DE10153127A1

DE10153127A1 - Audioverstärker mit Lautstärkesteuerung

Info

Publication number: DE10153127A1
Application number: DE10153127A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Flentje
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2002-05-23
Also published as: DE10153128A1; US20020048379A1; US20020118853A1

Abstract

Audioverstärker für Musikinstrumente, insbesondere Gitarrenverstärker auf Röhrenbasis, erzeugen bei Übersteuerung einen bestimmten, für die E-Gitarre typischen, verzerrten Klang. Ein so betriebener Verstärker ist oftmals um ein Vielfaches zu laut, verliert aber bei Reduzierung der Lautstärke auf herkömmliche Art den typischen Klang. Der neue Verstärker soll eine frequenzsensible Schaltung zur Lautstärkesteuerung nach dem Endstufenausgang beinhalten. DOLLAR A Um frequenzsensible Lautstärkesteuerung zu ermöglichen, wird ein festes Impedanzelement in Serienverbindung mit dem angeschlossenen Lautsprecher gekoppelt. Ein variables frequenzabhängiges Impedanzelement mit veränderlichem Abgriff wird parallel dazu über den Ausgang des Verstärkers geschaltet. Der veränderliche Abgriff wird an den Verbindungspunkt der Serienschaltung gelegt, sodass ein erster Teil des frequenzabhängigen Impedanzelementes parallel zum festen Impedanzelement und ein zweiter Teil des frequenzabhängigen Impedanzelementes parallel zur Lautsprecherimpedanz geschaltet ist. Durch komplementär abhängige Veränderung der jeweiligen Bezugswerte der Teilimpedanzen kann mit dem variablen frequenzabhängigen Impedanzelement die Menge an elektrischer Energie festgelegt werden, die jeweils an dem festen Impedanzelement abfällt und in Wärme umgewandelt wird und/oder die jeweils den Lautsprecher treibt. Die Eingangsimpedanz der Schaltung bleibt in etwa konstant. DOLLAR A Der Verstärker ermöglicht die Produktion von obertonreichen, ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verstärkersysteme für Musikinstrumente, insbesondere Gitarrenverstärker.

Verstärker für Musikinstrumente waren ursprünglich zur reinen Klangverstärkung gedacht. Mit der Entwicklung des Rock and Roll überschritten die Lautstärkeanforderungen jedoch die damaligen Leistungsgrenzen und die z. B. Gitarrenverstärker wurden von ihren Benutzern in die Übersteuerung gefahren. Der daraus resultierende verzerrte Klang erfreute sich schnell grosser Beliebtheit und stellt bis heute ein Grundklangelement in der zeitgenössischen Musik dar. Technisch gesehen sind solche Gitarrenverstärker sehr einfache Konstruktionen auf Röhrenbasis, aber der typische Klang eines solchen Verstärkers im maximalen Verstärkungsbereich hat sich bis heute zum Markenzeichen des modernen Gitarrenspiels entwickelt.

Leider sind solche Verstärker in den meisten zeitgenössischen Anwendungen schlichtweg zu laut, können aber nicht in der Lautstärke reduziert werden, ohne dass dabei der typische Klang verloren geht. Der Stand der Technik zeigt zwar eine Vielzahl von unterschiedlichen moderneren Gitarrenverstärkerausführungen, doch der Klang eines übersteuerten Röhrenverstärkers einfacher Bauart bleibt bis heute unerreicht. Es ist daher ein wünschenswertes Ziel, so einen Verstärker in der Lautstärke reduzieren zu können, ohne dass dabei der typischen Klang beeinträchtigt werden würde.

Ein erster dorthingehender Versuch war der Einbau eines sog. Mastervolumereglers zwischen der Vorstufe und der Endstufe eines solchen Verstärkers. Leider bliebe die so erzeugten Klänge jedoch äusserst mangelhaft. Viele Entwickler haben weiterhin versucht, einen solchen Verstärker entwickeln, die Resultate sind jedoch bis jetzt nicht befriedigend.

US-Patent 4286492 von Claret zeigt den Ansatz, die als sog. "clipping point" bekannte Übersteuerungsgrenze der Endstufe veränderlich zu gestalten. US-Patent 5091700 von Smith zeigt einen mit bis zu 25% reduzierter Versorgungsspannung betriebenen Verstärker. US-Patente 4143245 und 4363934 von Scholz zeigen den Ansatz, Lastwiderstände zwischen Verstärkerausgang und Lautsprecher zu schalten. US-Patent 6111961 von Hedrick und Lamarra zeigt einen Röhrenverstärker mit einer künstlichen, miniatisierten Endstufensektion, die vor die eigentliche Endstufe geschaltet wird und übersteuert wird, um eine künstliche "Endstufenverzerrung" zu erzeugen.

Keine der vorgeschlagenen Lösungen hat bis jetzt zu befriedigenden Ergebnissen geführt. Lediglich die Ansätze von Scholz und Hedrick/Lamarra deuten in die richtige Richtung. Die künstliche "Endstufe" erzeugt zwar einen angenehmen Klang, produziert aber nicht die gewünschte Dynamik. Umgekehrt bei Scholz bleibt der Ton lebendig, verliert aber mit reduzierter Lautstärke immens an Klangqualität, da die hochfrequenten Signalanteile über die Lastwiderstände gegen Masse verloren gehen. Ausserdem lässt sich die Lautstärke lediglich in groben 3db-Schritten reduzieren.

Ziel der vorgestellten Erfindung ist demnach, einen Verstärker zu konstruieren, der sowohl authentischen Klang als auch klangneutrale Lautstärkesteuerung bietet.

Der vorgestellte Verstärker enthält neben einer, vorzugsweise in Röhrentechnik ausgeführten Vorstufe und einer, vorzugsweise ebenfalls in Röhrentechnik ausgeführten Endstufe ein Lautstärkesteuerelement in Form eines frequenzsensiblen Dämpfungsschaltkreises. Der Schaltkreis ist zwischen Endstufenausgang und angeschlossenen Lautsprecher gekoppelt und besteht aus einem festgelegten Impedanzelement in Form eines Lastwiderstandes, um überflüssige elektrische Energie in Wärme umzuwandeln, und einem variablen frequenzsensitiven Impedanzelement, um das Verhältnis zwischen der am Lautsprecher anliegenden elektrischen Energie und der im Lastwiderstand abfallenden Energie zu steuern. Das variable frequenzsensitive Impedanzelement ist vorzugsweise eine Spule mit veränderlichem Abgriff, der die Gesamtimpedanz in zwei komplementär veränderliche Teilimpedanzen unterteilt. Der Abgriff ist an den Verbindungspunkt der Parallelschaltung, zwischen Lastwiderstand und Lautsprecherimpedanz geschaltet, sodass die erste Teilimpedanz parallel zum Lastwiderstand und die zweite Teilimpedanz parallel zum Lautsprecher liegt.

Da im Kontrollelement keine bemerkenswerte Wärme entsteht, kann der Schaltkreis in das Chassis eines Verstärkers integriert werden und ermöglicht so für den Benutzer eine bequeme Kontrolle der Ausgangslautstärke über einen Regler in der Frontseite des Verstärkers.

Des weiteren kann der Schaltkreis auch als klangneutraler Lautstärkeregler in ein passives Lautsprechergehäuse integriert, oder als Extraeinheit zwischen einen beliebigen Verstärker und daran angeschlossene Lautsprecher gekoppelt werden.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Verstärkers mit einer Vorstufe 12 mit Eingang zur Signalaufnahme 10. Zwischen die Endstufe 14 und den Lautsprecher 18 ist der Dämpfungsschaltkreis 16 geschaltet.

Fig. 2 zeigt den Aufbau der Schaltung 16. Ein 22 Ohm Lastwiderstand 24 ist mit Draht 33 in einer Serienverbindung mit Lautsprecher 18, die wiederum komplett mit Drähten 21 und 22 über den Endstufenausgang 21a und 21b des Verstärkers 20 geschaltet ist. Eine Spule 26 mit einer Induktivität von 53,5 mH und resistiver Impedanz von 6 Ohm ist mit Drähten 25 und 34 parallel zur o. g. Serienverbindung über den Eingang der Schaltung 21a und 21b gelegt und hat einen veränderlichen Abgriff 30, dessen Ausgang 32 mit Draht 29 an den Verbindungspunkt der Serienschaltung, zwischen Widerstand 24 und Lautsprecher 18 gelegt ist.

Fig. 3 zeigt die Funktion der Schaltung als frequenzsensiblen Spannungsteiler. Der Abgriff 30 unterteilt die Spule 26 in zwei komplementär veränderbare Teilimpedanzen 26a und 26b und legt 26a parallel zum Lastwiderstand 24 und 26b parallel zum Lautsprecher 18.

Ein typisches Gitarrenaudiosignal bewegt sich im Frequenzbereich von etwa 300 Hz bis 15 kHz. Der aus resisitivem und induktivem Anteil zusammengesetzte Gesamtwiderstand der Spule 26 liegt bei einer Frequenz von 300 Hz bei 22,1 Ohm und bei einer Frequenz von 15 kHz bei 800 Ohm, während der Gesamtwiderstand eines typischen 8-Ohm- Gitarrenlautsprechers mit einer Schwingspulenimpedanz von 1 mH, bei angelegtem 300 Hz-Signal lediglich 8,3 Ohm und bei 15 kHz lediglich 23 Ohm beträgt. Durch den weitaus grösseren Widerstand der Steuerspule 26 fliessen nur geringe Signalanteile gegen Masse wenn der Abgriff 30 in Position Y steht und 26a auf ein Maximum und 26b auf ein Minimum eingestellt sind. In dieser Position wird fast das gesamte Signal durch den Widerstand 24 geleitet und in Wärme umgewandelt. Wenn der Abgriff in Position X steht, wird umgekehrt komplementär 26a auf ein Minimum und 26b auf ein Maximum eingestellt, so dass fast die gesamte Energie im Lautsprecher 18 wirkt.

Fig. 4 zeigt in einem Graphen die Gesamteingangsimpedanz der Schaltung bei Anschluss eines 8-Ohm-Lautsprechers oder bei Anschluss eines 16-Ohm- Lautsprechers. Die Messwerte für den 8-Ohm-Lautsprecher liegen zwischen 3,7 und 4,9 Ohm, und für den 16-Ohm-Lautsprecher zwischen 4,8 und 5,2 Ohm. Die Gesamteingangsimpedanz Z könnte mit folgender Formel

Z = 4,3 ± 0.6 Ohm

für Verwendung mit einem 8-Ohm-Lautsprecher, und der Formel

Z = 5.0 ± 0.2 Ohm

bei Anschluss eines 16-Ohm-Lautsprechers dargestellt werden. Dadurch ergibt sich, dass die Gesamteingangsimpedanz der Schaltung unabhängig vom Grad der Dämpfung (angegeben in %) nahezu konstant bleibt.

Fig. 5 zeigt den Einbau der Komponenten in ein Verstärkerchassis 40 wobei deutlich wird, das die überflüssige Wärme aus Widerstand 24 über ein ausserhalb des Chassis montiertes Kühlelement 42 abgeleitet wird. Schrauben 54 befestigen den Widerstand am Kühlelement, welches über Distanzgliedern 50 mit Schrauben 52 über einer Chassisöffnung montiert wird. Die Stellspule 26 ist Mutter 46 über eine Unterlegscheibe 44 in die Frontplatte des Chassis 40 montiert und hat einen, an der Verstellachse befestigten Kontrollknopf 48.

Fig. 6a zeigt die Dämpfungsschaltung 16 integriert in einen Verstärker ohne Lautsprecher 57 mit daran angeschlossener Lautsprecherbox 58.

Fig. 6b zeigt die Dämpfungsschaltung 16 als unabhängige Einheit zwischen einem Verstärker 20 und einer daran angeschlossenen Lautsprecherbox 58.

Fig. 6c zeigt die Dämpfungsschaltung 16 integriert in ein Lautsprechergehäuse 59 und einen daran angeschlossenen Verstärker 20.

Normalerweise würde eine solche Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme als sinnlos und ineffizient angesehen, in der vorliegenden Erfindung ermöglicht sie jedoch das Betreiben eines übersteuerten Röhrenverstärkers in moderater Lautstärke ohne dabei die Klangqualität oder Signaldynamik zu mindern.

Claims

1. Audioverstärker für Musikinstrumente insbesondere Gitarrenverstärker, um einen bestimmten insbesondere verzerrten Klang von gleichbleibender Qualität in unterschiedlichen Lautstärkepegeln zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens besteht aus,
einer Vorverstärkerstufe mit einem Eingang zur Signalaufnahme,
einer an die Vorverstärkerstufe gekoppelten Endverstärkerstufe mit der mindestens ein Lautsprecher betrieben werden kann,
einer zwischen Endverstärkerstufe und Lautsprecher gekoppelten Schaltung zur klangneutralen Lautstärkesteuerung bei in etwa konstanter Eingangsimpedanz der Schaltung mit angeschlossenem Lautsprecher, dadurch gekennzeichnet, dass
ein erstes Impedanzelement in Serie mit dem Lautsprecher geschaltet ist,
zur Lautstärkesteuerung ein zweites Impedanzelement mit einem veränderlichen Abgriff benutzt wird, welches ein frequenzabhängiges Impedanzelement beinhaltet,
das zweite Impedanzelement parallel zur Serienverbindung aus erstem Impedanzelement und Lautsprecherimpedanz über den Ausgang der Endverstärkerstufe geschaltet wird, und
der veränderliche Abgriff des zweiten Impedanzelementes an den Verbindungspunkt der Serienkopplung, zwischen das erste Impedanzelement und den Lautsprecher geschaltet ist.

2. Audioverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Impedanzelement mindestens einen festgelegten Lastwiderstand mit einem bestimmten Wert beinhaltet, der mit dem Lautsprecher in Serie geschaltet ist.

3. Audioverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Impedanzelement weiterhin eine Wärmeableitvorrichtung beinhaltet, die mit dem festgelegten Lastwiderstand in Wirkverbindung steht.

4. Audioverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das frequenzabhängige Impedanzelement folgende Merkmale umfasst:

a) eine Spule hat einen veränderlichen Abgriff,
b) der veränderliche Abgriff ist mit einem Lautstärkeregelknopf verbunden, und
c) der veränderliche Abgriff kann mit dem Lautstärkeregelknopf in eine unbegrenzte Anzahl von Abgriffstellungen entlang der Spule gebracht werden, um so einen ersten und einen zweiten Teil des frequenzabhängigen Impedanzelementes festzulegen.

5. Audioverstärker nach Anspruch 2, mit folgenden Merkmale:

a) der veränderliche Abgriff hat eine unbegrenzte Anzahl von Kontakten relativ zu der unbegrenzten Anzahl von Abgriffstellungen entlang der Spule,
b) der veränderliche Abgriff hat einen weiteren Kontakt, der einen variablen Ausgang des frequenzabhängigen Impedanzelementes darstellt, und
c) der weiteren Kontakt, der einen variablen Ausgang des frequenzabhängigen Impedanzelementes darstellt, wird an den Verbindungspunkt der Serienverbindung aus erstem Impedanzelement und Lautsprecherimpedanz gekoppelt,

wobei gilt, dass

a) der erste Teil des frequenzabhängigen Impedanzelementes parallel zum ersten Impedanzelement geschaltet wird, und
b) der zweite Teil des frequenzabhängigen Impedanzelementes parallel zur Lautsprecherimpedanz geschaltet wird.

6. Audioverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Impedanzelement, die Lautsprecherimpedanz und das zweite Impedanzelement zusammen ein frequenzsensibles Spannungsteilernetzwek bilden, dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Impedanzelement komplementär variable frequenzabhängige Teilimpedanzen beinhaltet.