DE4300964A1 - Programmierbare Steuerungen für Vakuumröhrenverstärker - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Verstärker für Musikinstrumente, insbesondere Gitarren, sowie elektro­ nische Verstärker für die Wiedergabe oder Verarbeitung aufge­ zeichneter Musik.

Im Gegensatz zu der allgemeinen Auffassung, daß sich die Musi­ ker der heutigen Zeit den neuesten Geschmack und die neueste Mode zueigen machen oder in dieser Hinsicht bahnbrechend sind, sind die Elektrogitarristen unter ihnen überraschend konser­ vativ und unglaublich traditionsbewußt, was ihre Musikinstru­ mente anbelangt. Für den Nichtfachmann erscheint dies beson­ ders merkwürdig, da Elektrogitarristen allgemein als die radi­ kalste Art Rebell in einer modernen Band stilistischer "Frei­ beuter" betrachtet werden. Aber wo sonst ließen sich in den neunziger Jahren derartige traditionsbewußte Neuheitenhasser finden, daß die zwei immer wieder meistverkauften Gitarren beide aus den 50er Jahren stammen und die einzige Art elek­ tronischer Verstärkungstechnologie, die ernsthaft in Erwägung gezogen wird, auf dem Prinzip der Vakuumröhre beruht!

Auf keinem anderen Gebiet entscheidet sich die Rivalität zwi­ schen Röhren und Transistoren in noch derart überwältigenden Maße zugunsten der alten Technologie, und dies aus mehreren zwingenden Gründen. Als erstes wird noch einmal das auf die Tradition zurückgreifende Argument angeführt: Die ursprüng­ lichen Klänge von Elektrogitarre entstanden durch Vakuumröh­ renverstärker und daher wurde nach Ansicht vieler "der Klang somit definiert". Und mit der Evolution von Gitarrenklängen seit dieser Zeit ist der absichtliche Einsatz massiver Sättigungsverzerrung übersteuerter Vakuumröhren ein zunehmend wichtiges Element geworden. Zwar haben viele Konstrukteure einen Festkörper- bzw. Halbleiter-Ersatz für die Leistung von Vakuumröhren in Gitarrenverstärkern angestrebt; jedoch sogar die besten von ihnen hatten hierbei nur geringen Erfolg.

Die moderne Transistor- und Digitalelektronik hat natürlich die Vakuumröhre in Aufnahmestudios und in Tasteninstrumenten völlig ersetzt und mehrere der modernen "Wunder" dieser Technologie sind möglicherweise für einen Gitarristen ver­ lockend. Was ein Gitarrespieler am liebsten hätte, ist ein Verstärker mit unmittelbar verständlichen Steuerungen, die in der Lage sind, die gesamte Palette traditioneller und moderner verstärkter Gitarrenklänge mit perfekter Authentizität zu erzeugen, deren Einstellungen ebenfalls problemlos in einem digitalen Speicher gespeichert werden können und sofort über eine fußgeschaltete Steuerung wieder abrufbar sind. Tatsäch­ lich wurden bereits ein paar programmierbare Vorverstärker für Gitarre eingeführt und hatten bereits gewissen kommerziellen Erfolg.

Das zentrale Element jedoch, das ein Musikinstrument von einem kommerziellen elektronischen Instrument oder Gerät unter­ scheidet ist seine Langlebigkeit. Ebenso, wie Keyboard-Syn­ thesizer und Signaleffektprozessoren für ihre kurzen Produkt- Lebenszeiten bekannt sind, ist dies auch das Schicksal der ersten programmierbaren Vorverstärker für Gitarren. Einige von ihnen konnten sogar ein bis zwei Röhren in ihrer Signalkette aufnehmen, aber mit keiner bleibenden Wirkung. Schließlich läßt das Interesse an der Neuheit der Programmierbarkeit nach und der Verstärker wird nur auf seinen wesentlichen Klang hin beurteilt und als ungenügend eingestuft.

Im Stand der Technik gab es keinen erfolgreichen Ansatz, das traditionelle analoge Tonsteuerungs/Lautstärkesteuerungs- Netzwerk digital zu replizieren, dessen besonderes Zusammen­ spiel absolut wesentlich für das Erzeugen der wesentlichen Merkmale der Klangqualität und Steuerbarkeit ist, die Gitarristen fordern.

Zunächst wird kurz auf den geschichtlichen Hintergrund dieser Technik eingegangen: die jetzt traditionelle Tonsteuerschal­ tung (die in Fig. 3 schematisch dargestellt ist) wurde erst­ mals Mitte der fünfziger Jahre von der Fender Musical Instru­ ment Company aus Fullerton, Kalifornien, Vereinigte Staaten von Amerika eingeführt und befindet sich seither mit nur geringen Änderungen in allen der erfolgreichsten Verstärkern. Es kann jetzt sicher gesagt werden, daß diese die Ton-/Laut­ stärkensteuerschaltung ist, deren besonderer Klang und Funk­ tionalität - wenn sie auch aufgrund von Wechselwirkung zwi­ schen ihren verschiedenen Steuereinheiten mit technischen Fehlern behaftet ist - trotzdem in musikalischer Hinsicht "perfekt" ist, da sie die Norm wurde, nach der andere Geräte beurteilt wurden, zum Teil vielleicht aufgrund der komplexen Wechselwirkung dieser Komponenten. Jede Konstruktion, die von dieser Norm abweicht, hatte bisher nur eine kurze Lebensdauer, insbesondere bei kritischen, trendsetzenden Spielern. Viele Gitarristen haben das Gefühl, sie seien "wieder daheim", wenn sie nach einer Zeit des Spielens mit einer anderen Art von Tonsteuerung wieder zu dieser traditionellen Anordnung zurückkehren.

So einfach diese Schaltung auch mit analogen Potentiometern zu erzielen ist, so hat dennoch ihre Reproduktion in einem Format, das eine einfache digitale Steuerung ermöglicht, im Stand der Technik größtenteils den besten Anstrengungen früherer Konstruktionstalente getrotzt.

Der Stand der Technik hat versucht, das Ton-/Lautstärke-Netz­ werk mit festen Hoch- und Tiefpaßfiltern (für Höhen und Tie­ fen) nachzuvollziehen, die in Verbindung mit Spannungssteue­ rungsverstärkern (VCAs) arbeiten, welche problemlos einer digitalen Steuerung unterzogen werden können. Leider hat die­ ser Ansatz immanente Beschränkungen: VCAs arbeiten typischer­ weise mit Spannungsquellen von +15 und -15 Volt und daher übersteigt die hohe Signalspannung, die am Ausgang eines Vakuumröhrenspannungsverstärkers erzeugt wird, ihre Fähig­ keiten. Deshalb sind in einigen Beispielen aus dem Stand der Technik die VCAs vor den Röhrenverstärkerstufen angeordnet was zu unannehmbar hohen Rauschpegeln führt, insbesondere, wenn massive Sättigungsverstärkung im "Leit- oder Lead-Modus" später in die Schaltung eingeführt wird. Die Alternativlösung besteht darin, ein Dämpfungsglied zwischen die Röhren­ spannungsverstärker und den VCAs einzufügen, aber dieser An­ satz führt seine eigenen neuen Audio-Merkmale ein, was das zentrale Problem des gesamten VCA-Ansatzes weiter kompliziert. Dieses zentrale Problem besteht darin, das er nicht in der Lage ist, die Funktionen des traditionellen analogen Systems originalgetreu auszuführen, bei welchem ein komplexes Zwischenspiel zwischen den Elementen einen wichtigen Faktor der Gesamtleistung darstellt.

Ein weiteres Beispiel aus dem Stand der Technik, das mit die­ sem Problem konfrontiert ist und bei dem zumindest die abso­ lute Bedeutung des Einbeziehens des traditionellen Ton-/Laut­ stärke-Netzwerkes erkannt wurde, hat dazu geführt, daß einige Einheiten mit digital gesteuerten Schrittmotoren gebaut wurden, die die eigentlichen Potentiometer drehen. Diese Konstruktion zumindest hat die Vorteile von originalgetreuer Klangleistung und äußerst leichter Bedienbarkeit. Leider machen ihr Preis und ihre Komplexität sie eher zu einer Kuriosität als einer praktischen Einheit. Außerdem ist, ob­ gleich die traditionelle Schaltung vorhanden ist, die Pro­ grammierbarkeit auf verschiedene Einstellungen derselben Steuereinheiten beschränkt; andere Steuerwerte und Parameter könnten nicht leicht ersetzt werden.

Es besteht daher ein Bedarf an einer programmierbaren, digital gesteuerten Lautstärkensteuerung für Vakuumröhrenverstärker. Die vorliegende Erfindung überwindet im wesentlichen die Be­ schränkungen des Standes der Technik, indem sie eine leicht einstellbare, einfach zu verwendende, programmierbare digitale Lautstärkensteuerung angibt, die in der Lage ist, mit den ho­ hen Spannungen zu arbeiten, wie sie von Vakuumröhrenverstär­ kern erzeugt werden, und die durch einen Fußschalter betätig­ bar ist.

Gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung sind alle Schaltungs­ elemente der Tonsteuerung der vorliegenden Erfindung dem traditionellen Aufbau getreu ausgeführt, mit Ausnahme der variablen Widerstandsvorrichtungen, die die ursprünglichen analogen Potentiometer ersetzen.

Da weder FET- noch bipolare Transistoren für die sehr hohen Signalspannungen geeignet sind, die in den Steuerschalt­ kreisen vorliegen (besonders bei massiver Sättigungsverzer­ rung), war eine weitere Steuervorrichtung als Ersatz für das Standard-Potentiometer erforderlich.

Photowiderstände (LDRs), die wohlbekannt sind und üblicher­ weise in Gitarrenverstärkern verwendet werden, um analoges Signalschalten mit geringem Rauschen zu erzielen, wiesen einige attraktive Merkmale auf. Der LDR besteht aus einer Leuchtdiode (LED) und einem lichtempfindlichen Kadmiumsulfit- Widerstandselement, die einander zugewandt auf einer licht­ undurchlässigen Baugruppe angeordnet sind. Der "Aus-Wider­ stand" der Photozelle ist sehr hoch, typischerweise in etwa 200 Megaohm, während der "An-Widerstand" (in Abhängigkeit von der Geräteart) so niedrig wie 100 Ohm sein kann. Der Vorteil dieses Gerätes als analoger Schalter in Audioverstärkern mit hoher Verstärkung besteht darin, daß sein schnelles Umschwen­ ken im Widerstand (von Aus auf An oder wieder zurück) den Übergangs-"Knall" ausschließt, der bei sofortigem Relais­ schalten endemisch auftritt.

Will man jedoch das Standard-Potentiometer ersetzen, dann muß die Vorrichtung als stabiler, wiederholbarer, veränderlicher Widerstand verwendbar sein, und der herkömmliche LDR allein genommen ist dies nicht, da die Steuerung des LDR in seinem "Widerstandsbereich" zwischen den Zuständen "Aus" und im wesentlichen "An" aus mehreren Gründen sehr schwierig ist. Erstens ist der Zellenwiderstand als Funktion des LED-Stromes (Helligkeit) extrem nichtlinear und fällt rapide von "Aus" auf ca. 40 kOhm, sobald die LED zu leuchten und Strom zu ziehen beginnt. Zweitens ist der Zellenwiderstand äußerst instabil und unterscheidet sich von einer Vorrichtung zur anderen stark, steigt bei Temperaturerhöhung drastisch an und verän­ dert sich sogar über die Zeit (wobei alle anderen Faktoren stabil bleiben), wenn das Zellenmaterial "lichtangepaßt" wird. Obwohl der LDR die vorteilhaften Merkmale hoher Signalspan­ nungsfähigkeit plus einem Potential für Widerstandsveränder­ barkeit auf ein Megaohm oder höher bietet, bringt er äußerst schwierige Probleme mit sich, wenn er als stabiler, wiederhol­ barer, veränderlicher Widerstand verwendet werden soll - insbesondere in dem erforderlichen hohen Widerstandsbereich, nämlich 250 kOhm bis 1 Megaohm.

Folglich waren herkömmliche Schaltungen aus dem Stand der Technik zur Verwendung von LDRs für die vorliegende Anwendung unannehmbar.

Um hohe Widerstandswerte in dem System zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine LDR-Vorrichtung zusammen mit einer negativen Rückkopplungsschleife um einen Differential­ verstärker herum zur Verfügung, worin die Rückkopplungs­ schleife einen Kondensator umfaßt, so daß die sich ergebende RC-Zeitkonstante die Wirkung hat, daß sie die Verstärkung in der Zeitebene verringert, so daß die Wirkung des Differential­ verstärkers, der den LED-Teil eines LDR treibt, die Zeit­ verzögerung, die dem verzögerten Ansprechen der lichtempfind­ lichen Zelle auf sich verändernde Lichtbedingungen eigen ist, kompensiert und sich mit dieser synchronisiert. Dies hat die gewünschte Wirkung, daß ein im wesentlichen konstanter Widerstand über einen breiten Bereich hoher Widerstandswerte erzeugt wird, wohingegen im Stand der Technik das Ergebnis ein kontinuierlich schwankender Zellenwiderstand wäre, da der LED- Teil des LDRs zunächst zu hell aufleuchtet (eine Überkompen­ sierung des sehr hohen "Aus"-Widerstandes der Zelle) und dann aufgrund der Zeitverzögerung des verzögerten Ansprechens der Zelle auf Licht zu lange weiterleuchtet, und sich dann ab­ schaltet, wenn der Widerstandswert zu gering schwankt, was einen Umkehrantrieb von dem Differentialverstärker bewirkt.

Ein Spannungsteiler, der eine Vielzahl von diskreten Wider­ ständen umfaßt, gibt einen Bezugswert (Referenz) an, worin jeder dieser Widerstände eine erwünschte diskrete inkremen­ telle Einstellung der entsprechenden analogen Steuerung in der traditionellen Schaltung darstellt. Auf diese Weise wird eine Wiederholbarkeit und Programmierbarkeit bereitgestellt und gleichzeitig alle wesentlichen Schaltungen der traditionellen Tonsteuerschaltung beibehalten.

Eine allgemeine, der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen digital betriebenen Satz programmierbarer Steuerungen anzugeben, welcher den traditionellen, analogen Satz von Lautstärke- und Ton­ steuerungen für einen Vakuumröhrengitarrenvorverstärker genau dupliziert.

Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende spezifische Aufgabe besteht darin, Photowiderstände (LDRs) als funktio­ nelle variable Widerstandselemente als Ersatz für die analogen Potentiometer zu verwenden, die bei den traditionellen Laut­ stärke-/Tonsteuerschaltungen verwendet wurden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 3 gelöst.

Ein weiterer spezifischer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, die Stabilität und genaue Wiederholbarkeit der Ein­ stellung für die LDR-Vorrichtungen unter sich ändernden Bedin­ gungen des Alters und der Temperatur sowie von einer Produk­ tionsreihe von Geräten zur nächsten zu gewährleisten.

Ein weiterer spezifischer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, einen Widerstand mit hohem Wert aus einer Photozelle eines LDRs zu erzeugen, indem die LED in dem LDR in rasches Blinken versetzt wird, das von einer Servoschleife gesteuert wird, die von einem Differentialverstärker gespeist wird und in ihrem Wert mit einem einer Vielzahl von Festwiderständen verglichen (referenced) wird, von denen jeder eine gewünschte, inkrementelle diskrete Einstellung der äquivalenten analogen Steuerung in der traditionellen Schaltung darstellt.

Ein weiterer spezifischer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Bezugswiderstände, die das Paar aus Servo­ schleife und Differential wie oben beschrieben steuern, jeweils einen Wert gleich (oder proportional) zu dem Wert haben werden, den die LDR-Bezugszelle annehmen wird, wie sie von dem aktiven Zellensegment gesteuert wird, welches daher eine ähnliche spezifische diskrete Einstellung des analogen Potentiometers repliziert, den es darstellt und zu dem es daher äquivalent ist.

Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung ist es, in dem oben beschriebenen Differentialverstärker einen negativen Rück­ kopplungsweg vorzusehen, so daß die Gesamtverstärkung in dem Servoschleifen/Differential-Paar auf einen Punkt reduziert wird gemäß der Verzögerungszeit des Ansprechens der Photozelle auf und Erholung von der blinkenden LED, so daß sich ein stabiler hoher Widerstand ergibt und das "Rauschen" des sich schnell verändernden Zellwiderstandes dadurch verringert oder eliminiert wird, wenn stabiler Widerstand erreicht wird.

Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, zwei derartige Schaltungen auf die obengenannte Weise zusam­ menzuschalten, so daß das Paar von Differentialverstärkern (von denen jeder die LED des LDRs dieses Paars treibt) beide ihren Bezugswert von jedem einzelnen Punkt einer Reihe von Widerständen mit festem Bezugswert ableiten, worin jeder Punkt eine gewünschte, diskrete, inkrementelle Einstellung der äquivalenten traditionellen Schaltung darstellt - und weiter­ hin, daß das Paar aktiver Zellensegmente des LDRs miteinander in Reihe geschaltet ist, in einer Anordnung analog zu einem veränderlichen Dämpfungsglied der Potentiometer-Art, d. h. einem konstanten Gesamtfestwiderstand, so daß jedes Paar der Reihen- und Nebenschlußwiderstandswerte zusammengenommen stets den gesamten Festwiderstandswert ergibt.

Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der nach­ stehenden detaillierten Beschreibung von zwei bevorzugten Aus­ führungsformen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeich­ nungen beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung, das einen LDR mit einzelner Mittenanzapfung zeigt, der als einfacher veränderlicher Widerstand ausgeführt ist, und eine Vorrichtung zur Stabilisierung des LDR und der Vorrichtung aufweist, um eine genaue Wiederhol­ barkeit der Einstellung für den LDR zu ermöglichen;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Paar LDRs mit zwei Zellen veranschaulicht, die als einstellbares Dämpfglied mit sowohl Reihen- als auch Nebenschlußelementen ausgeführt sind, welche einstellbar sind, während gleichzeitig ein gleichförmiger Gesamtwiderstand über das kombinierte Widerstandsnetz beibehalten wird;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm des traditionellen, bekannten Satzes von Tonsteuerungen, gefolgt von einer Lautstärkesteuerung, wie sie zwischen Stufen in einem Gitarrenverstärker verwendet wird.

In Fig. 3 weist eine traditionelle Gitarrenverstärker-Ton­ steuerschaltung der Art, welche Mitte der 50er Jahre von der Fender Electric Instrument Company eingeführt wurde, einen Eingangsanschluß 1 auf, an den elektronische Signalspannungen von entweder der Platte bzw. Anode oder der Kathode der vor­ hergehenden Stufe angelegt werden. Das Signal wird durch einen Kondensator 2 mit kleinem Wert (250 pF) (traditionelle Werte sind in Klammern angegeben) an das obere Ende 3 des veränder­ lichen Dämpfungsglied (250 kOhm) zur Höhensteuerung gelegt, dessen einstellbares Schleifkontaktelement 4 den Ausgang des gesamten Tonsteuernetzwerkes erstellt. Das Signal wird auch von dem Eingangsanschluß 1 durch einen Festwiderstand 5 (100 kOhm) an ein Paar Kondensatoren 6 (0,1 µF) und 7 (0,47 µF) gelegt, die als Tiefpaßfilterelemente in Verbindung mit ver­ änderbaren Widerständen 8 (250 kOhm) und 9 (10 kOhm) wirken, welche jeweils als Tiefen- und Mitteltonsteuerungen fungieren, indem sie ihre entsprechenden Frequenzbänder einstellbar auf Masse 10 nebenschließen oder ermöglichen, daß diese Frequenzen in veränderlichen Stärken und Anteilen am unteren Ende 11 der Höhentonsteuerung erscheinen. Die Stellung des Höhensteuer­ schleifers 4 bestimmt weiterhin den Ausgleich der Höhen gegen­ über der kombinierten Tiefen- und Mitteltonfrequenzen, die von der Tonsteuerschaltung ausgegeben und an ein Eingangsende 12 des veränderlichen Dämpfungsgliedes (1 Megaohm) zur Laut­ stärkesteuerung gelegt werden, dessen Nebenschlußende 13 auf Masse 10 gelegt ist und dessen veränderbares Schleiferelement 14 den Ausgang der kombinierten Ton-/Lautstärke-Schaltung er­ stellt, wie er am Ausgangsanschluß 15 gezeigt ist. Ein Hell- Schalter (bright switch) 16 aktiviert einen Hochpaßkondensator 17 (120 pF), der einen alternativen Weg zum Verstärken hoher Frequenzen um den Widerstand 12, 14 herum erstellt.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Spannungsquelle mit 5 Volt, die mit 1A bezeichnet ist, speist ein Ende eines Referenzspannungsteilers 2, während dieselbe Spannungsquelle mit 5 Volt, die unter 1B gezeigt ist, Spannung an ein einstellbares Abgleichs­ potentiometer oder Trimmpot 3 legt. Das Trimmpot 3 ist nominal so eingestellt, daß es eine Referenz von 2,5 Volt (die Hälfte einer Quelle) an ein einstellbares Element 4 legt, welches mit einem Umkehranschluß 5 eines Operationsverstärkers 6 gekoppelt ist, der als Differentialverstärker konfiguriert ist. Weitere geringfügige Einstellungen des Trimmpots 3 können vorgenommen werden, um herstellungsbedingte Ungenauigkeiten beim Auffinden einer Mittenanzapfungsverbindung 21 zu kompensieren, so daß zwei Zellensegmente 19 und 20 auf gleichen Widerstand genauer angepaßt werden. Ein Vier-Bit Latch-Speicher 7 (der Daten von einem nicht dargestellten Systemdatenbus empfängt) wählt einen beliebigen der Festreferenzwiderstände des Spannungteilers 3, zum Beispiel R13, 8, der über einen analogen Eins-von-Acht- Schalter 9 (von dem zwei 9 & 10 vorgesehen sind, was eine Gesamtauflösung von sechzehn Inkrementen ergibt) geschaltet ist, so daß die Zufuhrspannung von 1A durch den gewählten Widerstand 8 fließt und an den nicht-invertierenden Anschluß des Differential-Operationsverstärkers 6 geleitet wird. Die Spannung von dem Ausgang 12 des Differentialverstärkers 6 wird über einen Spannungsbegrenzungswiderstand 13 an die Anode 14 einer LED 15 gelegt, deren Kathode 16 auf Masse 17 gelegt ist. Diese LED 15 ist das lichtabstrahlende Element eines Photo­ widerstandes (LDR) 18, der eine lichtempfindliche Zelle mit Mittenanzapfung oder -abgriff enthält und als zwei ver­ änderliche Widerstände 19 und 20 gezeigt ist, die durch einen Leiter 21, der auf Masse 17 gelegt ist, miteinander verbunden sind.

Bei einer LDR-Zelle mit Mittenanzapfung kann angenommen wer­ den, daß die zwei Hälften des Widerstandes 19 und 20 immer im wesentlichen denselben Widerstandswert haben werden, da sie beide derselben einzigen Lichtquelle 15 ausgesetzt sind und beide aus ein und demselben Stück lichtempfindlichen Materials bestehen, das lediglich eine Leiterverbindung 21 an seinem Mittenpunkt angeschlossen hat. Andere Faktoren wie Alter, Temperatur und Grad der "Lichtanpassung" bleiben für die zwei Hälften einer LDR-Zelle mit Mittenanzapfung ebenfalls im wesentlichen gleich.

Daher besteht die Gesamtwirkung des Differentialverstärkers 6 darin, die LED 15 des LDRs zu treiben, bis die Referenzhälfte 19 der Zelle einen Widerstand erzielt, der genau gleich dem des gewählten festen Referenzwiderstandes 13 ist, so daß eine Hälfte des Widerstandes der Quelle (2,5 Volt) dann an den nicht-invertierenden Anschluß 11 gelegt wird. Dann - und nur dann - werden die Spannungen, die sowohl an den invertierenden Eingang 5 und den nicht-invertierenden Eingang 11 des Diffe­ rentialverstärkers 6 gelegt sind, gleich sein: der invertie­ rende Anschluß 5 empfängt hierbei die Hälfte der Quelle (2,5 Volt), wie sie von dem Trimmpot 3 eingestellt ist, während der nicht-invertierende Eingang 11 eine Hälfte der Quelle von dem Mittenpunkt der beiden in Reihe geschalteten Widerstände empfängt, die jetzt gleichen Wert haben, wobei einer der ge­ wählte feste Referenzwiderstand 8 ist und der andere das Zell­ segment 19 des veränderlichen Referenzwiderstandes, wie er durch den Differentialbetrieb des Verstärkers 6 gesteuert wird. Ferner korrigiert die weitergehende Differentialwirkung gleichzeitig jedwede Drift im Widerstand der Referenzhälfte 19 der Zelle und kompensiert somit die Wirkungen von Temperatur­ veränderung, "Lichtanpassungs"-Veränderungen sowie Abweichung einer Vorrichtung von der anderen bei der Herstellung.

Da die "aktive" (oder Audio-) Hälfte 20 der veränderlichen, lichtabhängigen Widerstandszelle mit Mittenanzapfung im Wert gleich der Referenzhälfte 19 der Zelle sein wird, werden die Widerstandswerte von 20 und 19 beide dieselben und jeder gleich dem gewählten festen Referenzwiderstand 8 sein, der von dem digital gesteuerten Netzwerk aus dem festen Referenz­ spannungsteiler 3 ausgewählt wurde. Der Fachmann auf dem Gebiet wird verstehen, daß diese Differential/Servo-Steuer­ schaltung im Betrieb gleiche Verhältnisse in jeweils den beiden Steuer- und Referenzwiderstandsteilern 3, 4 und 8, 19 erzeugt und daß der Zustand von "einer Hälfte" des Wertes der Spannungsquelle lediglich aus Bequemlichkeit gewählt wurde; jede andere Einstellung des Steuerteilers 3, 4 würde ein entsprechendes Verhältnis von Widerstandswerten in dem Referenzteiler 8, 19 erzeugen.

Um hohe Widerstandswerte im System zu erzielen, weist eine negative Rückkopplungsschleife 22 um den Differentialverstär­ ker 6 herum einen Kondensator 23 auf, der zusammen mit dem zugehörigen Widerstand eine Zeitkonstante erstellt, die die Wirkung der "Verringerung der Verstärkung in der Zeitebene" hat - was die Ansprechzeit durch die Schleife verlängert - so daß die Wirkung des Differentialverstärkers 6, der die LED 15 des LDRs treibt, die Zeitverzögerung, die dem verzögerten Ansprechen der lichtempfindlichen Zelle auf sich verändernde Lichtverhältnisse eigen ist, kompensiert und mit dieser syn­ chronisiert. Dies hat die gewünschte Wirkung, daß ein im wesentlichen gleichmäßiger Widerstand über einen breiten Be­ reich hoher Widerstandswerte erzielt wird, wo ansonsten das Ergebnis ein kontinuierlich variierender Zellenwiderstand wäre, da die LED 15 zunächst zu hell aufleuchtet (da sie den sehr hohen "Aus"-Widerstand der Zelle 19 überkompensiert), dann - aufgrund der Zeitverzögerung des verzögerten An­ sprechens der Zelle 19 auf Licht - zu lange leuchtet, sich dann abschaltet (und eigentlich durch die Wirkung des Differentialverstärkers 6 "in die umgekehrte Richtung ge­ trieben" wird), da das sich "dem Licht anpassende" Zellen­ material jetzt auf einen zu geringen Widerstandszustand hin schwingt, dann wieder beginnt, auf einen übermäßig hohen Widerstandszustand zu schwingen, auf ihren "Aus"-Zustand zu, was bewirkt, daß der Differentialverstärker wiederum die LED 15 übersteuert . . . und so weiter, was eine Schwingung der Schaltung bewirkt, die anstelle des gewünschten stabilen Widerstandes mit hohem Wert virtuelles Rauschen in der aktiven Zelle 20 verursacht.

Die Diode 24 ist parallel zur LED 15 geschaltet, um sie (15) von Überspannung in Umkehrrichtung zu schützen, wenn die Wirkung des Differentialverstärkers 6 versucht, einen Wider­ stand in der veränderlichen Referenzzelle 19 zu kompensieren, der über denjenigen eines festen Referenzwiderstandes 13 an­ gestiegen ist.

In Fig. 2 sind ein Paar von LDRs 20, 21 mit zwei Zellen auf eine Weise ausgeführt, die ähnlich der in Fig. 1 beschriebenen ist, einschließlich - für jeden - der Verwendung der Servo­ schleife und Differentialverstärker mit negativer Rückkopp­ lung. In der Schaltungsanwendung gemäß Fig. 2 jedoch sind die beiden "aktiven" oder Audio-Zellen 30, 31 gezeigt, wie sie in Reihe zusammengeschlossen sind, um das Äquivalent eines ein­ stellbaren Dämpfungsgliedes zu bilden, dessen einstellbares Schleiferelement (das die gemeinsame Verbindung zwischen den beiden Zellen ist) an einem von sechzehn diskreten Inkrementen im gesamten kombinierten Zellenwiderstand angeordnet ist, wie er durch die gewählte Einfügeposition der Spannungsquelle 4 mit 5 Volt in der Bezugskette 1 von siebzehn in Reihe geschal­ teten festen Widerständen bestimmt wird. Eine detailliertere Beschreibung folgt.

Zum besseren Verständnis dieser Anordnung wird auf den Ab­ schnitt von Fig. 2 Bezug genommen, der den Titel "in Reihe geschaltete Referenzwiderstandskette, vereinfacht" trägt. Was hier als einfacher Widerstand 1 gezeigt ist, ist in Wirklich­ keit eine Kette von siebzehn festen Referenzwiderständen, die in Reihe geschaltet sind, wie es in dem detaillierten Ab­ schnitt von Fig. 2 als R1, R2, etc. bis R17 gezeigt ist. So­ wohl in den vereinfachten als auch in den detaillierten Zeichnungen von Fig. 2 ist jedes der gegenüberliegenden Enden 2, 3 der Referenzwiderstandskette 1 jeweils mit einem nicht­ invertierenden Eingang 5, 6 separater Differentialverstärker 7, 8 verbunden. Die vereinfachte Zeichnung zeigt, daß die Spannungsquelle 4 mit 5 Volt über einen Kontaktpunkt 9 mit einem wählbaren Punkt am Widerstand 1 verbunden ist. In der detaillierten Zeichnung ist zu sehen, daß dies erzielt wird, wenn eine beliebige Stellung eines der beiden Eins-auf-Acht- Schalter 10, 11 von dem 4-Bit-Latchspeicher 12 gewählt wird, wie er von dem Systemdatenbus (nicht dargestellt) angewiesen wird. Somit fließen 5 Volt von der Spannungsquelle 4 zu einem beliebigen von sechzehn Punkten zwischen den siebzehn Wider­ ständen R1-R17 und werden an die nicht-invertierenden An­ schlüsse 5, 6 der Differentialverstärker 7, 8 in genauem Ver­ hältnis verteilt, wie es von der Kombination des gesamten Reihenwiderstandes zwischen Quelle 4 und den Enden 2, 3 der Referenzwiderstandskette in Reihenschaltung bestimmt wird.

Jedes Ende 2, 3 der Referenzwiderstandskette in Reihenschal­ tung verwendet Widerstände R1, R17 mit 5,6 kOhm als minimalen Widerstand, um zu verhindern, daß die Spannungsquelle 4 den einen oder den anderen der nicht-invertierenden Eingänge 5, 6 der zwei Differentialverstärker 7, 8 übersteuert, wenn die äußersten Positionen an jedem Ende der Widerstandskette ge­ wählt werden, zum Beispiel einen Punkt 13 zwischen R1, R17, der das oberste Ende 3 der in Reihe geschalteten Widerstands­ referenzkette 1, R1-R17 darstellt. Ein ausgleichendes (offsetting) Paar von Widerständen 15, 16 mit gleichem Wert ist zwischen den variablen Referenzphotozellen 18, 19 eines jeden LDR 20, 21 mit zwei Zellen und dem entsprechenden nicht- invertierenden Anschluß 5, 6 des zugehörigen Differential­ verstärkers 7, 8 eingefügt.

Die Schaltkreisfunktion ist praktisch identisch zu derjenigen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist (außer daß es in Fig. 2 ein Paar Servo-/Differential-/LDR-Schaltungen gibt), einschließlich der Verwendung eines Paares strombegren­ zender Widerstände 22, 23 und eines Paares Umkehrüber­ spannungsschutzdioden 24 und 25. Die negative Rückkopplung wird dann um jeden Differentialverstärker herum dazu ver­ wendet, die Zeitverzögerung der Photozelle als Reaktion bzw. Antwort auf sich verändernde Lichtbedingungen von einer aufleuchtenden LED aufzunehmen. In der Schaltung gemäß Fig. 2 ist ein digital steuerbares Potentiometer mit sehr hohem Widerstandswert gezeigt - mit einem Gesamtwiderstand von 250 kOhm - welches geeignet ist zur Verwendung als Höhensteuerung 3 der traditionellen analogen Schaltung, wie sie schematisch in Fig. 3 gezeigt ist. Um ein schnelleres Schwingen des digital gesteuerten, einstellbaren Dämpfungsgliedes auf der Grundlage des dualen LDRs über weite Bereiche von Wider­ standswerten zu ermöglichen, wurde die Zeitkonstante der Kondensatoren 26 und 27 in den Rückkopplungsschleifen ihrer entsprechender Differentialverstärker 7, 8 durch Einbeziehung jeweils der Widerstände 28 und 29 verändert. Somit wird der Gesamtwiderstand des digital steuerbaren, veränderlichen Dämpfungsgliedes durch den gesamten kombinierten Widerstand in der Referenzkette 1 gebildet, das die beiden reihenge­ schalteten aktiven Photozellen 30, 31 umfaßt. Die Position des wählbaren aktiven Schleiferelementes auf dem festen Gesamt­ widerstand wird durch den spezifischen Einfügungspunkt der 5 Volt Referenzzufuhrspannung auf der in Reihe geschalteten Referenzwiderstandskette 1 bestimmt.

Nach der vollständigen Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird es für den Fachmann offensichtlich sein, daß zahlreiche Alternativen und Äquivalente existieren, die nicht von der oben erörterten Erfindung abweichen. Es ver­ steht sich daher, daß die Erfindung nicht durch die voran­ gehende Beschreibung, sondern lediglich durch die nach­ stehenden Ansprüche begrenzt werden soll.

Claims (3)

1. Schaltung als Ersatz eines analogen, veränderlichen Widerstandes in einem Audioverstärker, umfassend:
einen Photowiderstand (LDR), der durch eine Mitten­ anzapfung in ein erstes "Referenz"-Segment und ein zwei­ tes "aktives" Segment aufgeteilt ist, die beide durch eine Leuchtdiode mit Licht beaufschlagbar sind;
eine Differentialverstärkerschaltung, die einen negativen Rückkopplungsweg mit einer Zeitkonstante aufweist;
einen ersten, im wesentlichen festen Spannungstei­ ler, der von der Referenzzufuhrspannung gespeist und gegen Masse nebengeschlossen ist;
einen zweiten wählbaren Referenzspannungsteiler, der von der Referenzzufuhrspannung gespeist wird und gegen Masse nebengeschlossen ist, worin das Reihenelement des Referenzspannungsteilers einen wählbaren, festen Widerstandswert hat und worin das Nebenschlußelement des Referenzspannungsteilers aus dem LDR-Referenzsegment besteht, welches so konfiguriert ist, daß:

• - der Ausgang des zweiten wählbaren Referenzspan­ nungsteilers an den nicht-invertierenden Anschluß des Differentialverstärkers angelegt ist,
• - der Ausgang des ersten festen Spannungsteilers zusammen mit der negativen Rückkopplung an den inver­ tierenden Anschluß des Differentialverstärkers gelegt ist, und
• - der Ausgang des Differentialverstärkers, der jedwede Differenz zwischen den Verhältnissen der Werte der ersten und zweiten Spannungsteiler darstellt, an den Rückkopplungsweg und an die Leuchtdiode gelegt ist, so daß stabile, wählbare, hohe Widerstandswerte in dem akti­ ven Segment erhaltbar sind.

2. Schaltung als Ersatz für einen analogen veränderlichen Widerstand in einem Audioverstärker, umfassend:
einen Photowiderstand mit zwei Zellen, nämlich einer ersten "Referenz"-Zelle und einer zweiten "aktiven" Zelle, die beide von einer Leuchtdiode mit Licht beauf­ schlagbar sind;
eine Differentialverstärkerschaltung, die einen negativen Rückkopplungsweg mit Zeitkonstante aufweist;
einen ersten, im wesentlichen festen Spannungs­ teiler, der von der Referenzzufuhrspannung gespeist und gegen Masse nebengeschlossen ist;
einen zweiten wählbaren Referenzspannungsteiler, der von der Referenzzufuhrspannung gespeist und gegen Masse nebengeschlossen ist, worin das Reihenelement des Refe­ renzspannungsteilers einen wählbaren, festen Widerstands­ wert umfaßt und worin das nebengeschlossene Element des Referenzspannungsteilers aus dem LDR-Referenzsegment besteht, welches so konfiguriert ist, daß:

• - der Ausgang des zweiten wählbaren Referenzspan­ nungsteilers an den nicht-invertierenden Anschluß des Differentialverstärkers gelegt ist,
• - der Ausgang des ersten festen Spannungsteilers zusammen mit der negativen Rückkopplung von dem Differentialverstärker an den invertierenden Anschluß des Differentialverstärkers gelegt ist, und
• - der Ausgang des Differentialverstärkers, der jed­ wede Differenz zwischen den Verhältnissen der Werte in den ersten und zweiten Spannungsteilern darstellt, an den Rückkopplungsweg und an die Leuchtdiode gelegt ist, so daß stabile, wählbare hohe Widerstandswerte in dem aktiven Segment erhaltbar sind.

3. Schaltung als Ersatz für ein analoges, veränderliches Dämpfungsglied in einem Audioverstärker, umfassend:
ein Paar Dual-Zellen-Photowiderstände (LDRs) mit jeweils einer ersten "Referenzzelle" und jeweils einer zweiten "aktiven" Zelle, worin beide aktive Zellen miteinander in Reihe geschaltet sind und beide Zellen eines gegebenen LDRs von einer Leuchtdiode mit Licht beaufschlagbar sind;
ein Paar Differentialverstärkerschaltungen, von denen jede einen negativen Rückkopplungsweg mit Zeitkonstante aufweist;
ein erstes Paar im wesentlichen fester Spannungs­ teiler, von denen jeder von der Referenzzufuhrspan­ nungsquelle gespeist und gegen Masse nebengeschlossen ist;
ein zweites Paar wählbarer Referenzspannungsteiler, von denen jeder von der Referenzzufuhrspannungsquelle gespeist und gegen Masse nebengeschlossen ist, worin das Reihenelement von jedem Referenzteiler das entgegen­ gesetzte Ende einer einzelnen in Reihe geschalteten Refe­ renzwiderstandskette umfaßt, die an einem wählbaren gemeinsamen Punkt auf der in Reihe geschalteten Referenz­ widerstandskette von der Referenzzufuhrspannungsquelle gespeist wird, und worin weiterhin das Nebenschlußelement eines jeden des zweiten Paares von wählbaren Referenz­ teilern die eine und die andere der LDR-Referenzzellen umfaßt, die so konfiguriert sind, daß:

• - der Ausgang von jedem Ende des zweiten wählbaren Referenzspannungsteilers einzeln an den nicht- invertierenden Anschluß des einen und des anderen Differentialverstärkers angelegt ist,
• - der Ausgang des ersten Paares fester Spannungsteiler einzeln an den invertierenden Anschluß des einen und des anderen Differentialverstärkers zusammen mit der Rückkopplung von dem Ausgang des gegebenen Differentialverstärkers angelegt ist, und
• - der Ausgang eines jeden der beiden Differential­ verstärkers - die jedwede Differenz zwischen den Ver­ hältnissen der Werte der ersten und zweiten Spannungs­ teiler repräsentieren, wenn sie an einen gegebenen Differentialverstärker angelegt sind - an den ent­ sprechenden Rückkopplungsweg und an die entsprechende Leuchtdiode angelegt ist, so daß stabile, wählbare, hohe Widerstandswerte in jeder der in Reihe geschalteten aktiven Zellen erhaltbar sind und worin die Summe der Einzelwiderstände in dem Paar aktiver Zellen über den Wertebereich für die Einzelzellen im wesentlichen dieselben sind.