Lastsprüngen führt, das für das Klangbild von<br />
entscheidender Wichtigkeit ist.<br />
Wenn man die Höhe dieses Spannungseinbruchs durch Stabilisierungsmaßnahmen reduziert, dann<br />
führt dies zum Verlust der „Leichtigkeit“ (Touch Sensitivity) des Klangs, das Spielen ermüdet dann<br />
schnell. Auch die Entfernung des auf der Anodenversorgung der Endstufe noch vorhandenen 100 Hz-<br />
Brumm bei Beibehaltung der Dynamik des Spannungseinbruchs führte überraschenderweise zu einer<br />
Verschlechterung des Klangbilds, der Klang verliert seine Durchdringungsfähigkeit, seine „Bizzeligkeit“.<br />
Die Gittervorspannung für die Endröhren wird aus einer Anzapfung der Anodenwicklung des Netztrafos<br />
gewonnen und mit einer Halbleiterdiode gleichgerichtet.<br />
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Die Beschreibung der Modifikationen der Originalschaltung beim<br />
<strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong><br />
Diese Beschreibung bezieht sich auf das Schaltbild des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong>.<br />
In seiner Grundeinstellung entspricht der <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> so gut wie vollständig dem FENDER<br />
<strong>Bassman</strong> 5F6-A. Es bestehen lediglich kleinere Abweichungen:<br />
- Die Gittervorspannungen für die Endröhren wurden einstellbar gestaltet. Hierzu wurden die<br />
Potentiometer P2001 und P2002 vorgesehen.<br />
- Parallel zum Lautsprecherausgang wurde ein Widerstand 100 Ohm/3W vorgesehen, um bei einer<br />
Unterbrechung der Lautsprecherzuleitung einen, wenn auch geringen, Sekundärstrom am<br />
Ausgangsübertrager zu ermöglichen um primärseitigen Spannungüberhöhungen im Leerlauffall<br />
entgegenzuwirken.<br />
- Die Null-Ohm-Brücken BR1001 bis BR1004 ermöglichen die Umpolung der Trafo-Primärwicklung<br />
um eine phasenrichtige Gegenkopplung sicherzustellen. Die „richtige“ Belegung der Trafo-<br />
Anschlüsse ist nicht dokumentiert. Es sind entweder BR1001 und BR1004 oder BR1002 und BR1003<br />
bestückt.<br />
Alle im folgenden beschriebenen Modifikationen und Ergänzungen sind abschaltbar. Sie werden<br />
zudem aus einem unabhängigen Netzteil versorgt, so daß die für den Klang sehr wichtige Dynamik<br />
der Anodenversorgungsspannung nicht durch zusätzliche Verbraucher am vorhandenen Netzteil<br />
beeinträchtigt wird.<br />
<strong>Der</strong> Kondensator C1004, der die für die „BRIGHT“-Funktion maßgebliche Höhenanhebung bewirkt ist<br />
über das Relais K1004 schaltbar gemacht worden.<br />
Über das Relais K1005 kann die Federhall-Stufe in den Signalweg zwischen Treiberstufe und<br />
Kathodenfolgerstufe geschaltet werden. Die Schaltung dieser Stufe stammt aus dem FENDER Twin<br />
Reverb. Da sich im Twin Reverb die Klangregelung vor der Hallstufe befindet, wurde diese Möglichkeit<br />
auch hier geschaffen, sie kann über K1002 zwischen Eingangs- und Treiberstufe geschaltet werden.<br />
Da die Hintereinanderschaltung von Zwei Klangregelnetzwerken, auch wenn eines der beiden sich in<br />
Neutralstellung befindet, zu störenden Phasenfehlern führt, wurde die Möglichkeit geschaffen, das<br />
„ursprüngliche“ Klangregelnetzwerk mittels K1006 zu überbrücken.<br />
Die Schaltung der Federhall-Stufe ist in einem separaten Kapitel beschrieben. Im <strong>WILDCAT</strong> Deluxe <strong>Plus</strong><br />
wird eine identische Federhall-Stufe eingesetzt.<br />
Mit K1007 besteht die Möglichkeit, den Ausgang der Hallstufe unter Umgehung des Kathodenfolgers<br />
direkt an den Eingang der Phasensplitterstufe zu schalten. Dies wurde aus experimentellen Gründen<br />
vorgesehen. In der „Normalstellung“ gelangt das Anodenpotential von +180V er Treiberstufe, „an der<br />
Hallstufe vorbei“ über R3002 und R5003 zur Kathodenfolgerstufe, C3004 vermeidet eine ungewollte<br />
wechselspannungsmäßige Verkopplung der ein- und Ausgänge der Hallstufe.<br />
Die Erfahrung hat gezeigt, daß der über K1002 zuschaltbare Klangregler zwischen Eingangs- und<br />
Treiberstufe keinen Nutzen bringt. Die Überbrückung der Kathodenfolger-Stufe bringt dagegen einen<br />
interessanten „Boost“-Effekt, man hat eine starke Endstufenübersteuerung, die sich besonders dafür<br />
eignet, wenn man durchdringungskräftige Soli spielen will.<br />
Weiterhin wurden drei Einschleifpunkte vorgesehen, die in „Normalstellung“ kurzgeschlossen sind. Mit<br />
dem Relais K1001 ist eine Einschleifung vor dem Gitter der Eingangsstufe schaltbar. Mit dem Relais<br />
K1003 ist eine Einschleifung zwischen Eingangs- und Treiberstufe möglich. Mit Relais K1008 ist eine<br />
Einschleifung zwischen Klangregelnetzwerk und Phasensplitterstufe schaltbar.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
In der Praxis hat sich gezeigt, daß insbesondere die Einschleifung direkt vor der Phasensplitterstufe<br />
nützlich ist, man kann an dieser Stelle vorteilhaft das <strong>WILDCAT</strong> Overdrive-Effektgerät einkoppeln. Die<br />
Einschleifung vor der Eingangsstufe zeigte keinen praktischen Nutzen, man kann auch den Ausgang<br />
eines vorgeschalteten Effektgerätes direkt in die Eingangbuchse des Verstärkers stecken.<br />
Bei der Einschleifung zwischen der Eingangs- und der Treiberstufe fehlt ein Kathodenfolger, die<br />
Kapazität des Anschlußkabels würde zu starker Höhendämpfung führen. Daher wurde diese<br />
Einschleifung bisher nicht praktisch genutzt.<br />
Die Relais K1001 bis K3001 werden von an der Frontplatte angebrachten Kippschaltern gesteuert, sie<br />
werden mit der +12V-Hilfsspannung aus dem zusätzlichen Netzteil versorgt, daß auch die Federhall-<br />
Stufe versorgt, dieses Netzteil ist im Kapitel „Federhall“ beschrieben. Ein Durchschalten der an J1014<br />
zur Frontplatte geführten Steueranschlüsse nach Masse führt zum Schalten der Relais.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Analyse der Eingangsstufe<br />
Es soll zunächst der Arbeitspunkt der Eingangsstufe bestimmt werden.<br />
Die Versorgungsspannung der Stufe kann aus dem Original-Schaltplan zu 325V abgelesen werden.<br />
Die beiden Röhrensysteme der 12AY7 besitzen einen gemeinsamen Katodenwiderstand. Da beide<br />
Systeme identisch beschaltet sind, kann man davon ausgehen, daß die durch sie fließenden Ströme<br />
glich groß sind. Daher kann man ein einzelnes Röhrensystem für sich betrachten, wenn man den<br />
dazu Wert des Kathodenwiderstandes verdoppelt. Die so gewonnen Ergebnisse lassen sich dann auf<br />
die miteinander verkoppelten Systeme übertragen.<br />
Zunächst wird die Arbeitsgerade in das Kennlinienfeld eingetragen. <strong>Der</strong> tatsächliche Arbeitspunkt der<br />
Röhre muß auf dieser Gerade liegen.<br />
Hierzu kann der Kathodenwiderstand vernachlässigt werden.<br />
Unter der Annahme einer völlig gesperrten Röhre ergäbe sich ein Strom von 0mA, an der Anode<br />
würde die volle Versorgungsspannung von 325V anliegen.<br />
Unter der Annahme einer kurzgeschlossenen Röhre wäre die Spannung an der Anode 0V, es würde<br />
325V / 100kOhm = 3,25mA fließen.<br />
Die Arbeitsgerade ist dann durch die Punkte (325V / 0mA) und (0V / 3,25mA) definiert.<br />
Auszug Datenblatt 12AY7 von General Electric mit Arbeitsgerade (pink) und Gittergerade (blau)<br />
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<strong>Der</strong> tatsächliche Arbeitspunkt liegt am Schnittpunkt der Arbeitsgeraden und der Gittergeraden. Die<br />
Gittergerade stellt die Abhängigkeit des Spannungsabfalls am Kathodenwiderstand (entspricht hier<br />
der Gittervorspannung) vom Anodenstrom dar. <strong>Der</strong> hier wirksame Kathodenwiderstand ist 2 * 820<br />
Ohm = 1640 Ohm.<br />
Wenn man eine Gitterspannung von –5V (in Bezug auf die Kathode, die gegenüber der Masse positiv<br />
ist) annimmt, dann muß hierbei ein Anodenstrom von 5V / 1640 Ohm = 3,0mA fließen.<br />
Wenn man eine Gitterspannung von –2V annimmt, dann muß hierbei ein Anodenstrom von 2V /<br />
1640 Ohm = 1,2mA fließen.<br />
Die Gittergerade wird zwischen dem Schnittpunkte der Kurve für die Gittervorspannung –5V mit der<br />
3,0mA-Achse und dem Schnittpunkt der Kurve für die Gittervorspannung –2V und der 1,2mA-Achse<br />
aufgespannt.<br />
Es kann nun der folgende Arbeitspunkt abgelesen werden:<br />
- Anodenstrom 1,6mA, hieraus folgt eine Gittervorspannung von 1,6mA * 1640 Ohm = 2,6V<br />
- Anodenspannung 155V => Anodenpotential: 155V + 2,6V = 158V<br />
Die soeben ermittelte Anodenspannung stimmt hinreichend mit der im Originalschaltbild zu<br />
findenden Angabe von 150V überein.<br />
Bei der Betrachtung beider Stufen ist wiederum ein halbierter Kathodenwiderstand bei doppeltem<br />
Strom wirksam, die ermittelten Werte können also einfach für die Betrachtung der tatsächlichen<br />
Schaltung übernommen werden.<br />
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Von dem nun bekannten Arbeitspunkt ausgehend, kann die Verstärkung der Stufe anhand des<br />
entsprechenden Diagramms im Datenblatt abgeschätzt werden. Hierzu wird der Verstärkungsfaktor µ<br />
und der Innenwiderstand rp abgelesen. Hierbei wird auf die Kurvenzüge für eine Anodenspannung<br />
von 150V Bezug genommen.<br />
Auszug Datenblatt 12AY7 von General Electric mit eingezeichneter Abschätzung des<br />
Verstärkungsfaktors und des Innenwiderstands<br />
<strong>Der</strong> Verstärkungsfaktor µ kann mit 45 abgeschätzt werden<br />
<strong>Der</strong> Innenwiderstand rp kann mit 30 kOhm abgeschätzt werden.<br />
Um die Verstärkung der Stufe zu bestimmen, wird das folgende Kleinsignal-Ersatzschaltbild verwendet:<br />
Kleinsignal-Ersatzschaltbild der Stufe<br />
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Die Verstärkung bestimmt sich dann wie folgt:<br />
Diese Formel kann wie folgt anschaulich erklärt werden:<br />
Man geht von einer Modellierung der verstärkenden Funktion der Röhre in Form einer<br />
spannungsgesteuerten Spannungsquelle aus, deren Ausgangsspannung ist dann µ * vi, mit Vi als<br />
Eingangsspannung.<br />
Die damit (theoretisch vorhandene) ausgangsseitige Signalspannung, µ * vi wird durch einen<br />
Spannungsteiler aus rp und Rl heruntergeteilt, bevor man sie tatsächlich abgreifen kann.<br />
Vor Anwendung der Formel muß noch der äußere Widerstand Rl bestimmt werden. Dies ist die<br />
Parallelschaltung des Anodenwiderstandes (100kOhm) und des Lautstärkereglers (1MOhm),<br />
entsprechend 91kOhm, der Einfluß des „Bright“-Kondensators C1004 und des Zweiges über R1010 /<br />
R1012 wird vernachlässigt.<br />
45*<br />
91kΩ<br />
= −<br />
( 91kΩ<br />
+ 30kΩ)<br />
v = -34<br />
<strong>Der</strong> Ausgangswiderstand der Stufe ist rp parallel Rl, das ist 23 kOhm<br />
Mit der nun bekannten Verstärkung der Stufe kann die Miller-Kapazität und damit die Grenzfrequenz<br />
abgeschätzt werden.<br />
Die Kapazität zwischen Anode und Gitter der 12AY7 ist 1,3pF. (Quelle: Datenblatt General Electric)<br />
Es erscheint sinnvoll, die Parallelschaltung einer durch die Verdrahtung entstehenden Kapazität von<br />
1pF anzunehmen. Damit ergibt sich eine Gesamtkapazität von 2,3pF.<br />
Diese Kapazität wird nun um den Faktor (1 - Verstärkung) multipliziert, um die wirksame Miller-Kapazität<br />
zu erhalten. Es ergibt sich ein Wert von 2,3pF * (1 – {- 34}) = 2,3pF * ( 1 + 34) = 81pF.<br />
Diese Kapazität bildet einen Tiefpaß mit den 68kOhm Gittervorwiderständen. Hierbei ist zu beachten,<br />
daß diese entweder parallelgeschaltet sind oder aber als Spannungsteiler wirksam sind, in beiden<br />
Fällen ist der Wert 68kOhm / 2 = 34kOhm als Quellwiderstand wirksam.<br />
Damit ergibt sich eine obere Grenzfrequenz von 60 kHz.<br />
Die untere Grenzfrequenz der Stufe resultiert (näherungsweise) aus der Parallelschaltung des<br />
Kathodenwiderstands (820 Ohm), mit dem Kathodenkondensator (250uF), es folgt eine untere<br />
Grenzfrequenz von 0,8 Hz.<br />
Seite 3-20
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Nun sollen die rechnerisch abgeschätzten und die am Prototyp gemessenen Werte<br />
gegenübergestellt werden:<br />
Wert Wert<br />
Berechnet/angenommen Berechnet/angenommen Gemessen<br />
Versorgungsspannung +325V 325V 350V<br />
Anodenpotential V1001/1 158V 174V<br />
Anodenpotential V1001/6 158V 180V<br />
Kathodenpotential V1001 2,6V 2,9V<br />
Verstärkung (1kHz) 34 29<br />
Obere Grenzfrequenz (-3dB) 60 kHz 60 kHz<br />
<strong>Der</strong> gegenüber der als Grundlage verwendeten Angabe aus dem Schaltbild höhere tatsächliche<br />
Wert der Versorgungsspannung bewirkt eine Verschiebung des Arbeitspunktes zu einem höheren<br />
Anodenstrom hin. Die Abweichungen liegen jedoch trotzdem innerhalb der für Röhrenschaltungen<br />
üblichen Größenordnungen.<br />
Seite 3-21
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Analyse der Treiberstufe<br />
Hier findet sich die Vorgehensweise wieder, die bereits bei der Eingangsstufe angewendet wurde.<br />
Die im Originalschaltbild angegebene Versorgungsspannung der Treiberstufe ist 325V. Auf diesem<br />
Wert beruht die folgende Analyse der Stufe.<br />
Es soll nun der Arbeitspunkt der Treiberstufe bestimmt werden.<br />
Zunächst wird die Arbeitsgerade in das Kennlinienfeld eingetragen. <strong>Der</strong> tatsächliche Arbeitspunkt der<br />
Röhre muß auf dieser Gerade liegen.<br />
Hierzu kann der Kathodenwiderstand vernachlässigt werden.<br />
Unter der Annahme einer völlig gesperrten Röhre ergäbe sich ein Strom von 0mA, an der Anode<br />
würde die volle Versorgungsspannung von 325V anliegen.<br />
Unter der Annahme einer kurzgeschlossenen Röhre wäre die Spannung an der Anode 0V, es würde<br />
325V / 100kOhm = 3,25mA fließen.<br />
Die Arbeitsgerade ist dann durch die Punkte (325V / 0mA) und (0V / 3,25mA) definiert.<br />
Auszug Datenblatt 12AX7 von General Electric mit Arbeitsgerade (pink) und Gittergerade (blau)<br />
Seite 3-22
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> tatsächliche Arbeitspunkt liegt am Schnittpunkt der Arbeitsgeraden und der Gittergeraden. Die<br />
Gittergerade stellt die Abhängigkeit des Spannungsabfalls am Kathodenwiderstand (entspricht hier<br />
der Gittervorspannung) vom Anodenstrom dar. <strong>Der</strong> hier vorhandene Kathodenwiderstand ist 820<br />
Ohm.<br />
Wenn man eine Gitterspannung von –1,5V (in Bezug auf die Kathode, die gegenüber der Masse<br />
positiv ist) annimmt, dann muß hierbei ein Anodenstrom von 1,5V / 820 Ohm = 1,8mA fließen.<br />
Wenn man eine Gitterspannung von –1V annimmt, dann muß hierbei ein Anodenstrom von 1V / 820<br />
Ohm = 1,2 mA fließen.<br />
Die Gittergerade wird zwischen dem Schnittpunkte der Kurve für die Gittervorspannung –1,5V mit der<br />
1,8mA-Achse und dem Schnittpunkt der Kurve für die Gittervorspannung –1V und der 1,2mA-Achse<br />
aufgespannt.<br />
Es kann nun der folgende Arbeitspunkt abgelesen werden:<br />
- Anodenstrom 1,4 mA, hieraus folgt eine Gittervorspannung von 1,4mA * 820 Ohm = 1,15V<br />
- Anodenspannung 180V => Potential der Anode 180V + 1,15V = 181V<br />
Die soeben ermittelte Anodenspannung stimmt mit der Angabe „180V“ im Originalschaltplan<br />
überein.<br />
Von dem nun bekannten Arbeitspunkt ausgehend, kann die Verstärkung der Stufe anhand des<br />
entsprechenden Diagramms im Datenblatt abgeschätzt werden. Hierzu wird der Verstärkungsfaktor µ<br />
und der Innenwiderstand rp abgelesen.<br />
Auszug Datenblatt 12AX7 von General Electric mit eingezeichneter Abschätzung des<br />
Verstärkungsfaktors und des Innenwiderstands<br />
Nachteilig an diesem Diagramm ist, daß die Werte nur für eine Anodenspannung von 100V zur<br />
Verfügung stehen, während die tatsächliche Anodenspannung ca.180V beträgt. Es werden jedoch<br />
die hier abgelesenen Werte verwendet, da die sonst übliche Methode der Bestimmung des<br />
Innenwiderstands mittels Anlegen einer Tangente im Kennlinienfeld ebenfalls fehlerbehaftet ist.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> Verstärkungsfaktor µ kann mit 100 abgeschätzt werden<br />
<strong>Der</strong> Innenwiderstand rp kann mit 56kOhm abgeschätzt werden.<br />
Die Spannungsverstärkung der Schaltung wird mit dem folgenden Kleinsignal-Ersatzschaltbild<br />
genauer bestimmt:<br />
v i<br />
RG<br />
vg<br />
Rk’<br />
R k<br />
rp Ra vo<br />
-<br />
+<br />
i<br />
µ·vg<br />
Das Kleinsignal-Ersatzschaltbild der Kathodynstufe<br />
Es ist hier zu beachten, daß der Kathodenwiderstand nicht durch einen Kondensator überbrückt ist, er<br />
hat somit eine gegenkoppelnde Wirkung.<br />
Wir erhalten für die Spannungen:<br />
( R + R ) ⋅ i − ⋅ v = 0<br />
rp + a k μ g und mit vg vi<br />
− Rk<br />
⋅ i<br />
i<br />
p<br />
μ v<br />
+ R + ( 1+<br />
μ)<br />
R<br />
a<br />
k<br />
= für den Strom:<br />
i<br />
= , mit rp = Ri , = 56kΩ als Innenwiderstand<br />
r<br />
Die Ausgangsspannung ist:<br />
v =<br />
i ⋅ R<br />
o<br />
a<br />
und Ra = 100 kΩ<br />
sowie Rk = 820Ω<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Wenn i mit dem obigen Ausdruck ersetzt wird, dann folgt:<br />
μ v<br />
i<br />
vo =<br />
⋅<br />
rp<br />
+ Ra<br />
+ ( 1+<br />
μ)<br />
Rk<br />
R<br />
a<br />
Die Verstärkung erhält man bei Teilung durch die Eingangsspannung:<br />
v<br />
μ<br />
A =<br />
⋅<br />
v<br />
o =<br />
Ra<br />
i rp<br />
+ Ra<br />
+ ( 1+<br />
μ)<br />
Rk<br />
Nach Einsetzen der Werte erhält man eine Verstärkung von 42 42. 42<br />
Die Ausgangsimpedanz der Stufe ist: R r + ( μ + 1)<br />
[ R ] = 58,<br />
5 Ω<br />
Ro a p<br />
k<br />
= k<br />
Die obere Grenzfrequenz der Stufe wird wie folgt abgeschätzt:<br />
Die Kapazität zwischen Anode und Gitter der 12AX7 ist 1,7pF. (Quelle: Datenblatt General Electric)<br />
Es erscheint sinnvoll, die Parallelschaltung einer durch die Verdrahtung entstehenden Kapazität von<br />
1pF anzunehmen. Damit ergibt sich eine Gesamtkapazität von 2,7pF.<br />
Diese Kapazität wird nun um den Faktor (1 - Verstärkung) multipliziert, um die wirksame Miller-Kapazität<br />
zu erhalten. Es ergibt sich ein Wert von 2,7pF * (1 – {- 42}) = 2,7pF * ( 1 + 42) = 116pF.<br />
Nun muß noch die Quellimpedanz abgeschätzt werden. Wenn beide Lautstärkeregler ganz<br />
heruntergedreht sind, dann ist diese 270kOhm /2 = 135kOhm, womit sich eine –3dB-Grenzfrequenz<br />
von 10kHz ergibt. Wenn die Lautstärkeregler „hochgedreht“ werden, dann reduziert sich die<br />
Grenzfrequenz.<br />
Seite 3-25
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Das folgende Diagramm zeigt den rechnerisch ermittelten Frequenzgang der Eingangs- und der<br />
Treiberstufe bei verschiedenen Einstellungen der Lautstärkeregler. <strong>Der</strong> „Bright-Kanal“ (C1004<br />
zugeschaltet) ist durchgezogen dargestellt. <strong>Der</strong> „Normal“-Kanal ist gestrichelt dargestellt. Das<br />
Diagramm ist dem Buch „The Fender <strong>Bassman</strong> 5F6-A“ von Richard Kuehnel entnommen.<br />
Rechnerisch ermittelter Frequenzgang der Eingangs- und Treiberstufe für verschiedenen<br />
Lautstärkeeinstellungen, mit durchgezogener Linie für den „Bright“-Kanal und mit gestrichelter Linie<br />
für den „Normal“-Kanal. Quelle The Fender <strong>Bassman</strong> 5F6-A“ von Richard Kuehnel<br />
Nun sollen die rechnerisch abgeschätzten und die am Prototyp gemessenen Werte<br />
gegenübergestellt werden:<br />
Wert Wert<br />
Berechnet/angenommen Berechnet/angenommen Gemessen<br />
Versorgungsspannung +325V 325V 352V<br />
Anodenpotential 181V 198V<br />
Kathodenpotential 1,15V 1,25<br />
Verstärkung 42 39,4<br />
Obere Grenzfrequenz (-3dB) 10kHz 13,5 kHz<br />
<strong>Der</strong> gegenüber der als Grundlage verwendeten Angabe aus dem Schaltbild höhere tatsächliche<br />
Wert der Versorgungsspannung bewirkt eine Verschiebung des Arbeitspunktes zu einem höheren<br />
Anodenstrom hin. Die Abweichungen liegen jedoch trotzdem innerhalb der für Röhrenschaltungen<br />
üblichen Größenordnungen.<br />
Seite 3-26
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Analyse der Kathodenfolgerstufe<br />
Zunächst wird der Arbeitspunkt bestimmt.<br />
Die im Originalschaltbild angegebene Versorgungsspannung der Treiberstufe ist 325V. Im vorherigen<br />
Abschnitt wurde ein Potential der Anode der ansteuernden Treiberstufe von 181V abgeschätzt. Auf<br />
diesen Wert beruht die folgende Analyse der Stufe.<br />
Da die Gittervorspannung der Röhre klein gegenüber dem Gitterpotential ist, kann sie vernachlässigt<br />
werden. <strong>Der</strong> Anodenstrom ist dann: 181V / 100kOhm = 1,8 mA.<br />
Von dem nun bekannten Arbeitspunkt ausgehend, kann die Verstärkung der Stufe anhand des<br />
entsprechenden Diagramms im Datenblatt abgeschätzt werden.<br />
Auszug Datenblatt 12AX7 von General Electric mit eingezeichneter Abschätzung des<br />
Verstärkungsfaktors und des Innenwiderstands<br />
Nachteilig an diesem Diagramm ist, daß die Werte nur für eine Anodenspannung von 100V zur<br />
Verfügung stehen, während die tatsächliche Anodenspannung ca. 170V beträgt. Es werden jedoch<br />
die hier abgelesenen Werte verwendet, da die sonst übliche Methode der Bestimmung des<br />
Innenwiderstands mittels Anlegen einer Tangente im Kennlinienfeld ebenfalls fehlerbehaftet ist.<br />
<strong>Der</strong> Verstärkungsfaktor µ kann mit 100 abgeschätzt werden<br />
<strong>Der</strong> Innenwiderstand rp kann mit 50kOhm abgeschätzt werden.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Nun soll die Spannungsverstärkung der Stufe unter Zuhilfenahme des nachfolgend abgebildeten<br />
Kleinsignalmodells bestimmt werden:<br />
Anwenden des Kirchhoffschen Gesetzes liefert:<br />
( rp + Rk<br />
) i = μ ⋅v<br />
g<br />
und mit = v − R i ergibt sich für den Strom:<br />
vg i k<br />
i =<br />
r<br />
p<br />
μ ⋅vi<br />
+<br />
( μ + 1)<br />
Rk<br />
Kleinsignalmodell des Kathodenfolgers<br />
Die Wechselspannungsverstärkung beträgt, unter Vernachlässigung der Impedanz des von dieser<br />
Stufe angesteuerten Klangregelnetzwerkes:<br />
v<br />
A =<br />
v<br />
o<br />
i<br />
= Rki<br />
=<br />
r<br />
p<br />
μR<br />
+<br />
k<br />
( μ + 1)<br />
Die Ausgangsimpedanz der Stufe beträgt:<br />
R<br />
o<br />
⎡ rp<br />
⎤<br />
= Rk<br />
⎢ ⎥ = 540Ω<br />
⎣(<br />
μ + 1)<br />
⎦<br />
R<br />
k<br />
=<br />
0,<br />
984<br />
Die niedrige Ausgangsimpedanz der Stufe wird genutzt um eine Fehlanpassung zwischen der<br />
Treiberstufe und dem Klangregelnetzwerk bzw. der Endstufe zu vermeiden. Das Klangregelnetzwerk<br />
hat im „worst case“ eine Eingangsimpedanz von 46kΩ.<br />
Nun sollen die rechnerisch abgeschätzten und die am Prototyp gemessenen Werte<br />
gegenübergestellt werden:<br />
Wert Wert<br />
Berechnet/angenommen Berechnet/angenommen Gemessen<br />
Versorgungsspannung +325V 325V 352V<br />
Kathodenpotential 181V 198V<br />
Spannungsverstärkung 0,98 Praktisch 1<br />
Seite 3-28
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> gegenüber der als Grundlage verwendeten Angabe aus dem Schaltbild höhere tatsächliche<br />
Wert der Versorgungsspannung bewirkt eine Verschiebung des Arbeitspunktes zu einem höheren<br />
Anodenstrom hin. Die Abweichungen liegen jedoch trotzdem innerhalb der für Röhrenschaltungen<br />
üblichen Größenordnungen.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Analyse der Klangregelnetzwerke<br />
Das folgende, abstrahierte, Schaltbild des Klangregelnetzwerks ist die Grundlage für dessen Analyse.<br />
Die Potentiometer als gewichtete Widerstände dargestellt.<br />
Mit dem Kirchhoffschen Gesetz folgt:<br />
R ( i<br />
= v<br />
1<br />
1 − i2<br />
) + ZC<br />
3(<br />
i1<br />
− i3)<br />
+ cRM<br />
i1<br />
R1 C<br />
( i2<br />
− i1)<br />
+ ZC1i2<br />
+ RTi<br />
2 + Z 2 ( i2<br />
− i3)<br />
= 0<br />
bRBi3 C<br />
+ ( 1−<br />
c)<br />
RM<br />
i3<br />
+ ZC<br />
3(<br />
i3<br />
− i1)<br />
+ Z 2 ( i3<br />
− i2<br />
) = 0<br />
Die Gleichungen werden nach den Stromkomponenten geordnet:<br />
( R = v<br />
1 + cR M + Z C 3 ) i1<br />
+ ( − R1<br />
) i2<br />
+ ( − Z C 3 ) i3<br />
( −R1 ) i1<br />
+ ( R1<br />
+ RT<br />
+ Z C1<br />
+ Z C 2 ) i2<br />
+ ( −Z<br />
C 2 ) i3<br />
= 0<br />
i<br />
( bR + ( 1−<br />
c)<br />
R + Z + Z ) = 0<br />
( −Z C3<br />
) i1<br />
+ ( −Z<br />
C 2 ) i2<br />
+ B<br />
M C 2 C3<br />
i3<br />
In Matrixnotation ergibt sich:<br />
oder<br />
⎡R<br />
+ cRM<br />
+ Z<br />
⎢<br />
⎢<br />
− R1<br />
⎢⎣<br />
− ZC<br />
3<br />
1<br />
− R<br />
− Z<br />
C1<br />
C 2<br />
+ Z<br />
C 2<br />
i<br />
− ZC<br />
3 ⎤⎡i1<br />
⎤ ⎡v<br />
⎤<br />
− Z<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
=<br />
⎢ ⎥<br />
C 2 ⎥⎢<br />
i2<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
⎥<br />
+ ( 1−<br />
c)<br />
R + + ⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
0 ⎥<br />
M ZC<br />
2 ZC<br />
3 i3<br />
⎦<br />
1 C3<br />
1<br />
i<br />
ZI =<br />
V<br />
R + R + Z<br />
T<br />
bR<br />
B<br />
Seite 3-30
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Ströme können durch Multiplikation der obigen Gleichung mit Z-1 berechnet werden.<br />
Z<br />
ZI = Z<br />
−1<br />
−1<br />
I = Z<br />
−1<br />
V<br />
Die Ausgangsspannung vo beträgt:<br />
V<br />
[ bR + ( 1−<br />
c)<br />
R ] i3<br />
vo = cRM<br />
i1<br />
+ aRT<br />
i2<br />
+ B<br />
M<br />
= [ cR aR bR + ( 1−<br />
c)<br />
R ]I<br />
vo M T B<br />
M<br />
−1<br />
[ cR aR bR + ( 1−<br />
c)<br />
R ] Z V<br />
vo = M T B<br />
M<br />
v<br />
o<br />
=<br />
[ cR aR bR + ( 1−<br />
c)<br />
R ]<br />
Die Übertragungsfunktion lautet:<br />
M<br />
T<br />
B<br />
M<br />
Z<br />
−1<br />
⎡vi<br />
⎤<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
0<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
0 ⎥⎦<br />
vo<br />
H ( s)<br />
= = M T B<br />
M<br />
v<br />
i<br />
[ cR aR bR + ( 1−<br />
c)<br />
R ]<br />
Es ist offensichtlich, daß eine „händische“ Analyse hier aufgrund des Rechenaufwands nicht sinnvoll<br />
ist. Mit geeigneter Analysesoftware ist es jedoch auf einfache Weise möglich den Frequenzgang in<br />
dB<br />
20log(|H(j2πf)|)<br />
grafisch darzustellen.<br />
Z<br />
−1<br />
⎡1⎤<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
0<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
0⎥⎦<br />
Hierzu ist z.B. das Programm „Tonestack-Calculator“, zum Download unter<br />
http://www.duncanamps.com/tsc/ verfügbar geeignet.<br />
Durch Doppelclic auf die Bauteile im Schaltbild können deren Werte beliebig geändert werden.<br />
Für das zwischen Eingangs- und Treiberstufe befindliche Klangregelnetzwerk ergeben sich die<br />
folgenden Frequenzgänge:<br />
Seite 3-31
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Frequenzgang des Klangregelnetzwerks zwischen Eingangs- und Treiberstufe<br />
Frequenzgang des Klangregelnetzwerks zwischen Eingangs- und Treiberstufe<br />
Seite 3-32
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Frequenzgang des Klangregelnetzwerks zwischen Eingangs- und Treiberstufe<br />
Frequenzgang des Klangregelnetzwerks zwischen Eingangs- und Treiberstufe<br />
Seite 3-33
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Für das zwischen Kathodenfolger- und Endstufe liegende Klangregelnetzwerk ergeben sich die<br />
folgenden Frequenzgänge:<br />
Frequenzgang des Klangregelnetzwerks zwischen Kathodenfolger- und Endstufe<br />
Frequenzgang des Klangregelnetzwerks zwischen Kathodenfolger- und Endstufe<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Frequenzgang des Klangregelnetzwerks zwischen Kathodenfolger- und Endstufe<br />
Frequenzgang des Klangregelnetzwerks zwischen Kathodenfolger- und Endstufe<br />
Seite 3-35
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Analyse der Phasensplitterstufe<br />
<strong>Der</strong> besseren Übersicht wegen ist die Schaltung der Stufe, unter Weglassung einiger nebensächlicher<br />
Bauteile, hier noch einmal dargestellt.<br />
Eingangssignal<br />
rückgeführtes<br />
Signal<br />
R1029<br />
27K<br />
PRESENCE<br />
5K<br />
Die Phasensplitterstufe<br />
C1009<br />
0.022uF 400V<br />
R1019<br />
10K<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
C1010<br />
0.1uF 200V<br />
C1014<br />
0.1uF 200V<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
R1023<br />
82K<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
+385V<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
R1024<br />
100K<br />
+385V<br />
C1012<br />
0.1uF 600V<br />
C1013<br />
0.1uF 600V<br />
Seite 3-36
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Im ersten Schritt wird der Arbeitspunkt ermittelt.<br />
Da die Schaltung etwas unübersichtlich ist, wird sie zunächst auf ihre Gleichstrompfade reduziert<br />
dargestellt.<br />
R1029<br />
27K<br />
PRESENCE<br />
5K<br />
R1019<br />
10K<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
R1023<br />
82K<br />
+385V<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
R1024<br />
100K<br />
+385V<br />
Reduktion der Schaltung auf ihre Gleichstrompfade<br />
Im nächsten Schritt wird die Schaltung vereinfacht, um nur ein einzelnes Röhrensystem betrachten zu<br />
müssen. Als erster Schritt wird eine Gleichheit der Anodenwiderstände herbeigeführt, für beide<br />
Widerstände wird der Mittelwert beider Widerstandswerte (100K + 82K) / 2 = 91kOhm angenommen.<br />
Die Abweichung zu den „wirklichen“ Widerstandswerten ist mit +/- 10% im Bereich der ohnehin<br />
vorhandenen Toleranzen, ändert also nichts an der Aussagekraft der folgenden Abschätzung.<br />
Weiterhin werden die kathodenseitigen Widerstände zeichnerisch zusammengefasst.<br />
Seite 3-37
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Es ergibt sich dann die folgende zeichnerische Darstellung:<br />
14K2<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
R1023<br />
91K<br />
+385V<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
R1024<br />
91K<br />
+385V<br />
Angleichung der Anodenwiderstände und Zusammenfassung der kathodenseitigen Widerstände<br />
Unter dieser Annahme kann von identischen Anodenströmen in beiden Röhrensystemen der 12AX7<br />
ausgegangen werden. Dann kann man aber, ohne Änderung der Resultate, ein einziges<br />
Röhrensystem betrachten, wenn man die Widerstandswerte im Kathodenzweig verdoppelt, dann<br />
ergeben sich bei halbem Strom nach wie vor die gleichen Spannungen wie bei der tatsächlichen<br />
Schaltung.<br />
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Es ergibt sich die folgende zeichnerische Darstellung:<br />
28K4<br />
R1020<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
940R<br />
R1023<br />
91K<br />
+385V<br />
3 1<br />
Reduktion auf die Betrachtung eines einzelnen Röhrensystems<br />
Man kann die anoden- und kathodenseitigen Widerstände noch zusammenfassen:<br />
R1020<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
940R<br />
R1023<br />
119K4<br />
+385V<br />
3 1<br />
Weitere Zusammenfassung von Widerständen<br />
Nun kann die Arbeitsgerade in das Kennlinienfeld eingetragen werden:<br />
Es wird die im Originalschaltplan eingetragene Versorgungsspannung von +385V als Grundlage<br />
genommen.<br />
Unter der Annahme einer völlig gesperrten Röhre ergäbe sich ein Strom von 0mA, über der Röhre<br />
würde die volle Versorgungsspannung von 385V anliegen.<br />
Unter der Annahme einer kurzgeschlossenen Röhre wäre die Spannung über der Röhre 0V, es würde<br />
385V / (119,4 + 0,94)kOhm = 3,2 mA fließen.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Arbeitsgerade ist dann durch die Punkte (385V / 0mA) und (0V / 3,2mA) definiert.<br />
Auszug Datenblatt 12AX7 von General Electric mit Arbeitsgerade (pink) und Gittergerade (blau)<br />
<strong>Der</strong> tatsächliche Arbeitspunkt liegt am Schnittpunkt der Arbeitsgeraden und der Gittergeraden. Die<br />
Gittergerade stellt die Abhängigkeit des Spannungsabfalls am Kathodenwiderstand (entspricht hier<br />
der Gittervorspannung) vom Anodenstrom dar. <strong>Der</strong> hier vorhandene Kathodenwiderstand ist 940<br />
Ohm.<br />
Wenn man eine Gitterspannung von –1,5V (in Bezug auf die Kathode, die gegenüber der Masse<br />
positiv ist) annimmt, dann muß hierbei ein Anodenstrom von 1,5V / 940 Ohm = 1,6mA fließen.<br />
Wenn man eine Gitterspannung von –1V annimmt, dann muß hierbei ein Anodenstrom von 1V / 940<br />
Ohm = 1,06 mA fließen.<br />
Die Gittergerade wird zwischen dem Schnittpunkte der Kurve für die Gittervorspannung –1,5V mit der<br />
1,6mA-Achse und dem Schnittpunkt der Kurve für die Gittervorspannung –1V und der 1,06 mA-Achse<br />
aufgespannt.<br />
Es kann nun der folgende Arbeitspunkt abgelesen werden:<br />
- Anodenstrom 1,5 mA<br />
- Anodenspannung 210V<br />
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Hieraus können nun die Potentiale der Röhrenanschlüsse in der tatsächlichen Schaltung<br />
rückgerechnet werden:<br />
Gitterpotential: 1,5mA * 28,4kOhm = 42,6V<br />
Anodenpotential: 385V – (1,5mA * 91K) = 249V<br />
Das Kathodenpotential ist dann das Gitterpotential plus die aus dem Kennlinienfeld abgelesene<br />
Gittervorspannung von 1,4V, das ist dann 42,6V + 1,4V = 44V.<br />
Hier fallen Unterschiede zu den Spannungsangaben im Originalschaltplan auf:<br />
Das Kathodenpotential ist mit +34V angegeben, das hier abgeschätzte Kathodenpotential liegt mit<br />
42,6V um 25% darüber. Es fällt aber ins Auge, daß das Potential am Verbindungspunkt der<br />
Gitterableitwiderstände mit 32,5V angegeben ist, während das Potential an den Gitteranschlüssen<br />
mit 22 bzw. 23B angegeben ist. Hier kann es sich nur um einen Meßfehler aufgrund des<br />
Innenwiderstandes des verwendeten Voltmeters handeln.<br />
In dem Buch „The Fender <strong>Bassman</strong> 5F6-A“ von Richard Kuehnel wurde, unter Angleichung der<br />
Anodenwiderstände auf den Wert 100kOhm, ein Anodenstrom von 1,44mA abgeschätzt, womit sich<br />
dann ein Kathodenpotential von 40,9V ergäbe.<br />
Es besteht also Konsistenz zwischen der theoretischen Betrachtung von uns und von Kuehnel, aber<br />
ein Widersprich zu den Spannungsangaben im Schaltbild.<br />
Am Prototyp wurden die folgenden Meßergebnisse ermittelt:<br />
Versorgungsspannung: ca. 388V unsere Annahme: 385V<br />
Kathodenpotential: ca. 44V unsere Berechnung : 44V<br />
Anodenpotentiale: ca. 255V unsere Berechnung : 249V<br />
Es ist damit eindeutig, daß die Spannungsangaben im Originalschaltplan unrichtig sind!<br />
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Von dem nun bekannten Arbeitspunkt ausgehend, kann die Verstärkung der Stufe anhand des<br />
entsprechenden Diagramms im Datenblatt abgeschätzt werden. Hierzu wird der Verstärkungsfaktor µ<br />
und der Innenwiderstand rp abgelesen.<br />
Auszug Datenblatt 12AX7 von General Electric mit eingezeichneter Abschätzung des<br />
Verstärkungsfaktors und des Innenwiderstands<br />
Nachteilig an diesem Diagramm ist, daß die Werte nur für eine Anodenspannung von 100V zur<br />
Verfügung stehen, während die tatsächliche Anodenspannung ca. 205V beträgt. Es werden jedoch<br />
die hier abgelesenen Werte verwendet, da die sonst übliche Methode der Bestimmung des<br />
Innenwiderstands mittels Anlegen einer Tangente im Kennlinienfeld ebenfalls fehlerbehaftet ist.<br />
<strong>Der</strong> Verstärkungsfaktor µ kann mit 100 abgeschätzt werden<br />
<strong>Der</strong> Innenwiderstand rp kann mit 50kOhm abgeschätzt werden.<br />
Nun soll er Verstärkungsfaktor für den Fall abgeschätzt werden, daß beide Anodenwiderstände nach<br />
wie vor den Wert 91kOhm besitzen. Es wird zunächst wieder nur ein einzelnes Röhrensystem<br />
betrachtet. Es wird zunächst unterstellt, daß sich das Kathodenpotential nicht ändert, man kann das<br />
mit einer kapazitiven Überbrückung der Kathodenwiderstände modellieren. Es wird später gezeigt,<br />
daß diese, zunächst unsinnig scheinende, Annahme bei der Hinzunehme der Betrachtung des<br />
zweiten Röhrensystems Sinn ergibt.<br />
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Man erhält die folgende zeichnerische Darstellung:<br />
Vin<br />
28K4<br />
R1020<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
940R<br />
R1023<br />
91K<br />
+385V<br />
Erster Ansatz zur Berechnung der Verstärkung<br />
3 1<br />
Vout<br />
Im bestimmten Arbeitspunkt ergibt sich, unter Vernachlässigung der Gitterableitwiderstände der<br />
Endstufe:<br />
μ * Ra<br />
v = −<br />
( R + R )<br />
a<br />
100 * 91kΩ<br />
= −<br />
( 91kΩ<br />
+ 50kΩ)<br />
i<br />
v = -64,5<br />
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Wenn man nun das zweite Röhrensystem hinzunimmt und dieses betragsgleich und gegenphasig<br />
ansteuert, dann ergibt sich die folgende zeichnerische Darstellung:<br />
-<br />
Vin<br />
+<br />
+ -<br />
Vin<br />
14K2<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
R1022<br />
470R<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
R1023<br />
91K<br />
R1024<br />
91K<br />
+385V<br />
8<br />
6<br />
+385V<br />
Hinzunahme des zweiten Röhrensystems<br />
2<br />
3 1<br />
Vout 1<br />
Vout 2<br />
Die vorhin gedachten Kondensatoren wurden wieder weggenommen. Es soll nun begründet werden,<br />
daß das Kathodenpotential (in der Theorie, unter der Voraussetzung exakter Symmetrie beider Zweige<br />
der Schaltung und bei absolut linearen Ug/Ia-Kennlinien) auch ohne diese Kondensatoren konstant<br />
bleibt.<br />
Gehen wir vom Nulldurchgang der ansteuernden Spannung aus. Es ist sofort offensichtlich, daß sich<br />
dann am den Kathoden das bereits bestimmte Ruhepotential einstellt. Wenn nun die<br />
Ansteuerspannung des „oberen“ Röhrensystems um einen bestimmten Betrag positiver wird, dann<br />
wird die Ansteuerspannung des „unteren“ Röhrensystems zeitgleich um exakt den gleichen Betrag<br />
negativer. Es ist sofort offensichtlich, daß sich diese entgegengesetzt wirkenden Einflüsse in Bezug auf<br />
das Kathodenpotential gegenseitig aufheben.<br />
Das Kathodenpotential bleibt also (theoretisch) bei der beschriebenen gegenphasigen Ansteuerung<br />
zeitlich konstant.<br />
Auf die „obere“ Triode wirkt die Eingangsspannung Vin, damit ergibt sich an ihrer Anode die<br />
Ausgangsspannung –V* Vin = -64,5 * Vin.<br />
Auf die „untere“ Triode wirkt die Eingangsspannung -Vin, damit ergibt sich an ihrer Anode die<br />
Ausgangsspannung –V* Vin = 64,5 * Vin.<br />
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Ohne Änderung der elektrischen Eigenschaften der beschriebenen Schaltung kann die ansteuernde<br />
Spannungsquelle auch potentialfrei wirken:<br />
-<br />
+<br />
Vin<br />
-Vin<br />
+<br />
-<br />
14K2<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
R1023<br />
91K<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
+385V<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
R1024<br />
91K<br />
+385V<br />
Vout 1<br />
Vout 2<br />
Andere Darstellung der Eingangsspannungsquelle<br />
Es ist jedoch offensichtlich, daß man dann auch eine einzige Spannungsquelle mit der Spannung<br />
2Vin zeichnen könnte. Diese wirkt dann als differentielle Ansteuerung.<br />
Man erhält dann die folgende Verstärkung von der differentiellen Eingangsspannung zu den<br />
jeweiligen , auf Masse bezogenen Ausgangsspannungen:<br />
V = Vin / Vout = 2 * Vin / 64,5 Vin = 32,2<br />
Dieser Wert stimmt mit dem von Kuehnel (Seite 88) ermittelten Wert von 32 sehr gut überein, obwohl<br />
Kuehnel einen völlig anderen, sehr viel aufwendigeren Rechenweg über eine Matritzengleichung<br />
benutzt.<br />
Nun soll untersucht werden, wie sich die in der Realität vorhandene Krümmung der Kennlinien<br />
auswirkt. Nehmen wir an der Momentanwert der Ansteuerspannung sei in der Nähe ihres<br />
Scheitelwerts, dann sei das Gitter der oberen Triode im Vergleich zum Ruhepotential bereits sehr<br />
positiv, während das Gitter der unteren Triode bereits sehr negativ ist. Eine weitere betragsgleiche Zubzw.<br />
Abnahme der Gitterpotentiale führt dann, aufgrund der Krümmung der Kennlinie, zu ungleichen<br />
Zu- bzw. Abnahmen des Anodenstroms in beiden Trioden.<br />
Die Zunahme des Stromes in der „oberen“ Triode sei größer, als die Abnahme des Stromes in der<br />
„unteren“ Triode. Damit nimmt die Summe des Stroms durch beide Röhren zu. Das führt aber zu einer<br />
Anhebung des Kathodenpotentials. Damit wird die resultierende Ansteuerspannung der „oberen“<br />
Triode kleiner, während sie bei der „unteren“ Triode zunimmt. <strong>Der</strong> Aufsteuerung der „oberen“ Triode<br />
wird entgegengewirkt, dem Sperren der „unteren Triode wird ebenfalls entgegengewirkt, womit das<br />
Kathodenpotential wiederum nicht übermäßig ansteiget. Die Zusammenschaltung der beiden<br />
Seite 3-45
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Röhrensysteme stellt also eine starke Gegenkopplung für alle Einflüsse, die in beiden Zweigen<br />
gleichermaßen vorhanden sind dar, während auf die Zweige unterschiedlich wirkende Einflüsse<br />
verstärkt am den Ausgängen erscheinen.<br />
Bei einer unsymmetrischen Ansteuerung beider Trioden stellt sich (theoretisch) der Mittelwert des<br />
Momentanwerts beider Steuerspannungen zuzüglich des Ruhepotentials als Kathodenpotential ein.<br />
Nun stellt sich die Frage, wie die Schaltung auf ein Ansteuersignal reagiert, daß auf beide Eingänge<br />
gleichermaßen wirkt. Man denke sich hierzu beide Eingänge der Schaltung miteinander verbunden:<br />
-<br />
Vin<br />
+<br />
14K2<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
R1023<br />
91K<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
R1024<br />
91K<br />
+385V<br />
+385V<br />
Vout 1<br />
Vout 2<br />
Schaltung zur Untersuchung der Gleichtaktverstärkung<br />
Wenn die Ansteuerspannung positiver wird, dann führt dies zu einer Anhebung des Katodenpotentials,<br />
damit nimmt die Summe des Stromes durch beide Trioden gleichermaßen zu. Das bewirkt eine<br />
identische Abnahme des Anodenpotentials beider Trioden.<br />
Es sei, im Hinblick auf andere mögliche Anwendungen der Schaltung, bemerkt, daß die differentiell<br />
abgenommene Ausgangsspannung, also die Spannung zwischen beiden Ausgängen auch im Zuge<br />
dieses Vorgangs Null bleibt.<br />
Es ist zudem, ebenfalls im Hinblick auf andere Anwendungen, sofort offensichtlich, daß dann, wenn<br />
anstelle des kathodenseitigen Widerstandes eine Stromquelle wirksam wäre, die stets eine konstante<br />
Summe des Stromes durch beide Trioden erzwingt, ein derartiges Signal nicht an den Ausgängen<br />
wirksam wäre.<br />
Unter der nach wie vor gültigen Annahme der Symmetrie kann die weitere Untersuchung wieder an<br />
einem einzelnen Röhrensystem erfolgen, dessen kathodenseitige Widerstandswerte gedoppelt<br />
werden.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Es wird davon ausgegangen, daß der Presence-Regler voll „heruntergedreht“ ist, also die<br />
Gegenkopplung voll wirksam ist, sich der Wert des Potentiometers also zum kathodenseitigen<br />
Widerstand hinzugerechnet werden kann.<br />
Es ergibt sich die folgende zeichnerische Darstellung:<br />
-<br />
Vin<br />
+<br />
28K4<br />
R1020<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
940R<br />
R1023<br />
91K<br />
+385V<br />
3 1<br />
Vout 1<br />
Rückführung der Gleichtaktverstärkung auf ein Röhrensystem<br />
In Bezug auf den kathodenseitigen Anschluß von R1022 arbeitet die Schaltung als Kathodenfolger, es<br />
wurde bereits gezeigt, daß die Spannungsverstärkung eines mit er 12AX7 aufgebauten<br />
Kathodenfolgers mit ungefähr 0,99 praktisch 1 ist.<br />
Damit ruft eine Spannungsänderung an der Quelle Vin eine gleich große Änderung des<br />
Kathodenpotentials hervor, die zu einer Stromänderung um den Wert di = dVin / (28K4 + 940R) =<br />
dVin / 29,34kOhm führt. Diese Stromänderung wird auch an R1023 wirksam und ruft an diesem eine<br />
Spannungsänderung di * 91kOhm = dVin * 91kOhm / 29,34kOhm = 3,1 * dVin hervor.<br />
Somit läßt sich eine Gleichtaktverstärkung von -3,1 abschätzen.<br />
Dies stimmt nicht mit dem Ergebnis von Kuehnel, -4,4 (Seite 89) überein, das auf anderem Wege<br />
ermittelt wurde. Das soeben ermittelte Ergebnis erscheint den Verfassern jedoch plausibel, da ein<br />
Ergebnis von -4,4 eine größere Anodenstromänderung als die dazugehörige<br />
Kathodenstromänderung bedingen würde.<br />
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Nun soll die Wirkungsweise des „dritten Eingangs“ im Kahodenpfad untersucht werden. Auch hier wird<br />
von einem „voll heruntergedrehtem“ Presence-Regler ausgegangen. Es ergibt sich die folgende<br />
zeichnerische Darstellung:<br />
-<br />
Vin<br />
+<br />
10K 14K2<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
R1023<br />
91K<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
+385V<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
R1024<br />
91K<br />
+385V<br />
Schaltung zur Untersuchung des „dritten Eingangs“<br />
Auch diese Schaltung kann, da Symmetrie herrscht, wieder auf ein einziges Röhrensystem<br />
zurückgeführt werden:<br />
-<br />
Vin<br />
+<br />
28K4 20K<br />
R1020<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
940R<br />
R1023<br />
91K<br />
+385V<br />
Rückführung auf ein einziges Röhrensystem<br />
3 1<br />
Vout 1<br />
Vout 2<br />
Vout 1<br />
Seite 3-48
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Zunächst ist zu beachten, daß durch die im Gitterkondensator gespeicherte Ladung das<br />
Gitterpotential praktisch konstantgehalten wird.<br />
Wenn die Spannung Vin sich im Nulldurchgang befindet, dann stellen sich die bereits bekannten<br />
Ruhepotentiale ein. Wenn nun die Spannung Vin positiver wird, dann bleibt, aufgrund des<br />
konstantgehaltenen Gitterpotentials und der Wirkungsweise der Schaltung als Kathodenfolger das<br />
Kathodenpotential zunächst auch näherungsweise konstant. Das bedeutet, daß die<br />
Spannungsdifferenz über den kathodenseitigen Widerständen geringer wird. Damit geht der Strom<br />
durch die Röhre zurück. Das bedeutet eine Anhebung des Anodenpotentials. Wenn man die<br />
vollständige Schaltung mit zwei Röhrensystemen betrachtet, dann ist sofort einsichtig, daß diese<br />
Potentialanhebung an beiden Ausgängen gleichermaßen wirksam wird.<br />
Umgekehrt bewirkt natürlich das negativer werden der Spannung Vin eine Vergrößerung der<br />
Spannungsdifferenz über den kathodenseitigen Widerständen und damit eine Zunahme des Stroms<br />
durch die Röhre.<br />
Eine Spannungsänderung dVin ruft eine Stromänderung dVin / (20K + 940R) = dVin / 20,94kOhm<br />
führt. Diese Stromänderung wird auch an R1023 wirksam und ruft an diesem eine<br />
Spannungsänderung di * 91kOhm = dVin * 91kOhm / 20,94 kOhm = 4,3 * dVin hervor.<br />
Somit läßt sich eine Gleichtaktverstärkung von +4,3 abschätzen.<br />
Kuehnel kommt hier, bei Berücksichtigung unterschiedlicher Anodenwiderstände, was bei obiger<br />
Betrachtung nicht der Fall ist, auf Werte von 3,9 und 4,14 (Seite 98).<br />
Nun soll er Fall untersucht werden, daß die Schaltung nur an einem Eingang angesteuert wird,<br />
während der andere Eingang sich auf konstantem Potential befindet.<br />
Man kann diese Situation auch als eine Überlagerung einer differentiellen Ansteuerung mit einer<br />
Gleichtaktansteuerung beschreiben:<br />
Unter Beibehaltung der „oberen“ und „unteren“ Position der Röhrensysteme in Bezug zum Schaltplan<br />
wäre dies der Fall, wenn gar keine Gegenkopplung vorhanden wäre, der Presence-Regler so<br />
eingestellt wäre, daß C1014 das rückgeführte Signal vollständig kurzschließen würde.<br />
-<br />
Vin<br />
+<br />
A<br />
"oberes Gitter"<br />
B<br />
"unteres Gitter"<br />
=<br />
-<br />
Vin/2<br />
+<br />
Vin/2<br />
Vin/2<br />
+<br />
-<br />
+<br />
-<br />
A<br />
"oberes Gitter"<br />
"unteres Gitter"<br />
Zerlegung der einseitigen Ansteuerung in eine Überlagerung einer differentiellen und einer<br />
Gleichtaktansteuerung<br />
B<br />
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-<br />
Vin<br />
+<br />
A<br />
B<br />
"oberes Gitter"<br />
"unteres Gitter"<br />
14K2<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
R1023<br />
91K<br />
+385V<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
R1024<br />
91K<br />
+385V<br />
Verdeutlichung der einseitigen Ansteuerung bei Abwesenheit des rückgeführten Signals<br />
Aus der differentiellen Ansteuerung folgen die Ausgangsspannungsänderungen dU –32,2 Vin an der<br />
„oberen“ Anode und +32,2 Vin an der „unteren“ Anode. (Bezug: positiver werden der tatsächlichen,<br />
einseitig wirkenden Spannung Vin)<br />
Aus der Gleichtaktansteuerung folgen die Änderungen der Ausgangssignale dU –3,1 * Vin an beiden<br />
Anoden.<br />
Da wir hier von einem , idealisierten, linearen Verhalten ausgehen, können beide Einflüsse auch an<br />
den Ausgängen summiert werden:<br />
Die Spannungsänderung an der „oberen“ Anode ist (-32,2 – 3,1) Vin = -35,3 Vin<br />
Die Spannungsänderung an der „unteren“ Anode ist ( 32,2 – 3,1) Vin = 29,1 Vin<br />
Das Verhältnis der Beträge der Spannungsänderungen ist 29,1 / 35,3 = 0,824.<br />
Da man aber zwei betragsmäßig gleiche Ausgangssignale der Stufe braucht, denn die Endstufe<br />
muß ja zwingend symmetrisch angesteuert werden, wird die vorgefundene Ungleichheit dadurch<br />
kompensiert, daß nicht beide Anodenwiderstände den Wert 91kOhm haben, sondern der „obere“<br />
Anodenwiderstand, R1023, den Wert 82kOhm bekommt, womit sich die Verstärkung reduziert und<br />
der „untere „ Anodenwiderstand, R1024, den Wert 100kOhm bekommt, womit sich die Verstärkung<br />
erhöht. Man hat also in Folge der Ungleichheit der Widerstände dann symmetrische<br />
Ausgangssignale, wenn das zur Gegenkopplung rückgeführte Signal nicht vorhanden ist oder<br />
erheblich schwächer ist als das „eigentliche“ Eingangssignal der Stufe.<br />
Die Tatsache, daß sich mit den von uns ermittelten Werten der Gleichtaktverstärkung exakt das auch<br />
von Fender gewählte Widerstandsverhältnis ergibt, bestärkt unser Vertrauen in die Richtigkeit dieser<br />
Werte, auch wenn sie nicht mit den Werten von Kuehnel übereinstimmen.<br />
Vout 1<br />
Vout 2<br />
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Nun müssen die bereits ermittelten Verstärkungsfaktoren noch an die „neuen“, der tatsächlichen<br />
Schaltung entsprechenden Werte der Anodenwiderstände näherungsweise angepaßt werden:<br />
Differentielle Verstärkung, zur „oberen“ Anode: 32,2 * 82/91 = 29,0<br />
Differentielle Verstärkung zur „unteren“ Anode: 32,2 * 100/91 = 35,4<br />
Gleichtaktverstärkung zur „oberen“ Anode {gittergekoppelt}: - 3,1 * 82/91 = - 2,8<br />
Gleichtaktverstärkung zur „unteren“ Anode {gittergekoppelt}: - 3,1 * 100/91 = - 3,4<br />
Gleichtaktverstärkung zur „oberen“ Anode {kathodengekoppelt}: 4,3 * 82/91 = 3,9<br />
Gleichtaktverstärkung zur „unteren“ Anode {gkathodengekoppelt}: 4,3 * 100/91 = 4,7<br />
Ohne weitere Maßnahmen hätte man aber nun eine Unsymmetrie, wenn das rückgeführte Signal<br />
nahezu gleich groß wie das "„eigentliche“ Eingangssignal wäre. Da die Verstärkung der Endstufe weit<br />
kleiner als Unendlich ist, wird dieser Grenzfall in der Praxis nie eintreten. Um die folgende Betrachtung<br />
zu vereinfachen, gehen wir jetzt aber davon aus, daß die Endstufe eine Verstärkung von nahe<br />
unendlich hätte, das bedeutet, daß die rückgeführte Spannung nahezu gleich der<br />
Eingangsspannung wäre, es würde lediglich ein unendlich kleines Differenzsignal verbleiben, daß zu<br />
Aussteuerung der Endstufe ausreichen würde.<br />
Dann kann man im Sinne der folgenden Betrachtung die Eingänge auch direkt miteinander<br />
verbinden und an die gedachte Signalquelle anschließen, um die interessierende Situation<br />
vereinfacht „nachzustellen"<br />
Wir gehen zunächst davon aus, daß der „dritte Eingang“ nicht beschaltet ist.<br />
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Es ergibt sich dann die folgende Schaltung, die bereits mit gleichen Werten der Anodenwiderstände<br />
untersucht wurde:<br />
-<br />
Vin<br />
+<br />
14K2<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
R1023<br />
82K<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
R1024<br />
100K<br />
+385V<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
+385V<br />
Schaltung zur Untersuchung des Verhaltens bei annährend gleichen Eingangssignalen an beiden<br />
Eingängen<br />
Aufgrund der nun, in Folge der unterschiedlichen Anodenwiderstände, unterschiedlichen Werte für<br />
die Gleichtaktverstärkung, von 2,8 und 3,4, ergibt sich nunmehr wieder ungefähr die die<br />
Unsymmetrie, die man gerade im letzten schritt, für das andere Extrem des Verhältnisses der<br />
Eingangsspannungen zueinander, beseitigt hat.<br />
Es wird nun eine Kompensationsmöglichkeit gesucht, deren Wirkung proportional zur (relativen)<br />
Amplitude des rückgeführten Signals ist.<br />
Genau dies kann durch die Verbindung des rückgeführten Signals mit dem „dritten Eingang“ erreicht<br />
werden.<br />
Es wurde gezeigt, daß die über ihn wirksame Gleichtaktverstärkung, in ihrem Wert festgelegt durch<br />
das Verhältnis der anoden- und kathodenseitigen Widerstände, zur über die Gitter bewirkten<br />
Gleichtaktverstärkung betragsmäßig gleich und vorzeichenmäßig entgegengesetzt ist. Wenn man<br />
also die rückgeführte Spannung auch an den „dritten Eingang“ anlegt, dann ergibt sich im hier<br />
betrachteten Fall eine gegenseitige Aufhebung der beiden Gleichtaktverstärkungsmechanismen,<br />
man hat auch bei unterschiedlichen Werten der Anodenwiderstände im betrachteten Fall kein<br />
Ausgangssignal, im realen Fall ein symmetrisches Ausgangssignal.<br />
Vout 1<br />
Vout 2<br />
Seite 3-52
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
-<br />
Vin<br />
+<br />
10K<br />
14K2<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
Verwendung des „dritten Eingangs“<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
R1023<br />
82K<br />
+385V<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
R1024<br />
100K<br />
+385V<br />
Es ist sofort zu erkennen, daß mit der Verbindung der Eingangsspannung mit dem Fußpunkt des<br />
Kathodenkreises eine Änderung der Eingangsspannung im selben Maße auf die Gitter wie auf den<br />
Kathodenkreis wirkt, die Spannung über den kathodenseitigen Widerständen ist daher zeitlich<br />
konstant, damit ist auch das Potential an beiden Anoden zeitlich konstant. (Die ist natürlich eine<br />
Näherung, die Abhängigkeit des Anodenstroms von der Anodenspannung wird hier vernachlässigt)<br />
Vout 1<br />
Vout 2<br />
Seite 3-53
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Abschließend ergibt sich die folgende Konstellation<br />
Eingangsspannung<br />
-<br />
+<br />
rückgeführte Spannung<br />
-<br />
+<br />
14K2 10K<br />
R1020<br />
1M<br />
R1021<br />
1M<br />
V1003A<br />
12AX7<br />
2<br />
R1022<br />
470R<br />
V1003B<br />
12AX7<br />
7<br />
R1023<br />
82K<br />
+385V<br />
3 1<br />
8<br />
6<br />
R1024<br />
100K<br />
+385V<br />
Die Verbindung der Schaltung mit der Eingangsspannung und der rückgeführten Spannung<br />
Mit diesem genialen Schaltungstrick hat Fender erreicht, daß sich über eine große Spannweite des<br />
Verhältnisses von Eingangsspannung und rückgeführter Spannung stets eine symmetrische<br />
Ansteuerung der Endstufe ergibt. Dies ist wiederum die Voraussetzung dafür, daß man mit dem<br />
Presence-Regler die, musikalisch wichtige, Möglichkeit hat, das Gegenkopplungsverhältnis in weiten<br />
Grenzen einstellen zu können.<br />
<strong>Der</strong> Fall, daß die rückgeführte Spannung größer als die Eingangsspannung ist, braucht nicht<br />
berücksichtigt werden, da er prinzipbedingt niemals vorkommen kann.<br />
Vout 1<br />
Vout 2<br />
Nun sollen noch einige Details der Stufe betrachtet werden.<br />
Mit C1011 (47pF) wird die obere Grenzfrequenz der Stufe festgelegt. Es ergibt sich ein Tiefpaß mit der<br />
Parallelschaltung aus dem Innenwiderstand der Trioden von 50kOhm und deren Anodenwiderstand<br />
von 100 kOhm (bzw. 82kOhm, was nicht weiter betrachtet wird), was 33kOhm ergibt und dem<br />
doppelten der vorhandenen Kapazität von 47pF, da diese nicht gegen Masse, sondern gegen das<br />
gegenphasige Signal geschaltet ist. Es ergibt sich eine Grenzfrequenz von 50kHz, das zeigt das dieser<br />
Kondensator in erster Linie zur Unterdrückung möglicher HF-Selbsterregungen vorgesehen ist.<br />
Seite 3-54
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Wenn der Presence-Regler auf minimale Gegenkopplung eingestellt ist, dann wird das rückgeführte<br />
Signal durch C104 kurzgeschlossen. Die untere Grenzfrequenz der Parallelschaltung von C1014 mit<br />
der Quellimpedanz aus dem Presence-Regler und R1029 (4,2kOhm) ist 400 Hz.<br />
Es soll die Amplitude des rückgeführten Signals abgeschätzt werden:<br />
Die Ausgangsleistung des <strong>Bassman</strong> ist laut Literaturangaben ungefähr 40W. Das entspricht einer<br />
Spannung von 8,94V an 2 Ohm.<br />
Diese Spannung wird mit R1029 und dem Presence-Potentiometer (5kOhm) heruntergeteilt, wenn,<br />
wie hier betrachtet, das Presence-Potentiometer so eingestellt ist, daß C1014 unwirksam ist.<br />
Die in den Kathodenkreis eingekoppelte Spannung ist dann, bei 40W Ausgangsleistung, 8,94V * 5K /<br />
(5K +27K) = 1,4V.<br />
Seite 3-55
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Analyse der Endstufe<br />
Allgemeines<br />
In der Endstufe findet die für das Treiben des Lautsprechers notwendige Leistungsverstärkung statt. In<br />
Analogie zu der Schaltung des <strong>Bassman</strong> 5F6-A wie auch den allermeisten anderen<br />
Gitarrenverstärkerschaltungen ist die Endstufe des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> eine Klasse-AB-<br />
Gegentaktendstufe. Sie hebt sich von dem Eintaktverstärker (z. B. Kathodenschaltung) im<br />
Wesentlichen durch einen höheren Wirkungsgrad und eine bessere Ausnutzung der magnetischen<br />
Eigenschaften des Transformatorkerns ab.<br />
In den folgenden Abschnitten sollen nun zunächst Funktionsweise und Besonderheiten von Röhren-<br />
Gegentaktendstufen geschildert werden. Anschließend wird dann die Endstufe des <strong>Bassman</strong> im<br />
Speziellen behandelt.<br />
Die prinzipielle Funktionsweise einer Gegentaktendstufe<br />
In der folgenden Abbildung ist die Prinzipschaltung einer Gegentakt-Endstufe dargestellt. <strong>Der</strong><br />
Ausgangstransformator TR1 hat entweder zwei identische Primärwicklungen oder eine Wicklung mit<br />
Anzapfung in der Mitte. Im Arbeitspunkt fließt durch beide Wicklungen ein geringer Ruhestrom. Da der<br />
Ruhestrom durch die beiden Teile der Primärwicklung jeweils in entgegen gesetzter Richtung fließt,<br />
heben sich die zugehörigen Magnetfelder auf und der Transformatorkern ist feldfrei. Es ist keine<br />
Vormagnetisierung vorhanden, der Trafokern kann symmetrisch und mit größtmöglicher Amplitude<br />
ausgesteuert werden.<br />
Besitzt der Transformator eine genügend große Primärinduktivität, sodass bei der unteren<br />
Grenzfrequenz des Verstärkers der Magnetisierungsstrom noch gering ist, kann er näherungsweise als<br />
idealer Spannungsübersetzer angesehen werden.<br />
Eingang<br />
Phasensplitter<br />
direkter<br />
Ausgang<br />
invertierter<br />
Ausgang<br />
Prinzip der Gegentaktendstufe<br />
V1<br />
5<br />
V2<br />
5<br />
8 3<br />
8<br />
3<br />
4<br />
4<br />
+Ub<br />
+Ub<br />
+Ub<br />
P1<br />
P2<br />
SEC<br />
LOAD<br />
Seite 3-56
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Es wird zunächst der sogenannte B-Betrieb betrachtet, der bei größeren Ausgangsleistungen auftritt:<br />
In der positiven Halbwelle des Eingangssignals ist V1 leitend, während V2 gesperrt ist. Es fließt dann<br />
ein dem Eingangssignal proportionaler Strom durch die Primärwicklung P2 des Ausgangstrafos, der<br />
dann, um das Übersetzungsverhältnis des Trafos vergrößert durch den Lastwiderstand fließt. Die am<br />
Lastwiderstand abfallende Spannung erscheint dann, um das Übersetzungsverhältnis des Trafos<br />
vergrößert, zwischen der Versorgungsspannung +Ub und der Anode von V1.<br />
<strong>Der</strong> Transformator übernimmt die Anpassung zwischen der hohen Impedanz der Röhrenstufe (sie<br />
arbeitet mit hohen Spannungen und kleinen Strömen) und der geringen Impedanz des<br />
Lautsprechers, der große Strömen bei kleinen Spannungen benötigt.<br />
In der negativen Halbwelle des Eingangssignals drehen sich die Verhältnisse um: V1 ist nun gesperrt,<br />
während V2 leitend ist, nun ist die andere Hälfte der Primärwicklung, P2 stromdurchflossen. Die<br />
Polarität des im Kern erzeugten Magnetfelds ist umgekehrt, als dies beim Stromfluß durch P1 und V1<br />
der Fall war. Damit ergibt sich auch ein nun umgekehrter Stromfluß durch die Sekundärwicklung und<br />
die Last.<br />
An P2 ist die positive Versorgungsspannung am Wicklungsanfang (durch Punkt gekennzeichnet)<br />
angeschlossen, während sie bei P1 am Wicklungsende angeschlossen ist. Daraus resultiert die<br />
unterschiedliche Wirkrichtung der von beiden Wicklungen verursachten magnetischen Flüssen im<br />
Kern.<br />
In der Praxis muß man die Endröhren stets mit einem Ruhestrom betreiben, um Verzerrungen in der<br />
Nähe des Nulldurchgangs des zu verstärkenden Signals zu vermeiden. Diese Ruheströme sind für<br />
beide Endröhren identisch. Aufgrund der bereits besprochenen entgegengesetzten Wirkrichtungen<br />
der von P1 und P2 verursachten magnetischen Flüsse heben sich die durch die Ruheströme<br />
erzeugten magnetischen Flüsse gegenseitig auf.<br />
Bei geringer Aussteuerung der Gegentakt-Endstufe wird keine der beiden Röhren vollständig gesperrt,<br />
der Strom in der positiv angesteuerten Röhre nimmt um genau den Betrag zu, um den der Strom in<br />
der negativ angesteuerten Röhre abnimmt. Dies ist der sogenannte A-Betrieb.<br />
Es ist zu beachten, daß, sowohl im A- als auch im B-Betrieb, bedingt durch die magnetische<br />
Kopplung der Primärwicklungen P1 und P2, die Spannung an Anode der gesperrten oder weniger<br />
leitenden Röhre höher als die Versorgungsspannung ist, da sich die Differenzspannung zwischen<br />
Anode und Versorgungsspannung der „anderen“ Röhre, entgegengesetzt gepolt, zur<br />
Versorgungsspannung addiert.<br />
Betrachtung des Ausgangswiderstands und der Gegenkopplung<br />
Es werden hier Pentoden als Endröhren verwendet. Durch das zwischen Anode und Steuergitter<br />
befindliche Schirmgitter ist der Anodenstrom bei gegebener Steuergitter- und Schirmgitterspannung<br />
weitgehend von der Anodenspannung unabhängig. Die Pentode arbeitet somit im Sinne einer<br />
spannungsgesteuerten Stromsenke. (Die in den Vorstufen verwendeten Trioden arbeiten dagegen als<br />
steuerbarer Widerstand)<br />
Als Beispiel dient die Kennlinie der häufig in Gitarrenverstärkern verwendeten Pentode 6L6GC: Die<br />
Röhre wirkt bei einer Gitterspannung von 10V nur bis zu einer Anodenspannung von ca. 25V als<br />
(geringfügig steuerbarer) Widerstand und geht oberhalb von 25V in den Stromsenkenbetrieb über.<br />
Wie man sieht, hängt der Anodenstrom bei konstanter Schirmgitterspannung hauptsächlich von der<br />
Gitterspannung ab und nur geringfügig von der Anodenspannung (fast waagerechte Kennlinie).<br />
Seite 3-57
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Kennlinie der Röhre 6L6GC zur Verdeutlichung der Wirkungsweise als spannungsgesteuerte<br />
Stromsenke. Quelle: Datenblatt General Electric.<br />
Man könnte die Endstufe also auch wie folgt abstrahiert darstellen, indem man die Endröhren durch<br />
ideale spannungsgesteuerte Stromsenken ersetzt:<br />
Eingang<br />
Phasensplitter<br />
direkter<br />
Ausgang<br />
invertierter<br />
Ausgang<br />
V1<br />
V2<br />
Abstrahierte Darstellung der Endstufe mit idealen Stromsenken<br />
+Ub<br />
P1<br />
P2<br />
SEC<br />
LOAD<br />
Seite 3-58
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Bei weiterer Abstraktion kann man die gesamte Endstufe als eine Spannungsgesteuerte<br />
Wechselstromquelle betrachten:<br />
Eingang<br />
P2<br />
Weiter abstrahierte Darstellung der Endstufe<br />
SEC<br />
Auch der, als ideal angenommene, Übertrager kann „wegabstrahiert“ werden, man denke sich dann<br />
an dessen Stelle eine steilere Strom/Spannungskennline der Stromquelle.<br />
Eingang<br />
Noch weiter abstrahierte Darstellung der Endstufe<br />
Bei obiger Darstellung eist die Spannung über der Last stets der Eingangsspannung proportional.<br />
Um die klanglichen Konsequenzen einer als Stromquelle arbeitenden Endstufe näher zu betrachten,<br />
ist es wichtig, die bisher angenommene Modellierung er als Last vorhandenen Lautsprecher als<br />
ohmschen Widerstand zu hinterfragen.<br />
Tatsächlich handelt es sich hier um eine komplexes Zusammenwirken verschiedener, auch<br />
komplexer, Impedanzanteile mit ausgeprägten Eigenresonanzen. Eine akustische Eigenresonanz,<br />
etwa in Verbindung mit dem Lautsprechergehäuse, hat auch Rückwirkungen auf die Impedanz, da<br />
jede Bewegung der Membrane ihrerseits eine Spannung in die Schwingspule induziert. Dieses<br />
Resonanzverhalten wird in der folgenden Skizze, stark vereinfacht, als ein zur ohmschen Last<br />
parallelgeschalteter LC-Schwingkreis dargestellt:<br />
Eingang<br />
Vereinfachte Darstellung der tatsächlich vorhandenen Lautsprecherlast mit resonanten<br />
Eigenschaften<br />
LOAD<br />
LOAD<br />
LOAD<br />
Seite 3-59
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Wenn man nun einen Strom in diese Last einprägt, dann wird der Resonanzkreis durch die<br />
Stromquelle in seiner durch die Energiezufuhr angestoßenen Eigenschwingung nicht bedämpft, denn<br />
der Ausgangswiderstand einer Stromquelle ist unendlich. Es findet lediglich eine Dämpfung durch<br />
den ohmschen Anteil der Last selbst statt. Damit ergibt sich im Resonanzfall eine<br />
Spannungsüberhöhung über der Last.<br />
Die im akustischen System vorhandenen Resonanzeigenschaften machen sich bei geringerer<br />
Dämpfung stärker im Klangbild bemerkbar.<br />
Klanglich hat Stromeinprägung zur Folge, dass die Bewegungen der Lautsprechermembran deutlich<br />
stärker von den dynamischen Eigenschaften der Lautsprechers selbst und des Gehäuses beeinflusst<br />
werden. Da der Rückgang des Stromes durch die Schwingspule bei höheren Frequenzen, bedingt<br />
durch deren Induktivität, durch eine Zunahme der Ausgangsspannung der Verstärkers kompensiert<br />
wird, ergibt sich durch die Stromeinprägung ein „spitzes“, höhenbetontes Klangbild.<br />
Die üblichen HiFi- oder Transistorendstufen arbeiten dagegen mit Spannungseinprägung, sie<br />
entsprechen prinzipiell einer Spannungsquelle mit vernachlässigbarem Innenwiderstand:<br />
Eingang U<br />
Vereinfachte Darstellung einer „üblichen“ Endstufe mit Spannungseinprägung<br />
<strong>Der</strong> geringe Ausgangswiderstand der Spannungsquelle führt dazu, daß die Eigenschwingungen des<br />
lastseitigen Resonanzkreises bedämpft werden. Die Spannung über der Last ist von der Frequenz<br />
unabhängig, im Resonanzfall ergibt sich ein Minimum des Stromflusses durch die Last.<br />
Die induktivitätsbedingte Zunahme der Impedanz der Schwingspule bei höheren Frequenzen führt,<br />
aufgrund der konstantgehaltenen Spannung, zu einem geringeren Stromfluß bei höheren<br />
Frequenzen.<br />
Die im Lautsprecher gespeicherte mechanische Energie induziert beim Rückkehren der Membran in<br />
ihre Ruheposition eine Spannung in die Schwingspule. Wenn die ansteuernde Endstufe einen<br />
geringen Ausgangsgwiderstand hat, dann wird die Schwingspule praktisch kurzgeschlossen, der<br />
damit in der Schwingspule entstehende Stromfluß wirkt der Rückbewegung der Membran entgegen.<br />
Letztendlich wird die gespeicherte Energie in der Endstufe in Wärme umgesetzt. Bei der Ansteuerung<br />
mit Stromeinprägung führt dagegen die in die Schwingspule induzierte Spannung zu keinem<br />
zusätzlichen Stromfluß, die Bewegung der Membran wird nicht gebremst.<br />
In der Praxis wird der tatsächlich wirksame Ausgangswiderstand einer Endstufe durch den Grad der<br />
angewendeten Spannungsgegenkopplung bestimmt. Je größer der Gegenkopplungsgrad, desto<br />
kleiner ist der resultierende Ausgangswiderstand der Endstufe. Dies ist sofort einsichtig, wenn man sich<br />
vergegenwärtigt, daß eine Spannungsüberhöhung am Ausgang der Endstufe, etwa durch eine<br />
Resonanz verursacht, über den Gegenkopplungspfad die resultierende Steuerspannung am Eingang<br />
der Endstufe reduziert, womit dem Anstieg der Ausgangsspannung entgegengewirkt wird.<br />
Eine „von sich aus“ als Stromquelle arbeitenden Endstufe wird also, durch das Hinzufügen einer<br />
Gegenkopplung, im Extremfall zu einer als Spannungsquelle arbeitenden Endstufe.<br />
LOAD<br />
Seite 3-60
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Im <strong>Bassman</strong> kann, mittels Variation des Gegenkopplungsfaktors über den Presence-Regler, der<br />
Ausgangswiderstand der Endstufe in weiten Grenzen eingestellt werden. Diese Einstellung ist von<br />
hoher musikalischer Wichtigkeit, je weniger man gegenkoppelt, desto „härter“ und durchdringender<br />
wird der Klangeindruck.<br />
Die Schaltung der Endstufe des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> im Detail<br />
Das folgende Bild zeigt die Endstufe des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> im Detail:<br />
Gegenkopplung<br />
In+<br />
In-<br />
C1012<br />
0.1uF 600V<br />
R1025<br />
220K<br />
R1026<br />
220K<br />
C1013<br />
0.1uF 600V<br />
V1004A<br />
5881<br />
-BIAS1<br />
-BIAS2<br />
5<br />
5<br />
V1005A<br />
5881<br />
8 3<br />
8<br />
3<br />
4<br />
4<br />
+430V<br />
+430V<br />
R1027<br />
470R / 1W<br />
R1028<br />
470R / 1W<br />
BR1001 0R0<br />
BR1002 0R0<br />
BR1003 0R0<br />
BR1004 0R0<br />
Die Endstufe des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong><br />
+432V<br />
3<br />
6<br />
9<br />
J1011<br />
AUSGANGSTRAFO<br />
HT rot<br />
A2 braun<br />
Mate-n-Lok<br />
A1 blau 8 Ohm grün<br />
CON9<br />
4 Ohm gelb / grün<br />
2<br />
2 Ohm weiß<br />
5<br />
0 schwarz<br />
1<br />
4<br />
7<br />
8<br />
BR1005<br />
0R0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
R1030<br />
100/3W<br />
J1012<br />
CON4<br />
Mate-n-Lok<br />
Die Eingangssignale gelangen, wechselspannungsgekoppelt über C1012 und C1013 an die Gitter<br />
der Endröhren. Über die Gitterableitwiderstände R1025 und R1024 wird die negative<br />
Gittervorspannung von –48V an die Gitter der Röhren geführt. Im Gegensatz zum Originalgerät kann<br />
man die exakte Höhe der Gittervorspannung im Netzteil einstellen.<br />
Die Schirmgitter sind über R1027 und R1026 an die, „hinter“ der Siebdrossel im Netzteil abgegriffenen,<br />
daher brummfreien, Versorgungsspannung +430V angeschlossen. Durch die Widerstände ist eine<br />
geringfügige Rückwirkung des Schirmgitterstroms auf die Schirmgitterspannung vorhanden, man<br />
kann hier aber trotzdem von einem „reinen“ Pentodenbetrieb der Röhren ausgehen.<br />
<strong>Der</strong> Ausgangstrafo ist über den Stecker J1011 mit der Endstufenplatine verbunden. Die Anoden der<br />
Röhren treiben die beiden Enden der Primärwicklung, deren Mittelanzapfung an Hochspannung liegt.<br />
Die Null-Ohm-Brücken BR1001 bis BR1004 ermöglichen die Umpolung der Trafo-Primärwicklung um<br />
eine phasenrichtige Gegenkopplung sicherzustellen. Die „richtige“ Belegung der Trafo-Anschlüsse ist<br />
nicht dokumentiert. Es sind entweder BR1001 und BR1004 oder BR1002 und BR1003 bestückt.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Lautsprecher werden an J1012 angeschlossen. Parallel zum Lautsprecherausgang wurde ein<br />
Widerstand 100 Ohm/3W vorgesehen, um bei einer Unterbrechung der Lautsprecherzuleitung einen,<br />
wenn auch geringen, Sekundärstrom am Ausgangsübertrager zu ermöglichen um primärseitigen<br />
Spannungüberhöhungen im Leerlauffall entgegenzuwirken.<br />
Bestimmung des Arbeitspunktes der Endröhren<br />
Für die Ermittlung des Arbeitspunktes kann man den Ausgangsübertrager als Kurzschluß ansehen. Da<br />
die Schirmgitterversorgungsspannung (430V) praktisch der Anodenspannung (432V) entspricht, kann<br />
man die Kennlinie für die Triodenschaltung (meint: Schirmgitter und Anode miteinander verbunden)<br />
benutzen.<br />
Da der äußere Widerstand (für Gleichspannung) praktisch Null ist, steht die Arbeitsgerade hier<br />
senkrecht:<br />
Auszug aus dem Datenblatt 5881 von Tung-Sol mit eingetragener Arbeitsgeraden (pink)<br />
Da die Gittervorspannung durch eine externe Spannungsquelle bestimmt ist, muß zur Ermittlung des<br />
Anodenstromes der Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit der zur vorgegebenen Gittervorspannung<br />
gehörenden Kurve gesucht werden. Da keine Kurve für –48V vorhanden ist, wird von der Kurve für –<br />
Seite 3-62
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
45V ausgehend extrapoliert, man erhält einen Anodenstrom von ca. 30mA. Dies ist der sogenannte<br />
Ruhestrom.<br />
Ermittlung des Ausgangs-Kennlinienfelds der 5881 für ein Schirmgitterspannung von 430V<br />
Für die Ermittlung der Ausgangsleistung wird ein Ausgangs-Kennlinienfeld benötigt, daß sich auf die<br />
tatsächlich vorhandene Schirmgitterspannung von 430V bezieht. Die Kennlinienfelder im Datenblatt<br />
der 5881 beziehen sich auf eine Schirmgitterspannung von 200V.<br />
Es ist also notwendig, das Ausgangs-Kennlinienfeld des Datenblatts entsprechend zu skalieren. Die<br />
Skalierung von 200V auf über 400V ist sehr groß und die im Folgenden angewendeten<br />
Vereinfachungen und Linearisierungen führen daher durchaus zu Approximationsfehlern. Dennoch<br />
reichen die Daten für eine grobe Abschätzung der Verhältnisse aus.<br />
Das Verhalten einer Pentode lässt sich in weiten Bereichen durch die Formel<br />
I<br />
A<br />
+ I<br />
S<br />
⎛<br />
= K<br />
⎜<br />
⎜U<br />
⎝<br />
G<br />
U ⎞ S +<br />
⎟<br />
μS<br />
⎠<br />
3<br />
2<br />
beschreiben, wobei I A, I S, U G und U S Ströme und Spannungen an der Anode, bzw. dem Schirmgitter<br />
sind. K ist ein Proportionalitätsfaktor, der von dem inneren Aufbau der Röhre abhängt. Die Annahme<br />
von K als Konstante ist nur im Kleinsignalbereich möglich. In der folgenden Rechnung soll jedoch<br />
vereinfachend angenommen werden, dass K unabhängig von der Anodenspannung sei. Die<br />
Abhängigkeiten zwischen K und der Gitterspannung müssen allerdings berücksichtigt werden. Die<br />
Konstante μ S ist die Abschnür-Spannungsverstärkung der Röhre bezüglich des Schirmgitters. Sie<br />
bezeichnet den Quotienten aus Schirmgitterspannung und der maximalen Gitterspannung, bei der<br />
noch kein Anodenstrom fließt. In der folgenden Abbildung ist die Herleitung von μ S aus den Daten der<br />
Röhre 5881 dargestellt. Es ergibt sich ein Wert von μ S = 6,55.<br />
Herleitung der Abschnür-Spannungsverstärkung (μμμμ S) von Gitter und Schirmgitter aus dem<br />
Kennlinienfeld der Röhre 5881 in Triodenschaltung.<br />
Seite 3-63
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Um separate Formeln für den Schirmgitter- und den Anodenstrom zu erhalten, sei weiterhin<br />
angenommen, dass diese in einem festen Verhältnis zueinander stehen. <strong>Der</strong> Faktor K kann dann in KA + KS = K zerlegt werden, so das gilt:<br />
I<br />
I<br />
S<br />
A<br />
=<br />
K<br />
K<br />
S<br />
A<br />
.<br />
Damit lässt sich das Verhalten der Röhre wie folgt ausdrücken:<br />
⇒<br />
und<br />
I<br />
I<br />
I<br />
A<br />
A<br />
S<br />
+ I<br />
S<br />
= K<br />
A<br />
=<br />
( K + K )<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜U<br />
⎝<br />
⎛<br />
= K<br />
⎜ S U<br />
⎝<br />
G<br />
G<br />
A<br />
S<br />
U ⎞ S +<br />
⎟<br />
μS<br />
⎠<br />
U ⎞ S +<br />
⎟<br />
μS<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜U<br />
⎝<br />
3<br />
2<br />
3<br />
2<br />
.<br />
G<br />
U ⎞ S +<br />
⎟<br />
μS<br />
⎠<br />
<strong>Der</strong> Faktor K A lässt sich nun abhängig von der Gitterspannung berechnen:<br />
K<br />
A<br />
=<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜U<br />
⎝<br />
G<br />
I<br />
A<br />
( ref )<br />
U S<br />
+<br />
μ<br />
( ref )<br />
S<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
3<br />
2<br />
,<br />
3<br />
2<br />
wobei IA(ref) und US(ref) die Werte für Anodenstrom und Schirmgitterspannung aus dem Datenblatt der<br />
Röhre sind. US(ref) ist hier konstant 200V (siehe die im folgenden abgebildete von der italienischen<br />
Firma Audiomatica aufgenommene Kennlinie der 5881).<br />
Setzt man KA in die Modellformel ein, ergibt sich<br />
und analog<br />
I<br />
I<br />
3<br />
S<br />
2<br />
G<br />
I A(<br />
ref ) ⎛ U ⎞ S ⎜ μS<br />
=<br />
3 ⎜<br />
⎟<br />
A =<br />
⋅ UG<br />
+ I A(<br />
ref )<br />
2<br />
⎜<br />
⎛ U ( ) ⎞ ⎝ μS<br />
⎠<br />
U S<br />
S ref<br />
⎜ +<br />
⎜<br />
⎜U<br />
+ ⎟<br />
UG<br />
G<br />
μ<br />
⎝ μS<br />
S<br />
=<br />
⎝<br />
I<br />
( ref )<br />
⎠<br />
⎛ U S ⎜ U G +<br />
⎜ μS<br />
⎜<br />
S<br />
⎜U<br />
G +<br />
⎝ μS<br />
S S U<br />
( ref )<br />
⎞<br />
⎟<br />
3<br />
2<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
.<br />
⎛<br />
⎜<br />
U<br />
U<br />
+<br />
( ref )<br />
⎞<br />
⎟<br />
3<br />
2<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Jede einzelne Kurve der Kennlinienschar wird also skaliert mit einem Faktor, der von der<br />
Gitterspannung und den Schirmgitterspannungen abhängt. Als Ausgangsbasis wurde das<br />
Kennlinienfeld von Audiomatica (folgende Abbildung) verwendet:<br />
Von der Firma Audiomatica (www. Audiomatica.com) aufgenommenes Kennlinienfeld der 5881,<br />
das als Grundlage für die Extrapolation auf 430V Schirmgitterspannung verwendet wurde<br />
Die Berechnungen und die grafischen Darstellung wurde mit einer wenig bekannten Spezialfunktion<br />
von Microsoft Power Point durchgeführt. Es ergab sich das folgende Kennlinienfeld:<br />
Das für 430V Schirmgitterspannung extrapolierte Kennlinienfeld<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Ermittlung der Ausgangsleistung<br />
<strong>Der</strong> Ausgangsübertrager besitzt, wie durch Messung an dem verwendeten Replacement-Übertrager<br />
von TAD festgestellt wurde, ein Übersetzungsverhältnis von 2x22:1, d. h. jede der beiden primären<br />
Teilwicklungen übersetzt mit dem Verhältnis 22:1 auf die Sekundärseite. Ein Lastwiderstand von 2Ω,<br />
der hier als rein ohmsch angenommen werden soll, bildet für eine Endstufenröhre also einen<br />
Anodenwiderstand von 2Ω * 22 2 = 968Ω. Diese Betrachtung gilt nur für den B-Betrieb, der aber im<br />
Bereich der hier interessierenden oberen Leistungsgrenze von Bedeutung ist.<br />
Die dem Lastwiderstand von 968 Ohm entsprechende Arbeitsgerade, mit den Punkten (430V / 0mA )<br />
und (0V / 444mA) wird ins Kennlinienfeld eingezeichnet (grün). Zusätzlich wird noch die Lasthyperbel<br />
für die maximal zulässige Anodenverlustleistung von 46W eingetragen. Hierbei wird der Tatsache<br />
Rechnung getragen, daß die Röhre nur während einer Halbwelle der Signalspannung leitet, während<br />
sie in der anderen Halbwelle gesperrt ist. Daher kann die zulässige statische Anodenverlustleistung<br />
von 23W (Quelle: Datenblatt Tung-Sol) verdoppelt werden. Die thermische Zeitkonstante der Anode ist<br />
weit oberhalb der Periodendauer von Audiosignalen.<br />
Ausgangskennlinienfeld einer Endstufenröhre mit Lastgerade des transformierten<br />
Ausgangswiderstandes (grün) und Leistungshyperbel (rot). In einer Halbwelle dürfen 2x23W = 46W<br />
Anodenverlustleistung an der Röhre auftreten, da sie in der anderen Halbwelle stromlos ist (B-<br />
Betrieb).<br />
Man erkennt, dass über der Röhre mindestens 134,66V abfallen, wenn die Gitterspannung die 0V-<br />
Grenze nicht überschreiten soll (oberste Kurve der Schar). Damit fällt an der Last eine<br />
Spitzenspannung von<br />
= 432V<br />
−135V<br />
= 297V<br />
U s(max)<br />
ab, und es ergibt sich eine effektive Leistung von<br />
P<br />
eff<br />
=<br />
( U<br />
s(max)<br />
2 ⋅ R<br />
last<br />
)<br />
2<br />
=<br />
2<br />
( 297V<br />
)<br />
= 46W<br />
2 ⋅ 968Ω<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Außerdem muss an dieser Stelle noch erwähnt werden, dass der Innenwiderstand der<br />
Spannungsversorgung dazu führt, dass die berechnete Leistung nur kurzzeitig am Ausgang verfügbar<br />
ist, da dann die Versorgungsspannung einbricht. Auf dieses Phänomen wird in der Beschreibung des<br />
Netzteils näher eingegangen.<br />
Die Ermittlung der Anodenverlustleistung<br />
Die in einer Endstufenröhre umgesetzte Verlustleistung setzt sich aus Ruhestrom- und<br />
Laststromverlusten zusammen. Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die Spannungen<br />
und Ströme rund um eine Endstufenröhre. <strong>Der</strong> Widerstand R ist der transformierte Lastwiderstand und<br />
L P die Primärinduktivität des Ausgangsübertragers unter Vernachlässigung der Streuinduktivität. L P<br />
überbrückt den Lastwiderstand für Gleichstrom, kann aber in Bezug auf die im Verstärker auftretenden<br />
Frequenzen als unendlich groß angenommen werden. <strong>Der</strong> über R 1027 fließende Schirmgitterstrom<br />
führt zusätzlich einen Teil des Last- und Ruhestromes. Für die Berechnung der Verlustleistung wird<br />
angenommen, dass dieser ebenfalls über die Anode fließe. Durch diese Vereinfachung entsteht ein<br />
Fehler, da sich die Schirmgitterspannung im Gegensatz zur Anodenspannung bei Signaleinwirkung im<br />
Wesentlichen nicht ändert. Mit Rücksicht auf die Toleranzen der übrigen Parameter ist es jedoch<br />
sinnvoll, diese geringe Abweichung in Kauf zu nehmen.<br />
Ersatzschaltbild zur Betrachtung der Anodenverlustleistung. <strong>Der</strong> Transformator wurde durch sein<br />
Niederfrequenz-Ersatzschaltbild ersetzt, der Lastwiderstand wurde in den Primärkreis transformiert.<br />
Für ein Sinusförmiges Signal u s = U S sin(t) berechnet sich die momentane Verlustleistung in einer<br />
einzelnen Röhre bei der Vorsorgungsspannung U HT und dem Ruhestrom I Q an dem (transformierten)<br />
Anodenwiderstand R als Produkt aus i A und u A (vgl. obige Abbildung):<br />
p<br />
( ) ⋅u<br />
( t)<br />
( t)<br />
= iA(<br />
t)<br />
⋅u<br />
A(<br />
t)<br />
= iL<br />
( t)<br />
+ IQ<br />
=<br />
⎛ uS<br />
( t)<br />
+ I<br />
⎞<br />
⋅(<br />
U − u ( t)<br />
)<br />
=<br />
⎜<br />
⎝ R<br />
⎛U<br />
S ⋅sin<br />
⎜<br />
⎝ R<br />
Q<br />
( t)<br />
⎟<br />
⎠<br />
+ I<br />
Q<br />
HT<br />
⎞<br />
⎟⋅<br />
⎠<br />
S<br />
( U −U<br />
⋅sin(<br />
t)<br />
)<br />
HT<br />
S<br />
A<br />
.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die mittlere Verlustleistung in einer Röhre ergibt sich dann gemäß<br />
P<br />
1 ⎛U<br />
s<br />
= ⋅ ⎜ ⋅<br />
⋅ ∫ sin<br />
2 π ⎝ R<br />
=<br />
2 ⋅U<br />
π<br />
HT<br />
0<br />
⋅<br />
( t)<br />
+ I ⋅ ( U −U<br />
⋅ sin(<br />
t)<br />
)<br />
( π ⋅ I ⋅ R + 2 ⋅U<br />
) − 4 ⋅ I ⋅ R ⋅U<br />
− π ⋅ ( U )<br />
Q<br />
Q<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
s<br />
HT<br />
4 ⋅π<br />
⋅ R<br />
Vereinfachend wurde hierbei angenommen, dass die Verluste in einer einzelnen Röhre ausschließlich<br />
innerhalb der positiven Halbperiode auftreten (Ruhestromverluste treten u. U. auch an den Rändern<br />
der negativen Halbwelle auf).<br />
Die Verlustleistung hat bezüglich der Signalamplitude ein Maximum, wenn die Scheitelspannung des<br />
Anodensignals einen Wert von<br />
annimmt.<br />
U<br />
s(max)<br />
=<br />
=<br />
=<br />
2⋅<br />
2⋅<br />
( U − I ⋅ R)<br />
( 430V<br />
− 30mA⋅<br />
968Ω)<br />
255V<br />
HT<br />
π<br />
Q<br />
π<br />
Die Verlustleistung in einer Röhre während der leitenden Halbperiode beträgt dann<br />
P<br />
d (max)<br />
=<br />
=<br />
=<br />
2⋅<br />
2⋅<br />
2<br />
2<br />
( U ) + U ⋅ I ⋅ R(<br />
π − 4)<br />
+ 2⋅<br />
( I ⋅ R)<br />
HT<br />
Q<br />
2<br />
2<br />
( 432V<br />
) + 432V<br />
⋅0,<br />
03A⋅<br />
968Ω<br />
⋅(<br />
π − 4)<br />
+ 2⋅<br />
( 0,<br />
03A<br />
⋅968Ω)<br />
23,<br />
5W<br />
HT<br />
Q<br />
2<br />
2⋅π<br />
⋅ R<br />
s<br />
Q<br />
2<br />
2⋅π<br />
⋅968Ω<br />
Die maximal zulässige Verlustleistung pro Röhre (23W) wird also auch im schlimmsten Fall gerade<br />
noch eingehalten Hierzu ist zu bedenken, daß der Fall einer kontinuierlichen sinusförmigen<br />
Ansteuerung in der Praxis nicht vorkommt, die Gitarrentöne enthalten stets auch Passagen mit<br />
geringeren Lautstärken. Röhren verkraften zudem kurzzeitige Überlastungen problemlos.<br />
Die Gesamtverlustleistung beider Endröhren ist dann 2 x 23,5W = 47W. Damit ist ein Wirkungsgrad der<br />
Endstufe in der Größenordnung nahe 50% zu erwarten. Sämtliche Verluste außerhalb der Röhren<br />
wurden hierbei vernachlässigt, da viele hierfür relevanten Parameter, wie z. B. die magnetischen<br />
Eigenschaften des Transformators, ohnehin nicht bekannt sind.<br />
s<br />
2<br />
dt<br />
s<br />
2<br />
.<br />
2<br />
.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Analyse des Netzteils<br />
Allgemeines<br />
Es wurde bereits erwähnt, daß das Netzteil, im Gegensatz zur sonst üblichen Betrachtungsweise, keine<br />
stabile, bei wechselnder Belastung konstante, Ausgangsspannung für die Anodenversorgung<br />
bereitstellen soll. Im Fall der Belastung soll sich ein Spannungseinbruch in ganz bestimmter Höhe und<br />
mit einem ganz bestimmten zeitlichen Verhalten ergeben, um den gewünschten klanglichen Effekt<br />
zu erzeugen.<br />
Das Netzteil stellt die folgenden Spannungen bereit:<br />
- Anodenversorgungsspannung für die Endstufe<br />
- Weiter geglättete Anodenversorgungsspannungen für die Schirmgitter der Endröhren und für die<br />
Vor- und Treiberstufen<br />
- Negative Gittervorspannung für die Endstufe<br />
- Heizspannung für die Vor- und Endröhren<br />
Das folgende Übersichtsschaltbild zeigt das Netzteil in seiner Gesamtheit:<br />
Das Übersichtsschaltbild des Netzteils<br />
Zu den Heizfäden<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> Netztransformator, ein dem Original-Trafo entsprechendes Replacement der Firma TAD, hat drei<br />
Sekundärwicklungen:<br />
- die separate Heizwicklung für die Gleichrichterröhre mit einer Spannung von 5V<br />
- Die Wicklung für die Anodenversorgung mit Mittelanzapfung und einer weiteren Anzapfung für die<br />
Gewinnung der negativen Gittervorspannung<br />
- Die Heizwicklung für die Vor- und Endröhren mit einer Spannung von 6,3V<br />
Die Heizwicklung 6,3V hat eine Mittelanzapfung, die an Masse gelegt ist, dadurch hat man, im<br />
Massebezug gesehen, zwei gegenphasige Heizspannungen, deren Felder sich, bei vorhandener<br />
Symmetrie in der Anordnung der Verkabelung und der Röhrenelektroden gegenseitig aufheben.<br />
Damit wird das durch die Heizspannung in den Signalweg eingebrachte Brummen reduziert.<br />
Mit der Gleichrichterröhre V2001 (GZ34) erfolgt die Zweiweggleichrichtung der<br />
Anodenversorgungsspannung. Mit dem Standby-Schalter kann die Anodenversorgung, unter<br />
Beibehaltung der Röhrenheizung, unterbrochen werden.<br />
C2002 und C2003 bilden, mit zusammen 40uF, den Ladekondensator. Dieser Wert ist, für heutige<br />
Verhältnisse recht klein, so daß sich schon bei geringen Ausgangsleistungen eine recht hohe<br />
Brummspannung ergibt. Bei kleinen Ausgangsleistungen arbeitet die Endstufe im Klasse-A Betrieb.<br />
Schwankungen der Versorgungsspannungen wirken sich so kaum auf das Signal aus, da sie zu<br />
gleichen Stromänderungen in beiden Wicklungen des Ausgangstrafos führen und damit nicht zu<br />
einer Änderung des magnetischen Flusses in seinem Kern beitragen. Beim Übergang in den B-Betrieb<br />
zeigt sich dagegen eine deutlich sichtbare 100 Hz-Modulation des Ausgangssignals.<br />
Wie ausführliche, im Kapitel „Das <strong>WILDCAT</strong> Low-Noise Netzteil“ beschriebenen, Untersuchungen<br />
zeigen, führt die Wegnahme dieses Brumms, bei gleichzeitiger exakter Reproduktion des<br />
Spannungseinbruchs, jedoch zu einem eher „langweiligen und braven“ Klang, die „Bizzeligkeit“ und<br />
das Durchdringungsvermögen fehlen. Offensichtlich ist die 100 Hz-Modulation bei größeren<br />
Ausgangsleistungen als ein klangbildendes Merkmal und nicht als ein Störeinfluß zu betrachten.<br />
Die Versorgungsspannungen für die Schirmgitter der Endröhren und für die Vorstufen werden mit der<br />
Siebdrossel (10H) geglättet, so daß an diesen praktisch kein 100 Hz-Brumm mehr vorhanden ist. Es<br />
schließt sich eine weitere Filterkette, bestehend aus einzelnen R/C-Filtern an. Da die einzelnen<br />
Filterelemente Grenzfrequenzen im Bereich von 10Hz besitzen (die RC-Filter für die Vorstufen sogar im<br />
Bereich von 1,5Hz) und bei Zweiweggleichrichtung Störfrequenzen über 100Hz auftreten, kann davon<br />
ausgegangen werden, dass die Brummunterdrückung an den Schirmgittern besser als 20dB ist und<br />
für die Vorstufen besser als 40dB.<br />
Die Gittervorspannungen der Endstufenröhren müssen zwar stabil sein, es wird aber praktisch keine<br />
Leistung benötigt. Die Widerstände R 1025 und R 1026 in der Endstufenschaltung bilden einen Tiefpass mit<br />
C 2009 und C 2010. Die Grenzfrequenz liegt mit 0,7Hz deutlich unterhalb der unteren Grenzfrequenz des<br />
Verstärkers. Man kann daher davon ausgehen, dass das Verstärkersignal an den Schleifern der<br />
Potentiometer P 2001 und P 2002 (fast) vollständig gedämpft ist. Das bedeutet, daß, wie in der<br />
Originalschaltung, der dynamische Innenwiderstand der Gitterspannungsquelle im Audio-<br />
Signalbereich vernachlässigbar ist. Dies ist für das Verhalten im Overdrive-Betrieb von Bedeutung, bei<br />
dem kurzzeitig Gitterstrom fließen kann. <strong>Der</strong> Widerstand R 2003 bildet mit C 2008 und dem<br />
nachfolgenden Netzwerk (näherungsweise ein 60kΩ Widerstand) einen Tiefpass mit einer<br />
Grenzfrequenz von 1,3Hz. Damit ist eine Brummunterdrückung von fast 40dB an C 2008 zu erwarten, die<br />
dann von dem zuvor genannten Tiefpass noch auf über 60dB verbessert wird.<br />
Außerdem bildet R 2003 zusammen mit dem nachfolgenden Widerstandsnetzwerk einen<br />
Spannungsteiler, der die auf den negativen Scheitelwert gleichgerichtete Transformatorspannung<br />
(ca. -60V) durch 1,25 teilt, sodass an C 2008 eine Gleichspannung von -48V zu erwarten ist. Über die<br />
Potentiometer können die beiden Gittervorspannungen einzeln von -40V bis -48V eingestellt werden.<br />
Damit lassen sich die Ruheströme in den Endstufenröhren getrennt voneinander zwischen 27mA und<br />
57mA (ermittelt aus Kennlinienfeld 5881 im Triodenbetrieb) einstellen. Die einstellbare<br />
Gittervorspannung stellt eine Abweichung von der Original-<strong>Bassman</strong> Schaltung dar. Die Motivation<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
hierfür ist die Möglichkeit einer exakten Symmetrieeinstellung der Ruheströme, da bei<br />
unsymmetrischen Ruheströmen der Transformatorkern im Arbeitspunkt nicht gleichfeldfrei ist.<br />
Das statische Verhalten der Anodenversorgung im Ruhezustand<br />
Im folgende ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Anodenversorgung dargestellt. Die darin<br />
verwendeten Parameter wurden wie folgt ermittelt:<br />
- Sekundärspannung des Netztrafos: 2 x 325V, aus Kuehnel, Seite 148<br />
- Ohmscher Widerstand des Netztrafos: Sekundär 2 x 49 Ohm, primär 2 Ohm, aus Kuehnel, Seite<br />
148<br />
- Ohmscher Widerstand der Netzdrossel: 107 Ohm, aus Kuehnel, Seite 148<br />
- Induktivität der Netzdrossel: 10H, aus Kuehnel, Seite 148<br />
- Anodenstromaufnahme der Endstufe 2 x 30mA = 60mA aus vorstehender eigener Berechnung<br />
- Schirmgitterstromaufnahme der Endstufe 2 x 0,6mA = 1,2mA aus Kuehnel, Seite 148<br />
- Stromaufnahme der Eingangsstufe: 2 x 1,6mA = 3,2mA aus vorstehender eigener Berechnung<br />
- Stromaufnahme der Treiberstufe: 1,4mA aus vorstehender eigener Berechnung<br />
- Stromaufnahme der Kathodenfolgerstufe: 1,8mA aus vorstehender eigener Berechnung<br />
- Stromaufnahme Phasensplitter: 2 x 1,5mA = 3mA aus vorstehender eigener Berechnung<br />
Alle genannten Stromaufnahmen beziehen sich auf den Ruhezustand ohne Signal<br />
230V<br />
2R<br />
49R<br />
49R<br />
6<br />
4<br />
GZ34<br />
2<br />
8<br />
+<br />
40uF<br />
Endstufe<br />
Anoden<br />
107R<br />
60mA<br />
Endstufe<br />
Schirmgitter<br />
Ersatzschaltbild der Anodenversorgung mit Strömen im Ruhezustand ohne Signal<br />
10H<br />
4K7<br />
1,2mA<br />
Phasensplitter<br />
Im ersten Schritt soll der primärseitige Widerstand des Netztransformators auf die Sekundärseite<br />
transformiert werden. Man erhält ein Windungsverhältnis n von 325 / 230 = 1,41, damit ergibt sich ein<br />
sekundärseitig wirksamer Widerstand von 2 Ohm * n 2 = 2 Ohm * 2 = 4 Ohm, der resultierende<br />
Gesamtwiderstand ist 49 Ohm + 4 Ohm = 53 Ohm.<br />
Im folgende Schritt soll der stromabhängige Spannungsabfall an der Gleichrichterröhre<br />
näherungsweise als ohmscher Widerstand modelliert werden. Hier kann jedoch nicht einfach die<br />
statische Kennlinie der Röhre betrachtet werden, da nur während eines bestimmten Teils der<br />
Halbwelle der Netzspannung ein Strom fließt, der dann ein dem Kehrwert des Zeitanteils des<br />
Stromflusses proportionalen Wert hat. <strong>Der</strong> Zeitanteil hängt aber wiederum vom Spannungsabfall an<br />
der Röhre und am Innenwiderstand des Netztrafos ab.<br />
20uF<br />
+<br />
20uF<br />
+<br />
10K<br />
3mA<br />
+<br />
10uF<br />
Seite 3-71<br />
6,4mA<br />
Eingangsstufe<br />
Treiberstufe<br />
Kathodenfolger
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Daher findet sich im Datenblatt der GZ34 eine „typische Anwendungsschaltung“, für die die<br />
gesuchten Werte direkt aus einem Kennlinienfeld abgelesen werden können:<br />
Typische Anwendungsschaltung der GZ34 mit Kennlinienfeld mit interpolierter Kennlinie für den<br />
Netztrafo des <strong>Bassman</strong>. Quelle: Datenblatt Philips<br />
Die Übereinstimmung der Parameter des im Datenblatt angegebenen typischen Transformators und<br />
des im <strong>Bassman</strong> vorhandenen Transformators ist so exakt, daß eine Interpolation im Kennlinienfels<br />
problemlos möglich ist. An die interpolierte Kennlinie wird dann eine Tangente angelegt, um eine<br />
vereinfachte Modellierung mit einem ohmschen Widerstand darzustellen.<br />
<strong>Der</strong> hier angenommene Wert des Ladekondensators ist jedoch 50% größer als der tatsächlich im<br />
<strong>Bassman</strong> vorhandene Ladekondensator.<br />
Es ergibt sich, für die kombinierte Wirkung der Gleichrichterröhre und des Innenwiderstandes des<br />
Netztrafos, ein Widerstand von:<br />
R = ΔU/ΔI = (440V - 325V) / 250mA = 460Ω.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Nun kann ein weiter vereinfachtes Ersatzschaltbild gezeichnet werden:<br />
460Vdc<br />
460R 107R 10H<br />
+<br />
40uF<br />
Endstufe<br />
Anoden<br />
60mA<br />
20uF<br />
+<br />
Endstufe<br />
Schirmgitter<br />
Weiter vereinfachtes Ersatzschaltbild der Anodenversorgung<br />
4K7<br />
1,2mA<br />
20uF<br />
+<br />
Phasensplitter<br />
Die Spannung der hier modellierten Gleichspannungsquelle entspricht dem Scheitelwert der<br />
Leerlaufspannung des Netztrafos, sie ist 325V * 1,41 = 460V.<br />
Nun können die Ruhepotentiale der einzelnen Ausgänge des Netzteils bestimmt werden:<br />
Endstufe Anoden:<br />
U = 460V – 460 Ohm * (60mA + 1,2mA + 3mA + 6,4mA)<br />
U = 460V – 460 Ohm * 70,6mA<br />
U = 469V – 32,5V<br />
U = 427,5V<br />
Angabe im Originalschaltplan: 432V<br />
Endstufe Schirmgitter:<br />
U = 427,5V – 107 Ohm * ( 1,2mA + 3mA + 6,4mA)<br />
U = 427,5V – 107 Ohm * 10,6mA<br />
U = 427,5V – 1,1V<br />
U = 426,4V<br />
Angabe im Originalschaltplan: 430V<br />
Phasensplitter:<br />
U = 426,4V – 4,7 kOhm * ( 3mA + 6,4mA)<br />
U = 426,4V – 4,7k Ohm * 9,4mA<br />
U = 426,4V – 44,2V<br />
U = 382,2V<br />
Angabe im Originalschaltplan: 385V<br />
Eingangs-, Treiber- und Kathodenfolgerstufe:<br />
U = 382,2V – 10k Ohm * 6,4mA<br />
U = 382,2V – 64V<br />
U = 318,2V<br />
Angabe im Originalschaltplan: 325V<br />
10K<br />
3mA<br />
+<br />
10uF<br />
6,4mA<br />
Eingangsstufe<br />
Treiberstufe<br />
Kathodenfolger<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Übereinstimmung mit den Spannungsangaben im Originalschaltplan ist gegeben<br />
Es fällt jedoch auf, daß die Messungen am Prototyp deutlich höhere tatsächliche Spannungswerte<br />
ergeben:<br />
Die tatsächliche Trafo-Leerlaufspannung ist nicht 460V sondern 522V.<br />
Daraus folgen dann rechnerisch die nachstehenden Netzteil-Ausgangsspannungen:<br />
Endstufe Anoden:<br />
U = 522V – 460 Ohm * (60mA + 1,2mA + 3mA + 6,4mA)<br />
U = 522V – 460 Ohm * 70,6mA<br />
U = 522V – 32,5V<br />
U = 489,5V {Spitzenwert}<br />
Messung am Prototyp: 481V (Spitzenwert) / 463V (Tiefstwert) Amplitude des 100 Hz-Brumms 18Vpp<br />
Die Übereinstimmung ist nun, mit einem Fehler von –1,7% gegeben. Damit ist die Modellierung der<br />
Zusammenschaltung der Gleichrichterröhre und des Netztrafos bestätigt.<br />
Aufgrund der Wirkung der Drossel muß mit dem Mittelwert 472V weitergerechnet werden.<br />
Endstufe Schirmgitter:<br />
U = 472V – 107 Ohm * ( 1,2mA + 3mA + 6,4mA)<br />
U = 472V – 107 Ohm * 10,6mA<br />
U = 472V – 1,1V<br />
U = 471V<br />
Messung am Prototyp: 466V<br />
Phasensplitter:<br />
U = 471V – 4,7 kOhm * ( 3mA + 6,4mA)<br />
U = 471V – 4,7k Ohm * 9,4mA<br />
U = 471V – 44,2V<br />
U = 427V<br />
Messung am Prototyp: 422V<br />
Eingangs-, Treiber- und Kathodenfolgerstufe:<br />
U = 427V – 10k Ohm * 6,4mA<br />
U = 427V – 64V<br />
U = 363V<br />
Messung am Prototyp 352V<br />
Man erkennt, daß die einzige signifikante Abweichung zwischen der anfänglichen Modellierung des<br />
Netzteils und dem tatsächlichen Verhalten des aufgebauten Netzteils in der unterschiedlichen<br />
Leerlaufspannung des nach Literaturangeben angenommenen und des tatsächlichen Netztrafos<br />
besteht. Wenn man die tatsächliche Leerlaufspannung in das Modell einbringt, dann erhält man<br />
hinreichend übereinstimmende Ergebnisse.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Das statische Verhalten der Anodenversorgung im Belastungszustand<br />
Nun soll die Ausgangsspannung der Anodenversorgung bei Belastung rechnerisch abgeschätzt<br />
werden. Da diese Rechnung vor dem Aufbau des Prototypen vorgenommen wurde, bezieht sie sich<br />
noch auf die ursprünglich angenommene Trafo-Sekundärspannung von 460Vp im Leerlauf.<br />
Wird der Verstärker mit einem Signalausgesteuert, dann fließt der Laststrom von der hier modellierten<br />
idealen Gleichspannungsquelle über den Innenwiderstand des Netzteils, die Last und die Anoden der<br />
Endröhren. Die maximale Leistung an der Last ist, wie bereits erläutert, abhängig von der<br />
Versorgungsspannung und der Anoden-Restspannung. Letztere ist von der Schirmgitterspannung, und<br />
damit wiederum von der Versorgungsspannung abhängig: Sinkt die Versorgungsspannung, so<br />
verringert sich die maximal mögliche Leistung an der Last. Gleichzeitig verändert sich jedoch auch<br />
die Anoden-Restspannung, die wiederum die Leistung an der Last beeinflusst. Die tatsächliche<br />
Anodenspannung, die sich bei statischer Leistungsabgabe einstellt, lässt sich hier wieder durch eine<br />
Fixpunktrechnung ermitteln: In jeder Iteration wird die Leistung am Lastwiderstand bei einer<br />
bestimmten, initial festgelegten Anodenspannung berechnet (unter Berücksichtigung der Anoden-<br />
Restspannung, die sich bei der gegebenen Anodenspannung einstellt). <strong>Der</strong> daraus resultierende<br />
Spannungsabfall am Innenwiderstand der Spannungsversorgung wird im jeweils darauf folgenden<br />
Schritt berücksichtigt. Die Iteration wird so lange durchgeführt, bis sich das Ergebnis hinreichend<br />
genau stabilisiert hat. Die Ergebnisse der Rechnung sind in der folgenden Abbildung dargestellt.<br />
Verhältnisse in der Endstufe unter Berücksichtigung des Innenwiderstandes des Netzteils bei Abgabe<br />
der maximalen unverzerrten Sinusleistung, es wird noch von der ursprünglich angenommenen<br />
Leerlaufspannung von 460Vp der Anodenwicklung des Netztrafos ausgegangen.<br />
Die Rechnung gilt nur für den statischen, eingeschwungenen Zustand, denn nur dann kann der<br />
Einfluss der Siebdrossel vernachlässigt werden. Außerdem stellt das Ergebnis lediglich eine sehr grobe<br />
Näherung dar, da einige Effekte, wie z. B. der nichtlineare Innenwiderstand der<br />
Spannungsversorgung, Einflüsse von Oberschwingungen, die durch die Verzerrung bei beginnender<br />
Übersteuerung auftreten, sowie Veränderungen der Verstärkung des Gesamtsystems, vernachlässigt<br />
wurden. Unter den genannten Bedingungen und Vereinfachungen ist mit einer Anodenspannung von<br />
350V und einer Leistungsabgabe von 30W (RMS) an einer ohmschen Last zu rechnen.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Anodenspannung sinkt somit (wieder unter der Annahme von 460Vp Leerlaufspannung des<br />
Netztrafos) um 432V – 350V = 82V ab. Diese Größenordnung des Spannungseinbruchs wurde durch<br />
Messungen am Prototyp bestätigt. Die Spannung (Mittelwert) sank von ca. 470V auf ca. 390V ab.<br />
Am Prototyp wurde eine Dauerleistung (Definition: es setzt gerade noch keine Begrenzung des<br />
Sinussignals ein) von 25,6W gemessen. Man erkennt, daß die Größenordnung mit der berechneten<br />
Leistung übereinstimmt. Die, trotz der in der Realität höheren Trafo-Leerlaufspannung, geringere<br />
tatsächliche Leistung ist zum einen auf die leichte Fehlanpassung durch den zu geringen<br />
Lastwiderstand (1,8 Ohm statt 2 Ohm) und auch durch die ohmschen Verluste in den Zuleitungen<br />
und in der Sekundärwicklung des Ausgangsübertragers bedingt.<br />
Wenn man diese zuätzlichen Widerstände mit 0,2 Ohm abschätzt und eine „Hochrechnung“ der<br />
Gesamtleistung durchführt, dann ergäbe sich eine Leistung von 28,4W, die die Verlustleistung an den<br />
parasitären Widerständen mit einschließt.<br />
Das dynamische Verhalten der Anodenversorgung bei Lastwechsel<br />
Aufgrund des nicht unerheblichem Rechenaufwands wird auf eine „händische“ Berechnung<br />
verzichtet, stattdessen wurde eine Simulation der Ersatzschaltung mit PSPICE durchgeführt. Es wurde<br />
von einer aus dem Ruhezustand heraus durchgeführten Ansteuerung des Verstärkers mit einem<br />
sprunghaft zugeschalteten, dann in seiner Amplitude konstantbleibenden, Signal ausgegangen.<br />
Die Ergebnisse der, ebenfalls noch von 460Vp Leerlaufspannung ausgehenden, Simulation sind in<br />
der folgenden Abbildung dargestellt:<br />
Die Simulationsergebnisse für einen Lastsprung aus dem Ruhezustand heraus mit Bezug auf eine<br />
Trafo-Leerlaufspannung von 460Vp<br />
Auffällig ist das, durch die Eigenresonanz des aus der Siebdrossel und den Sieb- und Ladeelkos<br />
gebildeten Schwingkreises hervorgerufene Überschwingen. Die Induktivität der Siebdrossel ist 10H<br />
(Quelle: Kuehnel, The Fender <strong>Bassman</strong> 5F6-A Seite 148). Die wirksame Kapazität entspricht der<br />
Serienschaltung aus dem Ladekondensator (2 x 20uF)und dem Siebkondensator (20uF), das ist<br />
13,3uF. Damit ergibt sich rechnerisch eine Eigenfrequenz von 13,3 Hz. Dies stimmt näherungsweise<br />
mit der in obigen Simulationsergebnissen ablesbaren Frequenz überein.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Das folgende Oszillogramm zeigt die Verhältnisse an der Schirmgitterversorgung bei einem<br />
Lastsprung am Prototyp. (100ms/DIV, 200V/DIV, GND unterer Bildrand).<br />
Messung des Einbruchs der Schirmgitterversorgung am Prototyp (100ms/DIV, 200V/DIV, GND unterer<br />
Bildrand).<br />
Die Spannung bricht von 470V auf 400V ein, das ist ein Einbruch um 70V, in der Simulation wurde ein<br />
Einbruch um 60V ermittelt, der Unterschied ist auf die nicht exakt identische Ausgangsleistung bei<br />
Messung und Simulation zurückzuführen. <strong>Der</strong> Spannungseinbruch erreicht bei Simulation und<br />
Messung nach etwa 50ms seinen Endwert. Die Dämpfung der Eigenresonanz ist in der Realität<br />
wesentlich stärker als in der Simulation, das Überschwingen bei Beginn der Belastung ist in der Realität<br />
deutlich schwächer ausgeprägt. Bei der Messung ist jedoch ein deutliches Überschwingen bei der<br />
Rückkehr in den Ruhezustand festzustellen, es kann hier eine Frequenz von 12,5 Hz abgelesen<br />
werden, das ist angesichts der üblichen Toleranzen von Elektrolytkondensatoren als hinreichende<br />
Übereinstimmung zu werten.<br />
Die klanglichen Konsequenzen des dynamischen Verhaltend der Anodenversorgung<br />
Festzuhalten ist nun, daß nur im ersten Moment nach Beginn der Belastung die volle<br />
Versorgungsspannung bereitsteht. Daher gibt der Verstärker zunächst die bereits berechnete Leistung<br />
von ca. 47W an den Lautsprecher ab. Nach 150ms ist die Schirmgitterspannung und die<br />
Anodenspannung auf ihr Minimum abgesunken, das hier näherungsweise dem Wert des<br />
eingeschwungenen Zustandes gleichgesetzt werden kann. <strong>Der</strong> Verstärker liefert dann also nur noch<br />
ca. 30W. Wenn der Verstärker so ausgesteuert wird, daß er zu Beginn der Ansteuerung eine gerade<br />
noch unverzerrte Ausgangsspannung bei 47W Leistung liefert, dann führt die Reduktion der<br />
Anodenspannung unter Belastung dazu, daß die Endstufe dann das Signal bereits begrenzt, es<br />
kommen also Oberschwingungen zum Grundton hinzu.<br />
Musikalisch betrachtet klingt durch dieses Phänomen der Saitenanschlag klarer und 1,9 dB lauter als<br />
der Rest des Tones, was insgesamt zu einem prägnanteren Klang führt.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die 1,9dB führen beim Verklingen der Saite zusätzlich zu einer Klangverlängerung (Kompressor-Effekt),<br />
da die Gesamtverstärkung zusammen mit der Versorgungsspannung wieder ansteigt. Betrachtet<br />
man die mittlere Leistung zweier exponentiell abklingender Signale, so lässt sich die<br />
Klangverlängerung daran messen, um welchen Betrag ein bestimmter Punkt auf der Kurve durch die<br />
Kompression verzögert wird. Exemplarisch sei hier als Bezugspunkt die Stelle gewählt, an der der<br />
Funktionswert auf -10dB abgesunken ist:<br />
f<br />
1<br />
t<br />
−<br />
τ ( t)<br />
= e ⇔ t = −τ<br />
⋅ln(<br />
−10dB)<br />
−<br />
τ<br />
( t)<br />
= ⋅e<br />
⇔ t = −τ<br />
⋅ln<br />
( −10dB)<br />
0<br />
t<br />
0<br />
47W<br />
⎛<br />
f2<br />
1 ⎜<br />
30W<br />
⎝<br />
⎛ 30W<br />
⎞<br />
Δt<br />
= t1<br />
− t0<br />
= −τ<br />
⋅ln⎜<br />
⎟<br />
⎝ 47W<br />
⎠<br />
⎛ 30W<br />
⎞<br />
ln⎜<br />
⎟<br />
Δt<br />
⎝ 47W<br />
k<br />
⎠<br />
Release -10dB<br />
= = = 19,<br />
5%<br />
t ln<br />
( −10dB)<br />
30W<br />
⎞<br />
⋅ ⎟<br />
47W<br />
⎠<br />
Modellhafte Darstellung der abgegebenen Leistung über die Zeit bei einem sprunghaft<br />
beginnenden und dann exponentiell abnehmenden Verlauf der Amplitude des Eingangssignals<br />
unter Berücksichtigung des Einbruchs der Anodenversorgung.<br />
Hierbei modelliert f 1(t) die mittlere Leistung an der Last bei minimaler Verstärkung und f 2(t) die Leistung<br />
bei maximaler Verstärkung. In dem obigen Diagramm sind die Zusammenhänge für einen<br />
Saitenanschlag mit exponentiellem Verklingen grafisch dargestellt. Vor dem Anschlag befindet sich<br />
der Verstärker in Ruhe und besitzt seine höchste Spannungsverstärkung. Nach dem Anschlag sinkt die<br />
Leistung stark ab und folgt der Kurve f 1(t) (Verstärkung im belasteten Zustand). Anschließend erholt<br />
sich die Versorgungsspannung, die Verstärkung steigt wieder an und die Lautsprecherleistung folgt<br />
f 2(t). Durch die Erholphase wird das Verklingen um ca. 20% verzögert.<br />
.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Abschließend ist noch anzumerken, dass sich aufgrund der transienten Oszillation Klangfarbe und<br />
Lautstärke während des Einschwingvorgangs periodisch ändern. Allerdings ist es äußerst fraglich, ob<br />
derart leichte Nuancen tatsächlich wahrgenommen werden.<br />
Bei lang anhaltender Belastung kann auch die Vorstufenversorgung einbrechen (unterste Kurve in<br />
obigen Diagramm), was sich ebenfalls als Kompression und Übersteuerung bemerkbar macht.<br />
Genau genommen verändert sich der Klang des Verstärkers also ständig in Abhängigkeit von den<br />
gespielten Noten und verleiht dem Stück dadurch eine lebhafte und charakteristische Färbung.<br />
Die detaillierte Untersuchung des Verhaltens der Anodenversorgung bei Lastwechsel durch<br />
Messung am Prototyp<br />
Die folgenden Messungen wurden am Verstärker „<strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong>“ vorgenommen, der in der<br />
gewählten Konfiguration vollständig mit dem FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A identisch ist.<br />
Es wurde im ersten Schritt der statische statische Innenwiderstand Innenwiderstand der Anodenversorgung wie folgt ermittelt:<br />
Zunächst wurde die Höhe des Spannungseinbruchs bestimmt, wenn man den Verstärker im Leerlauf<br />
betreibt und anschließend bis zur maximalen Leistung aufsteuert.<br />
Am Ausgang des Verstärkers wurde ein Lastwiderstand 2,0 Ohm als Dummy-Load angeschlossen.<br />
<strong>Der</strong> Presence-Regler wurde auf „1“ gestellt.<br />
Die drei Klangregler wurden auf „10“ gestellt.<br />
<strong>Der</strong> Verstärker wurde in der „Original <strong>Bassman</strong>“ Einstellung betrieben.<br />
Als Eingangssignal wurde ein 1kHz-Sinussignal angelegt.<br />
Kontrolle der Ausgangsleistung bei Ansteuerung: „Harter“ Overdrive am Ausgang, Rechteck mit +/-<br />
10,8V über 2 Ohm => P = 58W.<br />
Betrieb ohne Eingangssignal:<br />
Spannung Kathode GZ34: Mittelwert 472V / Brumm 18Vpp<br />
Spannung Anoden GZ34: 496 Vp<br />
=> Spannung über GZ34: 15V {Im Scheitelpunkt der Trafo-Sekundärspannung}<br />
Stromflußzeit durch GZ34 / Halbwelle: 2,3 ms<br />
Betrieb mit maximaler Aussteuerung („Harter“ Overdrive)<br />
Spannung Kathode GZ34: Mittelwert 386V / Brumm 42Vpp<br />
Spannung Anoden GZ34: 448 Vp<br />
=> Spannung über GZ34: 41V {Im Scheitelpunkt der Trafo-Sekundärspannung}<br />
Stromflußzeit durch GZ34 / Halbwelle: 3,4 ms<br />
Nun werden die beiden so ermittelten Punkte auf der Arbeitskennlinie des Netzteils mit ohmschen<br />
Widerständen anstelle des tatsächlichen Verstärkers „nachgestellt“, damit man den Wert des<br />
Innenwiderstandes in Ohm bestimmen kann. Auf diese Weise wird die möglicherweise<br />
fehlerbehaftete Messung eines impulsförmigen Stromes umgangen.<br />
Anstelle des Verstärkers wird eine Parallelschaltung aus dem Widerstand R und einem<br />
parallelgeschalteten Ladekondensator C = 40uF zwischen Kathode GZ34 und Masse geschaltet.<br />
(Das Kabel zum Standby Switch wird entfernt, an dessen Stelle wird die RC-Kombination<br />
versorgungsseitig angeschlossen)<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Mit R = 1,5 kOhm: ( entspricht: Betrieb mit max. Aussteuerung)<br />
Spannung Kathode GZ34: Mittelwert 390V / Brumm 44Vpp<br />
Spannung Anoden GZ34: 450 Vp<br />
Strom durch R: 390V / 1K5 = 260 mA<br />
Mit R = 6,87 kOhm: ( entspricht: Betrieb ohne Eingangssignal)<br />
Spannung Kathode GZ34: Mittelwert 472V / Brumm 18Vpp<br />
Spannung Anoden GZ34: 498 Vp<br />
Strom durch R: 472V / 6K87 = 68 mA<br />
Zusätzlich wurde noch die Leerlaufspannung ermittelt:<br />
Mit R = 100 kOhm: ( Leerlauf)<br />
Spannung Kathode GZ34: Mittelwert 516V / Brumm nicht meßbar<br />
Spannung Anoden GZ34: 522 Vp<br />
Strom durch R: 516V / 100K = 5 mA<br />
Aus diesen drei Meßpunkten kann nun der Innenwiderstand abgeschätzt werden:<br />
Innenwiderstand („zwischen“ „ohne Eingangssignal“ und „max. Aussteuerung“)<br />
du / di = (472-390) V / ( 260 – 68) mA = 82V / 192 mA = 472 Ohm<br />
Innenwiderstand („zwischen“ „Leerlauf“ und „ohne Eingangssignal“)<br />
du / di = (516-472) V / ( 68 – 5) mA = 44V / 63 mA = 698 Ohm<br />
Es zeigt sich ein nichtlineares Verhalten des Innenwiderstandes, es kann ihm also kein direkter<br />
Zahlenwert zugeordnet werden.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Im folgenden Schritt wird das Verhalten Verhalten Verhalten der der der Anodenversorgung Anodenversorgung bei dynamischem dynamischem Lastwechsel<br />
untersucht. Hierzu wird sie wieder mit dem <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong>-Verstärker, in seiner bereits<br />
vorstehend beschriebenen Einstellung, verbunden. <strong>Der</strong> Verstärker wird mit einem Sinusburst mit der<br />
Frequenz 1kHz und einer Wiederholrate von 0,5 Hz angesteuert.<br />
Alle nachstehend abgebildeten Messungen wurden mit einem Tastkopf 1 zu 100 durchgeführt. Das<br />
GND-Potential ist stets die Bildschirmmitte<br />
Zunächst wurde mit „cleaner“ Aussteuerung gemessen.<br />
Die Schwankungen der Versorgungsspannungen mit der Aussteuerung sind nur sehr klein.<br />
Dementsprechend ist auch die Hüllkurve der Verstärker-Ausgangsspannung über die Zeitdauer des<br />
Bursts praktisch „eben“.<br />
Ausgangssignal parallel zu Dummy-Load = 2 Ohm bei „cleaner“ Aussteuerung.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-81
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Aussteuerung wurde erhöht, sie ist aber nach wie vor „clean“, ohne Clipping:<br />
Nun ist schon eine deutliche Modulation der Hüllkurve zu erkennen.<br />
Ausgangssignal parallel zu Dummy-Load 2 Ohm bei noch „cleaner“, aber im Vergleich zum<br />
vorherigen Bild erhöhter Aussteuerung.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-82
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Das folgende Bild zeigt den dazugehörigen Verlauf der Anodenversorgungsspannung, man erkennt<br />
bereits einen Einbruch der Spannung durch die Belastung bei Ansteuerung des Verstärkers.<br />
Spannung an der Kathode der GZ34, bei identischer Aussteuerung zu vorigem Bild.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-83
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> Spannungseinbruch ist auch „hinter“ er Siebdrossel, an der Versorgungsspannung für die Vor- und<br />
Treiberstufe sowie die Schirmgitter, zu erkennen. Auffällig ist das, durch die Eigenresonanz des aus der<br />
Siebdrossel und den Sieb- und Ladeelkos gebildeten Schwingkreises hervorgerufene Überschwingen<br />
nach dem Abklingen des Sinusbursts.<br />
Spannung „hinter“ der Siebdrossel, bei identischer Aussteuerung zu vorigem Bild.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Die Periodendauer dieser gedämpften Schwingung kann auf dem obigen Oszillogramm mit 80 ms<br />
= 1/ 12,5 Hz abgeschätzt werden.<br />
Die Induktivität der Siebdrossel ist 10H (Quelle: Kuehnel, The Fender <strong>Bassman</strong> 5F6-A Seite 148). Die<br />
wirksame Kapazität entspricht der Serienschaltung aus dem Ladekondensator (2 x 20uF)und dem<br />
Siebkondensator (20uF), das ist 13,3uF. Damit ergibt sich rechnerisch eine Eigenfrequenz von 13,3 Hz,<br />
was sehr gut mit dem beobachteten Wert von ca. 12,5 Hz übereinstimmt.<br />
Seite 3-84
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Aussteuerung wurde soweit erhöht, daß ein Clipping stattfindet, aber noch kein „Rechtecksignal“<br />
aus dem Verstärker kommt. <strong>Der</strong> Verstärker arbeitet im „leichten „leichten Overdrive“<br />
Overdrive“<br />
Man erkennt, daß die Amplitude des Ausgangssignals zu Beginn des Bursts maximal ist und dann<br />
abfällt.<br />
Ausgangssignal parallel zu Dummy-Load 2 Ohm, deutlich ist der Amplitudenabfall zu Beginn des<br />
Bursts zu sehen.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-85
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Bei zeitlicher Dehnung fällt die 100 Hz-Welligkeit des Ausgangssignals auf:<br />
Ausgangssignal parallel zu Dummy-Load 2 Ohm, entsprechend vorheriger Messung aber zeitlich<br />
gedehnt, deutlich ist der 100 Hz-Brumm zu sehen.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-86
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Das folgende Oszillogramm zeigt den Einbruch der Anodenversorgungsspannung in Folge der<br />
Ansteuerung mit dem Sinusburst. Man erkennt, daß die Höhe des Spannungseinbruchs mit stärkerer<br />
Aussteuerung zunimmt.<br />
Spannung an der Kathode der GZ34, bei identischer Aussteuerung wie beim vorherigem Bild.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-87
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> Spannungseinbruch in der Versorgungsspannung für die Vorstufen/die Schirmgitter nimmt<br />
erwartungsgemäß ebenfalls zu:<br />
Spannung „hinter“ der Siebdrossel, bei identischer Aussteuerung wie beim vorherigen Bild.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-88
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Aussteuerung wurde weiter erhöht, in den Bereich des „harten“ Overdrives“<br />
Man erkennt eine Zunahme des Spannungsabfalls und vor allem der 100 Hz-Welligkeit:<br />
Ausgangssignal parallel zu Dummy-Load 2 Ohm<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-89
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Bei zeitlicher Dehnung der Darstellung der Ausgangsspannung ist die starke 100 Hz-Modulation<br />
deutlich zu erkennen:<br />
Ausgangssignal parallel zu Rl = 2 Ohm, gedehnt, zur Sichtbarmachung des 100 Hz-Brumms.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-90
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Auch die Versorgungsspannung ist bei dieser hohen Aussteuerung noch stärker mit der 100 Hz-<br />
Brummspannung überlagert:<br />
Spannung an der Kathode der GZ34, bei identischer Aussteuerung wie beim vorherigen Bild.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-91
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die Versorgungsspannung für die Vorstufen/die Schirmgitter ist jedoch nach wie vor praktisch<br />
brummfrei:<br />
Spannung „hinter“ der Siebdrossel, bei identischer Aussteuerung wie beim vorherigen Bild.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-92
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Auch hinter dem „ersten“ Siebwiderstand, an der Versorgungsspannung für die Treiberstufe, kann ein<br />
Spannungseinbruch beobachtet werden:<br />
Spannung über C2005, hinter dem „ersten“ Siebwiderstand, bei identischer Aussteuerung wie beim<br />
vorherigen Bild.<br />
Tastkopf 1 zu 100 / GND-Potential in Bildschirmmitte<br />
Seite 3-93
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Aufbau, Test und Inbetriebnahme<br />
<strong>Der</strong> erste elektrische Test und die Inbetriebnahme verliefen zügig und ohne größere Schwierigkeiten.<br />
Die gemessenen Werte erwiesen sich als hinreichend mit den vorangegangenen theoretischen<br />
Überlegungen übereinstimmend, die Gegenüberstellung der theoretisch ermittelten und der<br />
gemessenen Werte erfolgte bereits bei den Beschreibungen der einzelnen Schaltungsteile.<br />
Die folgenden Bilder sollen einen Eindruck vom Aufbau und von der ersten Inbetriebnahme des<br />
<strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> vermitteln.<br />
Die Leiterplatte des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> von der Oberseite gesehen<br />
Das Bild auf der Folgeseite zeigt die Unterseite der Leiterplatte des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong>. Es wurden<br />
hochwertige, dem Originalgerät weitgehend entsprechende passive Bauteile eingesetzt.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Seite 3-95
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die einzelnen, fertiggestellten Komponenten vor dem Zusammenbau. (Die linksseitigen Leiterplatten<br />
gehören zum <strong>WILDCAT</strong> Dynamic Compressor) Alle Leiterplatten wurden in doppelter Ausfertigung<br />
gebaut, um den Effekt von Modifikationen durch schnellen A/B-Vergleich testen zu können.<br />
Seite 3-96
Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> erste Testaufbau<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Messung von Arbeitspunkten am Prototyp<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Verfolgung des Gitarrensignals durch den Prototyp<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
<strong>Der</strong> Klangeindruck stellt alle Beteiligten zufrieden<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Die ersten klanglichen Ergebnisse<br />
Als erster Musiker testete der Berliner Rock- und Bues-Gitarrist Charlie Dieht den <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong>.<br />
Charly Diehl spielt über den <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong><br />
Er machte eine interessante Beobachtung: Ihm fiel sofort die „Bizzeligkeit“ des Klangs auf, wenn er<br />
alleine spielte, fand er sie ein wenig unangenehm. Aber dann, im Zusammenspiel mit einem<br />
Bassisten, war die „Bizzeligkeit“ nicht mehr störend wahrnehmbar. Stattdessen äußerte sie sich ein<br />
einem besonders guten Durchdringungsvermögen der Gitarre.<br />
Wahrscheinlich ist diese Eigenschaft des <strong>Bassman</strong> auf die Modulation des Ausgangssignals mit einer<br />
100 Hz-Welligkeit zurückzuführen, die mit der Übersteuerung der Endstufe einsetzt.<br />
Er spielte sehr gerne über den <strong>Bassman</strong>, der Klang gefiel ihm, das Zuhören war für alle Beteiligten ein<br />
Genuss.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Es folgte ein weiterer Test mit dem Gitarristen Axel Praefcke von der Band „Ike and the Capers“. Er war<br />
vom Klang des <strong>Bassman</strong> spontan begeistert, was sich dann in einem etwa fünfminütigen Gitarrensolo<br />
äußerte, das wohl allen Zuhörenden für immer im Gedächtnis bleiben wird.<br />
Axel Praefcke spielt über den <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong><br />
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Auf der Langen Nacht der Wissenschaften am 09.06.2007 wurden unsere <strong>WILDCAT</strong>-Verstärker das<br />
erste Mal der Öffentlichkeit präsentiert. Die Band "Ike an the Capers" und Sänger/innen des "Deutsch-<br />
Französische Chors" spielten ein authentisches 1950's/1960's-Programm mit Elvis-Songs über unsere<br />
Verstärker.<br />
In der zweiten Hälfte des Konzerts kam der <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> zum Einsatz. Die Sänger/innen des<br />
"Deutsch-Französischen Chores" übernahmen den Part der legendären "Jordanaires". Es wurden<br />
Songs aus der Zeit von 1957 bis 1961 gespielt, bei denen Hank Garland mitgespielt hatte.<br />
<strong>Der</strong> zweite Teil des Live-Konzerts ( v. l. n. r.: Axel Praefcke, Christiane Klein, Corinne Kirchhoffer, Kim<br />
Schott, Susanne Stöhr, Jürgen Devrient, Steffen Raphael Schwarzer, nicht sichtbar Thorsten Peukert,<br />
Ike Stoye, Michael Kirscht )<br />
Besondere Höhepunkte waren die Songs "A Fool such as I" mit seinem faszinierenden<br />
Spannunsgbogen zwischen dem raffinierten Chorsatz und den ausdrucksstarken Gitarrenriffs und der<br />
Song "Little Sister", bei dessen Originalaufnahme im Studio B in Nashville Hank Garland mit einer Solid-<br />
Body-Gitarre über einen FENDER <strong>Bassman</strong> 5F6-A seine markanten Gitarrenriffs gespielt hat. Die<br />
absolut perfekte Übereinstimmung des Klangbilds der E-Gitarre zwischen dem 1961 (also 46 Jahre<br />
vorher) aufgenommenen Original und der Live-Darbietung war absolut verblüffend.<br />
Man kann diese Übereinstimmung gut heraushören, da es in dem Stück Stellen gibt, an denen nur<br />
die Gitarre Hank Garlands spielt Die Referenzaufnahme wurde direkt vom Masterband von 1961<br />
digitalisiert, sie ist erst vor wenigen Jahren auf der neu erschienen Elvis-CD "Such a Night" in dieser<br />
grandiosen Qualität veröffentlicht worden Es wurde sowohl bei der Aufnahme als auch beim Konzert<br />
eine Solid-Body-Gitarre von Fender verwendet<br />
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<strong>Der</strong> systematische klangliche Test und die daraus entstandenen<br />
Schlußfolgerungen für die Weiterentwicklung des <strong>WILDCAT</strong><br />
<strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong><br />
Allgemeines<br />
Am 20.08. 2007 wurde der <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> gemeinsam mit Axel Praefcke im Tonstudio von<br />
LIGHTNING RECORDERS Berlin ausführlich getestet.<br />
Schritt 1: Test der „Original <strong>Bassman</strong>“-Konfiguration<br />
Die auf der Folgeseite abgebildete Einstellung erwies sich als optimal:<br />
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Die Gitarre wurde direkt an den Verstärker angeschlossen, nichts war dazwischengeschaltet.<br />
Es klang genauso wie bei Hank Garland, ähnlich wie bei Little Sister und A Big Hunk Of Love,<br />
„bizzelig“, bluesig angezerrt, mit Nadelstichen, der Verfasser spürte einen starken Impuls aufzustehen<br />
und zu tanzen. <strong>Der</strong> Klang ging mehrdimensional auf, blieb dabei klar und durchsichtig. Es erinnerte<br />
den Verfasser an das Solo in der deutschen Version von „I Got Stung“ von Ted Herold. Es war absolut<br />
authentischer „Late 50‘s“- Gitarrensolo-Klang. <strong>Der</strong> Verfasser hatte die Empfindung „10'000 Ameisen<br />
laufen meinen Rücken herunter“.<br />
Hierbei wurde über die untere, nicht spannungsteilende Buchse gespielt, die obere Buchse mit 1 zu 2<br />
Spannungsteiler bräuchte man eigentlich nicht, wenn man weniger Verzerrung der Eingangsstufe will,<br />
dann kann man das auch über den Lautstärkeregler an der Gitarre machen. Interessant war auch,<br />
der Unterschied zwischen der Verwendung der beiden Eingangsbuchsen, wenn Axel Praefcke im Stil<br />
von Johnny Cash spielte, also rhythmisch, gedämpft, auf den unteren Saiten. Dann bekam der Klang<br />
es, wenn er über die nicht spannungsgeteilte Eingangsbuchse spielte eine mitreißende Dynamik, die<br />
man bei der oberen Buchse so nicht hatte. <strong>Der</strong> Anschlag wurde sehr perkussiv.<br />
<strong>Der</strong> zweite Eingangskanal wurde auch getestet. Eine gegenseitige Beeinflussung der Kanäle durch<br />
Stellung der Lautstärkeregler, so wie beim DELUXE ist praktisch nicht vorhanden. Als sehr wichtig hat<br />
sich der BRIGHT-Schalter herausgestellt. Damit kann man Solis noch „nadelstichiger“ spielen. Die<br />
Empfindung des Verfassers: „Wenn man das hört, dann kann man nicht mehr ruhig stehenbleiben. Es<br />
ist, also ob die Töne ohne jeden Umweg direkt das Gefühlszentrum im Gehirn erreichen. Eine<br />
unglaubliche Intensität“. Bei gleichzeitigem Anschlag mehrerer Saiten entstanden ab einer gewissen<br />
Lautstärke faszinierende Obertöne, wahrscheinlich ein Mischprodukt durch das nichtlineare Verhalten<br />
des übersteuerten Verstärkers, die dem ansonsten glasklaren Klang eine bittersüße, bluesige<br />
Untermalung gaben. Es erinnerte den Verfasser von der Empfindung her an den sich ebenfalls nicht<br />
vordergründiger Harmonieerwägung beugenden bitteren Geschmack eines Ingwerstäbchens.<br />
Es wurden die folgenden Schlußfolgerungen gezogen: Man kann die 1 zu 2 geteilten Eingänge<br />
weglassen. Auch ein zweiter Kanal ist eigentlich nicht erforderlich. <strong>Der</strong> zweite Kanal ist nur historisch<br />
bedingt, man hat früher oft zwei Instrumente über einen Verstärker gespielt.<br />
Schritt 2: Test mit zugeschaltetem Federhall<br />
Die Hallintensität wurde als stärker als bei sonst üblichen Verstärkern wahrgenommen, das wurde als<br />
ein <strong>Plus</strong> des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> empfunden. Die zuschaltbare Klangregelung vor der Hallspirale<br />
„verdarb“ den Klang ein wenig, sie bringt keinen Vorteil. Die Klangregelung vor der Endstufe,<br />
entsprechend dem Original-<strong>Bassman</strong> reicht aus.<br />
Es wurden die folgenden Schlußfolgerungen gezogen: Die Klangregler in der Vorstufe mitsamt<br />
Umschaltrelais und Schalter können wegfallen. <strong>Der</strong> Hall soll mit einem Fußschalter clicfrei ein- und<br />
ausschaltbar sein.<br />
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Schritt 3: Test mit Bypass des endstufenseitigen Klangreglers (Boost-<br />
Funktion)<br />
Wenn man den Klangregler überbrückt und die Endstufe direkt ansteuert, dann gerät diese schon bei<br />
geringeren Lautstärken in die Verzerrung. Das ist für Axel Praefcke ein nettes Extra, man kann es seiner<br />
Meinung nach gut gebrauchen, wenn man in kleinen Clubs spielt. Zudem dringt die Gitarre auf diese<br />
Weise schon bei kleineren Lautstärken besser durch. Da man den Klangregler dann nicht mehr zur<br />
Verfügung hat, sollte dieses Feature seiner Meinung nach per Fußschalter clicfrei zuschaltbar sein,<br />
also z.B. nur kurzzeitig für ein Solo.<br />
Es wurden die folgenden Schlußfolgerungen gezogen: Das Boost-Feature ist ein nettes Extra, daß den<br />
<strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> von anderen Verstärkern unterscheidet. Es muß jedoch per Fußschalter clicfrei<br />
zuschaltbar sein.<br />
Schritt4: Vergleich von Vorstufen- und Endstufenvezerrung / Master<br />
Volume<br />
Die Vorstufe wurde „voll aufgedreht“ und das externe Master Volume, eingeschleift in „Loop3“,<br />
zurückgedreht. <strong>Der</strong> Klang änderte sich dann stark, das „glasige“, intensive Moment verschwand. Das<br />
Klangbild wurde kompakter, aber auch ein wenig mulmig. Aber es entsteht eine interessante Art der<br />
Verzerrung. Es klingt genauso wie bei Chuck Berry und bei den ersten R&B-Coveraufnahmen der<br />
Rolling Stones, wie etwa Route 66.<br />
Hierbei ist zu beachten, daß die gegenwärtige Ausführung des Master Volumes schaltungstechnisch<br />
an der falschen Stelle sitzt, die Quellimpedanz für den Endstufeneingang wird durch das 1 MOhm-<br />
Poti erhöht, womit insbesondere die Höhen geschwächt werden.<br />
Es wurden die folgenden Schlußfolgerungen gezogen: Master-Volume überarbeiten, ggf. vor<br />
Kathodenfolger setzen, bei Platzmangel kann es aber auch entfallen, nice to have aber nicht<br />
unverzichtbar. <strong>Der</strong> eigentliche Knüller des Sounds kommt ganz klar aus der Endstufenverzerrung<br />
Allgemeine Gedanken aus der gemeinsamen Diskussion im Zuge der<br />
Tests:<br />
Die ganze Aufführung der Band kann man als Gesamtkunstwerk sehen. Das fängt bei er sorgfältig<br />
ausgesuchten Bühnenkleidung an und hört bei der Musik als solche auf. In diesem Kontext sind<br />
unsere Verstärker keine Technischen Geräte im herkömmlichen Sinne, die lediglich in Bezug auf ihren<br />
Nutzwert relevant sind, sondern sie sind Teil dieses Gesamtkunstwerks. Daher hat es einen ideellen,<br />
künstlerischen Wert, wenn sie authentisch, genau so wie in den 1950‘s, ohne Chips und Platinen<br />
aufgebaut sind. Hierzu Axel Praefcke sinngemäß: „Als ich über den handverdrahteten Deluxe gespielt<br />
habe, da habe ich mich einfach gut dabei gefühlt, in dem Wissen, das der Verstärker absolut<br />
original ist, das da nicht noch irgendwo heimlich ein Chip versteckt ist. Da konnte ich dann auch<br />
noch mal anders spielen. Es hat durch das Wissen um das Innenleben des Verstärkers noch mehr<br />
Spaß gemacht. Für so einen handgemachten Verstärker kann man viel höhere Preise erzielen“<br />
Es dürfen sicht so viele Knöpfe und Bedienelemente vorhanden sein. Unübersichtlichkeit schreckt ab.<br />
Oft werden Verstärker von Anderen als ihrem Besitzer benutzt.. Die wollen sich dann auf der Stelle<br />
sicher fühlen. Auf keinen Fall große Bedienfelder mit vielen Knöpfen. Im Zweifelsfall lieber mehrere<br />
Felder (vorne und hinten) mit dann weniger Knöpfen. Bedienelemente für Optionen werden besser<br />
aus dem Hauptbedienfeld herausgehalten.<br />
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker <strong>WILDCAT</strong> <strong>WILDCAT</strong> BASSMAN<br />
Zusammengefasste technische Schlußfolgerungen für die<br />
Weitetentwicklung des <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong>:<br />
- Handverdrahtung statt Leiterplatte, schön und übersichtlich, Plexiglas wo möglich und sinnvoll,<br />
daß man das Innere auch gut sehen kann<br />
- Doppel-Fußschalter für Federhall und Boost. Das ist ein nettes Extra, ein verstecktes Glanzstück,<br />
das den <strong>WILDCAT</strong> <strong>Bassman</strong> <strong>Plus</strong> von anderen Verstärkern unterscheidet.<br />
- Clicfreie Umschaltfunktion für Boost und Federhall anstelle der bisherigen Relais<br />
- <strong>Der</strong> Klangregler in der Vorstufe wird weggelassen<br />
- 1 zu 2 geteilte Eingänge werden weggelassen<br />
- <strong>Der</strong> zweite Kanal kann ohne Schaden weggelassen werden<br />
- Die Boost-Funktion wird, per Fußschalter clicfrei schaltbar, vorgesehen<br />
- Einbau des Master Volume bedenken, kann aber ggf. weggelassen werden<br />
- Die "Loop1"- Einschleifung ist überflüssig, man kann Effektgerät direkt in Eingang stecken<br />
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