Distortionbox

Abstract

Eine Effektbox für E-Gitarren mit zwei Pfaden, Distortion und Clean, und der Möglichkeit diese zu mischen.

Mai 2018

Die Schaltung

D1 dient als Verpolungsschutz. L1 wirkt mit C2-5 als Tiefpass, und filtert Störungen von getakteten Netzteilen raus.\[f_g=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}=\frac{1}{2\pi\sqrt{6.8\mu H*4*470\mu F}}\approx1.4kHz\]Mit IC3A wird die 4.5V Referenzspannung erstellt. Diese wird als Bezugspunkt für Audiosignale verwendet. Das ist notwendig, weil die Operationsverstärker asymmetrisch gespiesen sind.

Der Eingang wird durch den Hochpass C1 und R1 AC gekoppelt. Die 1MΩ werden fast überall gewählt, weil so die Pickups nicht zu sehr belastet werden, was die hohen Frequenzen abschneiden würde. Zusammen mit dem 47nF Kondensator ergibt sich eine Grenzfrequenz von 3.4Hz. Somit wird das Gitarrensignal ungestört durchgelassen.\[f_g=\frac{1}{2\pi*C_1*R_1}=\frac{1}{2\pi*47nF*1M\Omega}\approx3.4Hz\]
Die Potis an X7 und X8 steuern die Lautstärke des jeweiligen Kanals. Weil unser Gehör die Lautstärke umgekehrt logarithmisch wahrnimmt, sind diese Potis logarithmisch. Mit dem Poti an X3 wird die Verzerrung, resp. die Verstärkung des OPs, eingestellt. Wenn das Poti ganz links ist, also 0Ω hat, wird das Signal mit Faktor 1 verstärkt. Das heisst, das Signal bleibt so wie es ist. Wenn es ganz rechts ist, hat es 10kΩ, was zu einer Verstärkung von 162 führt.\[V=\frac{R_{X3}}{R_5}+1=\frac{10k\Omega}{62\Omega}+1\approx162\]
So werden die Dioden sehr schnell leitend und auch der OP schlägt bald an der Betriebsspannung an. Damit der Strom durch die Dioden nicht zerstörerisch wirkt, ist er durch R6 begrenzt.\[I_P=\frac{U_P-3*U_D}{R_6}=\frac{4.5V-3*0.65V}{510\Omega}=5mA < 300mA = I_{Dmax}\]
Ferner kann mit dem Mode Schalter eine Asymmetrie in der Verzerrung bewirkt werden. Entweder bei der positiven oder bei der negativen Halbwelle. Oder er ist in der Mittelstellung und es wird symmetrisch verzerrt. Bei einer asymmetrischen Verzerrung werden zwei Dioden überbrückt, was den Strom erhöht.\[I_P=\frac{U_P-U_D}{R_6}=\frac{4.5V-0.65V}{510\Omega}\approx7.5mA < 300mA = I_{Dmax}\]
Das Signal wird nun mit dem 10kΩ Poti an X7 genügend hochohmig (mindestens Faktor 10, auch wenn die anderen Potis die schlechtesten Stellungen haben) abgegriffen.
Das Clean Signal wird mit Faktor zwei verstärkt, um in ungefähr den gleichen Bereich zu kommen wie das verzerrte Signal, das so um die 2V liegt. Danach geht es ebenfalls über ein logarithmisches 10kΩ Poti weiter.

Mit dem Poti an X9 kann man das Mischverhältnis zwischen dem verzerrten und dem unverzerrten Kanal einstellen. Hier wurde ein lineares Poti gewählt, weil sonst die beiden Hälften nicht das gleiche Verhalten hätten. Das gemischte Signal wird dann über einen Impedanzwandler zur Tonecontrol weitergegeben.
Aus dem Signal werden nun zwei komplementäre Signale erstellt. Eines mit einem Tiefpass und das andere mit einem Hochpass. Weil die beiden Filter die gleichen Werte haben, ist ihre Grenzfrequenz, also der 3dB Punkt, die gleiche. Somit ergibt sich ein Drehpunkt bei 1kHz. \[f_g=\frac{1}{2\pi*R*C}=\frac{1}{2\pi*1k\Omega*150nF}\]
Die Tonwaage wurde auch simuliert:

Poti 20%

Poti 50%

Am Ausgang wird die Referenzspannung dann mit einem Hochpass weggefiltert. Mit seiner Grenzfrequenz von höchstens 38.6Hz (bei 600Ω Belastung), lässt auch dieses Filter das Gitarrensignal ungestört durch.\[fg=\frac{1}{2\pi*R_4//R_L*C_{11}//C_{12}}=\frac{1}{2\pi*1k\Omega//600\Omega*11\mu F}\approx38.6Hz\]Wenn sich der Lastwiderstand erhöht, sinkt automatisch die Grenzfrequenz.

Gehäuse

Das Gehäuse ist eine standart Stompbox. Sie wurde noch grau eloxiert. Damit das Gehäuse mit Masse verbunden ist, wurde die Eloxierung an den Stellen, wo die Distanzbolzen sind, wider entfernt. Die Befestigungslöcher am Print sind mit Masse verbunden.

Messungen

Gitarrensignal

Vor dem Designen des Distortion-Pfads wurde das höchste Signal der Gitarre gemessen. Um das zu bewerkstelligen, habe ich ein Strummingpattern sehr stark, schon fast unrealistisch stark, gespielt, und mit dem Oszilloskop die höchsten Spitzen gemessen.

Für die Berechnungen verwendete ich also Upeak = 1.3V. Da ich auch nicht genau weiss, wo sich meine Gitarre statistisch befindet, habe ich meiner Schaltung einen gewissen Headroom gegeben.

Distortion

CH1: Eingang / CH2: X7.1

Mischer

Hier wurden eine starke Verzerrung und das Clean-Signal gemischt.
CH1: Eingang / CH2: X9.2

Fazit

Das Resultat lässt sich wirklich hören. Mir gefallen die Einstellungsmöglichkeiten und der dabei entstehende Sound sehr. Nur der Tone Regler hat keine grosse Wirkung. Die Resonanzfrequenz sollte wohl etwas höher sein und eventuell müssten auch steilere Filter verwendet werden um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Das ist aber nicht so schlimm, der Amp hat ja einen Equalizer.