Das Zusammenspiel von Pickup, Kabel & Co.

Der in der Regel hochohmige Gitarren-Tonabnehmer wird im Betrieb über ein Anschlusskabel an die Eingangsimpedanz des nachfolgenden Gerätes geschaltet. Diese nachfolgenden Geräte – egal, ob Effektgeräte oder Amps – können Eingangsimpedanzen von etwa 10kOhm bis hin zu über 1MegOhm aufweisen. Der Tonabnehmer reagiert darauf mit Abweichungen im Frequenzgang, die hörbar in das Klangbild eingreifen.

Ist nun eine hochohmige Lastimpedanz, die bei den üblichen passiven Tonabnehmern eine Resonanzüberhöhung zur Folge hat, die bessere Wahl? Führt ein niederohmiger Geräte-Eingang dann zu einem nicht attraktiven Klang, da die Pickup-Resonanzfrequenz verschwindet? Lassen sich – zumindest in Teilbereichen – durch ein „Treble-Bleed“ Vorteile erzielen? Wie hängt das alles zusammen? Genau diese Fragen soll diese Folge von Effektiv! beantworten.

fender-strat-pickup

Der Pickup besteht physikalisch hauptsächlich aus einem Bündel dünnen Drahtes – typisch sind hier 0,063 mm Durchmesser mit ca. 8000 Windungen –, das um 6 Zylinder-Magnete gewickelt ist. Die AlNiCo-Magnete stecken für den mechanischen Zusammenhalt in Vulkanfiberplatten.

Diese typische Bauform ist der bestens bekannte Pickup aus der Fender Stratocaster, die seit 1954 fast unverändert gebaut wird und sich großer Beliebtheit erfreut. Dieser Wickel mit seiner beachtlichen Windungsanzahl bedeutet eine große Induktivität von etwa 2,5 Henry. Gleichzeitig stellt sich ein Ohmscher Widerstand von etwa 6 kOhm ein. Zwischen den einzelnen Wicklungen sind statische Kapazitäten vorhanden, welche man als eine einzige Gesamtkapazität dem Wickel zuordnen kann. Als Richtwert dient hier 150 pF.

Die in dem Wickel steckenden AlNiCo-Magnete haben eine metallische Struktur, sind elektrisch leitend und verursachen eine Wirbelstromdämpfung, welche die theoretische Resonanzüberhöhung, die sich formal ergibt bei alleiniger Verwendung von den Einzelkomponenten L, R & C, zusätzlich dämpft – Grafik #2.

Dieser magnetische Dämpfungs-Widerstand lässt sich im Ersatzschaltbild als eine Parallelschaltung zu der Induktivität L ansehen, er beträgt hier beim Strat PU etwa 1MegOhm. Diese Dämpfung hat großen Einfluss auf die Höhe der Leerlauf Resonanz. Die Leerlauf-Resonanzfrequenz des Stratocaster-Pickups – also ohne angeschlossene Last – liegt bei etwa 8 kHz @15dB.

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Elektrisch stellt das Ganze einen LRC-Schwingkreis dar. Mathematisch betrachtet, handelt es sich um eine lineare Differentialgleichung zweiter Ordnung. Diese Gleichung führt, je nach den drei möglichen Bedämpfungskriterien des Systems, zu drei charakteristischen Lösungen, wobei historisch bedingt die Lösung mit einer Resonanzüberhöhung die zunächst interessanteste ist. Bringt man an dem Pickup eine Ohmsche Last an – z.B. in Form des Eingangs-Rs eines nachgeschalteten Gerätes – bedämpft diese Last die Höhe der Leerlauf-Resonanzfrequenz (8kHz/15dB) des Pickups – Grafik #3.

Nun ist besagtes Gerät meist nicht in der Gitarre integriert, wie z.B. die Elektrik eines aktiven Pickup-Systems, sondern außerhalb der Gitarre, verbunden mit einem Kabel. Dieses Kabel besitzt natürlich eine Kapazität, etwa 100pF/ Meter Länge. Diese Kabel-Kapazität liegt zum Ausgang des Pickups parallel und bildet mit der im Ersatzschaltbild zum Ausgang ebenfalls parallel liegenden PU-Kapazität eine neue Gesamtkapazität, die eine Betriebs-Resonanzfrequenz generiert, die meist deutlich unter der Leerlauf-Resonanzfrequenz liegt. Diese sich in der Praxis ergebende Betriebsresonanz legt formal den Grundsound des Pickups fest.

Zwei Kenngrößen ergeben sich hier: Die Resonanzfrequenz als solche und deren Resonanzüberhöhung – Grafik #4. Die Betriebsresonanzfrequenz wird hauptsächlich von der Kabel-Kapazität bestimmt, die Resonanzüberhöhung wird hingegen maßgeblich von der Ohmschen Last bestimmt. Diese Ohmsche Last kann sehr verschiedene Werte annehmen, abhängig von den Eingangsspezifikationen eines jeden Gerätes, die durchaus über 1MegOhm betragen kann. Da beim Pickup-Vergleich vor allem der Ohmsche Leerlauf interessant ist – insbesondere die damit verbundene Resonanzüberhöhung – sollte man einen vernünftigen hochohmigen Messlast-Widerstand definieren, den man als Leerlauf-Fall deklariert. 5MegOhm wäre z.B. eine angemessene Last, die dann auch annähernd dem Leerlauf entspricht.

die e-gitarre

Nun hat es sich bei der E-Gitarre eingebürgert, den Pickup mit einem Lautstärke-Regler auszurüsten. Dieses Volume-Poti ist die erste Last, die auf den Pickup einwirkt – Grafik #5. Hier finden sich im Laufe der Geschichte viele Werte wieder, meist zwischen 100 kOhm bis 1 MegOhm angesiedelt – die oben exemplarisch erwähnte Fender Stratocaster ist mit 250 kOhm ausgerüstet. Gibson Gitarren waren hier meist mit 500 kOhm bestückt.

Als weiteres Bedienelement besitzt die E-Gitarre ein (oder mehrere) Ton-Poti(s). Das ist in der Regel eine Tonblende, eine RC-Reihenschaltung, die dem PU parallel liegt. Als Ton-Kondensator werden hier 22nF bis 47nF verwendet. Bei der Stratocaster wurden im Laufe ihrer Geschichte zunächst 100nF gewählt, Ende der 1960er-Jahre erfolgte ein Wechsel auf 50nF, ab Mitte der 1980er-Jahre dann 22nF. Das Ton-Poti der Stratocaster ist 250 kOhm groß, derselbe Wert wie ihr Volume-Poti. Gibson wählte hier 500 kOhm. Bei voll aufgedrehtem Ton-Poti (der Wert ist dann dessen Nominalgröße zB 250 kOhm) liefert der Ton-Kondensator keinen wesentlichen Beitrag zum Gesamtgeschehen und kann im Ersatzschaltbild durch eine gedachte Drahtbrücke ersetzt werden.

Dies ändert sich aber beim Zudrehen des Ton-Potis. Unterhalb der Hälfte des Nominalwertes kann das Ton-C nicht mehr vernachlässigt werden, man erkennt bei der Rechner-Simulation dann bereits Unterschiede. Die Stratocaster hat drei PUs, einen Drei-Wege-Schalter (bis 1976) zur Pickup-Wahl, zwei Ton-Einsteller für je Mittel- und Hals-PU, sowie einen Master Volume.

Es ergeben sich nun zwei Fälle: der Steg Pickup mit nur einem 250 kOhm Volume-Poti beschaltet und die Hals- bzw. Mittel-Pickup-Stellungen mit einem gleichzeitig wirksamen 250-kOhm-Ton und einem Volume beschaltet. In der Steg-Position wirken also 250 kOhm als Last, in den verbleibenden Positionen sind es 125 kOhm. Mit diesen Werten rutscht die Leerlauf-Resonanzüberhöhung der Stratocaster-PUs auf wenige dB (2,5dB/0dB) herab. Wegen der Hochohmigkeit des Systems bei Leerlaufresonanz reagiert dieses recht empfindlich auf eine angeschlossen Last.

Um die Stratocaster spielen zu können, wird natürlich ein Kabel angeschlossen, das je nach Länge zwischen 700pF und 1000pF aufweist. Jetzt erst bekommt der Stratocaster-PU seine Betriebsdaten, so wie wir ihn kennen – Grafik #4.

Die Resonanzfrequenz mit wenigen dB Überhöhung (8dB Steg/ 4dB Hals) liegt nun bei etwa 3,4kHz, was als metallischer Ton wahrgenommen wird – ein typischer Stratocaster-Ton eben. Hinter der Gitarre und dem Kabel, kommt dann natürlich noch der Verstärker bzw. ein Haufen Pedale. Der Eingangswiderstand dieser Geräte liegt jetzt zusätzlich parallel der Gitarrenelektronik. Bei 1 MegOhm als Beispiel liegt jetzt in der Steg Position der Strat 250 kOhm || 1 MegOhm = 200 kOhm (7dB) und bei den anderen beiden Schalterstellungen 125 kOhm || 1 MegOhm = 111 kOhm (4dB). Dies wären jetzt in unserem Beispiel die Werte für eine 1 MegOhm Last als Bedämpfung für die Pickups in der Realität.

In der kommenden Folge wollen wir uns die Eingangswiderstände der Amps sowie von Pedalen näher ansehen.

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(erschienen in Gitarre & Bass 08/2018)