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Die Funktionsweise des Overdrive-Effekts
In zahlreichen Gesprächen wurde für mich ersichtlich, dass über die tatsächliche Funktionsweise eines Overdrive-Schaltkreises Diskussionsbedarf besteht. Auf der folgenden Seite soll dieser Eindruck aufgearbeitet werden, daher geht es zunächst um einige notwendige Grundlagen.
Mehr Infos rund um andere Gitarren Effekte wie das Fuzz Pedal findest du auch hier.
Overdrive Pedal-Basis
Der allgemeine Overdrive Pedal (= OP) besitzt zwei Eingänge sowie einen Ausgang. Wieso aber zwei Eingänge? Einer würde doch schon reichen? Die Lösung dieser Frage liegt in der besonderen Verwendung. Ohne in die Tiefe der Materie einzutauchen, hier eine schnelle Erklärung: Der OP verstärkt die Spannungsdifferenz (!) zwischen beiden Eingängen, und zwar im (eher theoretischen) Betrieb ohne Gegenkopplung (sogenanntes open loop gain) mit durchschnittlich 100 dB = Faktor 100.000.
Schon Bruchteile einer Millivolt-Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsklemmen treiben den OP-Ausgang in seine Begrenzung. Einen OP in einer solchen Betriebsweise bezeichnet man übrigens treffend Komparator (= Vergleicher). Daher brauchen solche Komparatoren keine guten Audio-Eigenschaften zu besitzen.
Für einen Audio-Betrieb, also den für uns interessanten Betrieb, ist eine Gegenkopplung (= GK) zwingend notwendig. Damit erreichen wir nicht nur eine praktisch nutzbare Verstärkung, sondern mit ihrer Hilfe werden auch prinzipiell die guten Audio-Eigenschaften erzielt.
Die GK funktioniert als Regelungsschleife bildhaft wie folgt: Der Ausgang stellt sich so lange nach, bis über die GK-Schleife, welche in typischer Weise vom Ausgang zu einem der beiden Eingänge führt, die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen 0 Volt beträgt. Diese Betrachtungsweise reicht schon für das Verständnis des Overdrive-Schaltkreises, aber wir müssen uns das auch wirklich verinnerlichen – mit allen daraus resultierenden theoretischen Konsequenzen!
Das Overdrive-Prinzip
Schauen wir uns einfach Abb. 1 an, die sogenannte Elektrometer-Schaltung oder auch nicht invertierende Schaltung genannt. Am direkten Signaleingang – gekennzeichnet mit einen +, welches übrigens ausdrückt, dass sich dieser Eingang und der Ausgang gleichphasig zueinander verhalten – liegt das zu verarbeitende Signal an.
Der Ausgang stellt sich nun so ein, dass am Minus-Eingang die gleiche (!) Spannung herrscht wie am Plus-Eingang!! Normalerweise interessiert man sich aber nicht für diese „gespiegelte“ Spannung am Minus-Eingang, sondern nur für die Ausgangsspannung. Diese ergibt sich aus der Eingangsspannung, multipliziert mit der aktuellen Verstärkung Vu , welche sich ermittelt mit
mit Z2 = Impedanz im Hochpunkt, Z1 = Impedanz im Fußpunkt.
Beide Gleichungen sind identisch und unterscheiden sich nur durch eine unterschiedliche Darstellung des ein- und desselben Sachverhaltes. Vorteilhafter für unsere Diskussion ist jedoch die erste Darstellung.
Anmerkung: Auch hier habe ich der einfacheren Darstellung wegen auf die mathematisch korrekte Darstellung der komplexen Größen verzichtet; das führt bei Ungeübten nur zu Verwirrungen.
Verwenden wir für die allgemeinen Impedanzen Z1/2 frequenzunabhängige Widerstände R, also ohmsche, ergibt sich eine frequenzunabhängige Verstärkung.
Eine Sonderform ergibt sich, wenn Z2 gleich 0 Ohm wird bzw. aus praktischer Sicht gesehen auch ein Wert sehr nahe bei diesem, z. B. der Wechselstrom-Innenwiderstand einer durchgeschalteten Diode. Der Schaltkreis mutiert dann zu dem üblichen Impedanzwandler mit der Spannungsverstärkung Vu = 1 (= 0 dB).
Das bedeutet explizit, dass der Ausgang 1:1 der Eingangsspannung folgt, und zwar um die Größe der Schwellspannung versetzt. Diesen Sachverhalt benötigen wir auch für unsere Betrachtung. Nun die Dioden. Da sagen wir jetzt global: Entweder die Diode ist leitend – wir ersetzen diese im Geiste durch eine Drahtbrücke (genauer: durch eine ideale Spannungsquelle mit 0,6 Volt sowie einem Ri = 0 Ohm), oder die Diode ist gesperrt – sie ist also nicht vorhanden!
Die Schaltschwelle (= Schwellspannung) einer Si-Diode, an dem diese vereinfachte Umschaltung erfolgen soll, sei bei gerundeten 0,6 Volt (in Wirklichkeit etwas niedriger, siehe Fachliteratur). Jetzt haben wir alle Zutaten beisammen, um den Overdrive-Effekt zu analysieren – auf geht’s!
Du willst dein Overdrive-Pedal selbst tunen? Hier gehts zu unserem Workshop: Overdrive Pedal Mod!
Realer Overdrive
Wir nehmen als Beispiel Folgendes an: Mit dem Drive-Poti sei eine Verstärkung von 10 realisiert (R2 = 9R1). Nun lassen wir die Eingangsspannung von 0 Volt beginnend, langsam ansteigen. Der Ausgang folgt dieser zunächst um den Faktor 10 verstärkt. Nun sind wir bei z. B. 10 mV am Eingang angelangt, der Ausgang wäre dann 100 mV.
Von den theoretischen Grundlagen von eben wissen wir: Am Minus-Eingang herrscht gleichsam die Größe der Eingangsspannung. Über den Overdrive-Dioden fällt also bei der momentanen Betrachtung die Ausgangsspannung minus die Eingangsspannung ab, also 100 mV – 10 mV = 90 mV. Die Dioden sind folglich gesperrt, im Geiste also nicht vorhanden. Es gilt also Gleichung (1).
Die Eingangsspannung lassen wir nun weiter ansteigen. Irgendwann wird aber die Differenz zwischen der „gespiegelten“ Eingangsspannung, welche am Minus-Eingang des OPs ansteht, und dem Ausgang die eben zitierte Dioden-Schaltschwelle von 0,6 Volt erreichen – die Diode „kippt“, und zwar bei der Eingangsspannung UE
mit Vu = Verstärkungsfaktor, im Bsp. =10 UE = 0,0667V
Oberhalb dieser Eingangsspannung schaltet die entsprechende Diode das Drive-Poti kurz und die Verstärkung reduziert sich bei Eingangsspannungen größer UE auf Faktor = 1! Mit anderen Worten: Zunächst erfährt das Gitarrensignal bei kleiner Eingangsgröße eine deutliche Verstärkung, eingestellt mittels des Drive-Potis.
Ist in etwa eine Ausgangsspannung von ca. 0,6 Volt erreicht, wird der verbleibende Rest der dann noch folgenden größer werdenden Eingangsspannung auf diesen dann (nahezu) konstanten Basis-Ausgangswert von 0,6 Volt dort schlicht und einfach gesprochen, draufgesattelt, siehe Abb. 2.
Jetzt ist auch klar ersichtlich, dass dadurch eine gewisse Dynamik, insbesondere die des Saitenanschlags, der dem Pickup einen fetten Impuls entlockt, recht deutlich erhalten bleibt. Das ist also das Geheimnis des Overdrive, eine geschickt realisierte additive Zusammensetzung einer (formalen) Distortion und eines Impedanzwandlers.
Es ließen sich noch weitere interessante theoretische Details herleiten und diskutieren, aber wir wollen es bei diesem Basiswissen belassen.
Metal Overdrive?
Wir schreiben das Jahr 1984 und die 9erSerie von Ibanez wird aus technologischen Gründen begraben, die L-Serie (Masterserie) betritt die Bühne, vergl. G&B, 05/2005. Das ewige Blues-Rock-Gedudel war man (kommerziell) leid, Heavy Metal versprach fett(er)e Umsatzzahlen und es wurde auch marketingstrategisch entsprechend gehandelt.
Dem alten TS9 wurde schlicht und ergreifend einfach eine etwas niedrigere Grenzfrequenz spendiert (anstelle des C = 47 nF am Fußpunkt der GK jetzt 82 nF), der Name martialischaktuell Metal Screamer MSL aufgedruckt, siehe Abb. 3, – womöglich wieder das Werk unseres wohlbekannten, werksinternen Schlaumeiers – welch ein Sakrileg! Man muss es sich wirklich explizit auf der Zunge zergehen lassen!
Aber die Heavy-Jungs konnten sich nicht so recht mit diesem Pedal anfreunden, denn das Gerät blieb, trotz Namensänderung und rosafarbiger Einfärbung, natürlich immer noch ein Overdrive! Und so etwas ist wenig bis nix fürs harte Metal-Business.
Trotz allem hat sich der Designer aber doch seine Gedanken über den Schaltkreis nebst all seinen Schwächen gemacht und dem Boliden vor dem Effekteingang eine zusätzliche FET-Abschaltung spendiert. Dadurch gibt es bei deaktiviertem Effekt kein „Durchsingen“. Hier ist also ein klassischer Overdrive ohne diese Missetat! Und das hat auch was!
Die Jungs von Andertons testen den Sound folgende Gitarren Pedals: Friedman BE-OD Overdrive Pedal, Electro Harmonix Metal Muff Distortion Top Boost, MXR 5150 Overdrive EVH Signature Drive, Boss ML-2 Metal Core Distortion, Diezel VH4 Overdrive/Preamp:
Skalpell, Pinzette, Tupfer!
Es bereitet natürlich keine Schwierigkeit, den MSL auf den Orginal-TS-Frequenzgang rückzusetzen; einfach den besagten C6 = 82 nF gegen den gewohnten 47 nF tauschen – fertig. Alternativ kann auch unter Beibehaltung des 82 nF-Cs der R9 = 4,7 kOhm gegen einen von 2,7 kOhm getauscht werden.
Damit ergibt sich gleichfalls die orginale Grenzfrequenz von 720 Hz, welche ja durch das Produkt von R9 & C6 gebildet wird, diesmal aber bekommt die Kiste einen zusätzlichen Gain-Schub von ca. 5 dB – wer hat, der hat! Ein auf diese Weise rückgebauter MSL ist von all meinen TS-Modellen mein persönlicher Favorit. Und mit dieser zusätzlichen Gain-Reserve wird er dann doch in gewisser Weise seinem Namen gerecht(er) als das Original.
Ibanez erkannte recht schnell, dass sich ein Overdrive unter falschem Etikett nicht vermarkten lässt. Der (weltweit) immer erfolgreicher werdende Stevie Ray Vaughan machte zudem noch den Tube Screamer ab Mitte der 1980er wieder populär und bei dem alsbald erfolgten Wechsel zu der 10er-Serie (1986) verschwand auch der falsche Fuffziger MSL wieder.
Der TS10 wurde sein technischer Nachfolger. Leider wurde im TS10 dieser zusätzliche Schalt-FET gegen das Durchsingen wieder abgesetzt – eigentlich schade, das war ’ne gute praktische Idee.
TS9 Deluxe
Eigentlich wollte Ibanez den Gitarristen mit dem äußerst flexiblen TS9DX, Abb. 4, etwas Gutes tun, indem sie den TS9 um drei weitere Modi erweiterten. Prinzipiell eine sehr gute Idee, sofern eine erweiterte Vielfalt die ursprüngliche Overdrive-Funktion nicht beeinträchtigt. Und hier genau liegt der Hase im Pfeffer bzw. das Problem des TS9DX.
Ist das Schaltbild von der prinzipiellen Funktion her noch allerliebst, Abb.5, schlich sich beim Platinen-Layout doch tatsächlich ein kleiner Fehler ein, der während der aktuellen Produktion niemandem auffiel. Die beiden linken Bedieneinheiten (vergl. Abb. 4) Drive und der Vier-Stufen-Drehschalter zur Modi-Wahl mit TS9, +, Hot und Turbo wurden auf einer kleinen Platine befestigt (die verbleibenden beiden rechten Potis übrigens ebenso).
Zur Realisierung des 500-kOhm-Drive-Poti wurde jetzt eine Stereo-Ausführung mit 2x 250 kOhm gewählt, welches als Reihenschaltung beschaltet werden sollte, siehe Schaltbild – das ergibt dann auch 500 kOhm. Man verwendete deshalb ein Stereo-Typ, um durch (s)eine doppelte Anzahl von Anschlussbeinchen mehr Stabilität zwischen dem Poti und dem Anschlussplatinchen zu erhalten. Denn dort saß auch der Drehschalter und bei einer möglichen lockeren Befestigungsmutter sollte schon was mechanisch gegenhalten. So weit die Theorie!
Das Platinenlayout schaltete die beiden Poti-Ebenen allerdings fälschlicherweise parallel (!!) anstatt wie im Entwurf vorgesehen in Reihe (!!) – da hat der Layout-Ingenieur mächtig geschlampt! Dadurch ergab sich nicht der gewünschte Maximalwert von 500 kOhm, sondern nur ein Viertel davon, nämlich 125 kOhm.
Der TS9DX hatte durch diesen Layout-Fauxpas einen unbeabsichtigten Gain-Rückgang um 12dB (= Faktor 4), und das hört selbst noch der taubste Hardrocker! Im Vergleich mit dem regulären TS9 klang daher die DX-Version – unbeabsichtigt natürlich – richtig kraftlos im oberen Gain-Bereich!
Also Freunde, Skalpell, Pinzette etc., bzw. Deckel abschrauben, Platine raus, zwei Knöpfe abziehen, zwei Muttern abschrauben, Platinchen rausklappen und mittels einer Drahtbrücke und zweier Leiterbahnunterbrechungen die Parallelschaltung in die korrekte Reihenschaltung überführen – damit endlich Leben in die grüne Bude kommt!
Theoretisch könnte auch das vorhandene Layout weiter benutzt werden, wenn anstelle des verwendeten 250-kOhm-Stereo-Typs eines mit 1 MegOhm benutzt würde – die Parallelschaltung generiert dann die geforderten 500 kOhm, aber das Beschaffen dieser kleinen Bauform dürfte sich als schwierig erweisen.
Mehr über die legendären Tube Screamer erfährst du in der Ibanez Tube Screamer Story!
Sound Deluxe
Mit dem Umschalten in verschiedene Modi wird zunächst das Overdrive-Dioden-Arrangement, welches wie üblich parallel zu dem Drive-Poti im Hochpunkt der GK-Schleife geschaltet ist, variiert. Genauer gesagt, man realisiert unterschiedliche Schwellspannungen. Im TS9-Mode benutzt man die übliche Si-Kleinsignal-Diode (Typ: 1N914, 1N4148 etc.), im nächst höheren Modus + dann zwei diesen Typs in Reihe – technisch gesprochen also eine Verdopplung der Schwellspannung.
Im nachfolgenden Hot-Modus kommt eine rote LED mit parallel geschalteten R von 470 kOhm zum Zuge, im Turbo-Modus wird „nichts“ als Parallelschaltung zu dem Drive-Poti benutzt, die Kiste läuft dann einfach so als reiner Verstärker mit Treble-Boost-Charakter, den man nach Herzenslust in seine Begrenzung treiben kann.
Die gegebene Staffelung der Schwellspannungen ist vernünftig gewählt, da braucht man nicht dran zu drehen. Mit größer werdender Schwellspannung mutiert das Gerät zunehmend in Richtung Distortion, allerdings mit zusätzlich vorhandener Anschlagdynamik – klasse!
Grenzfrequenzen
Gleichzeitig wird beim Modus-Umschalten auch die Grenzfrequenz mit beeinflusst, allerdings mit werksseitig etwas unglücklich gewählten Werten, was zur weiteren Nichtverbreitung des doch sehr flexiblen Gerätes beitrug. Der 4,7-kOhm Widerstand (= R104 auf der Hauptplatine) im Fußpunkt der GK bleibt bei allen Einstellungen erhalten, nur das C wird mit seinem Wert umgeschaltet, siehe Abb.5. Im TS9-Modus natürlich 47 nF (= C103), dann C120 = 0,22 uF, C119 = 1 uF und zuletzt C118 = 2,2 uF.
Alle vier Werte befinden sich auf dem kleinen Bedienplatinchen um den Drehschalter herum angeordnet. Die letzten drei Werte sind aber unzweckmäßig groß gewählt, da fehlte unseren japanischen Freunden wohl ein harter Praxistest durch Musiker mit Bühnenerfahrung.
Aber um 1980 war eine Zusammenarbeit mit Musikern noch nicht gang und gäbe und man überließ solche Dinge nicht selten dem Entwicklungsingenieur. Heute sind wir da glücklicherweise weiter. Allein unsere derzeitigen deutschen Produktspezialisten, die in solchen Fällen zu Rate gezogen werden, können sich allesamt sehen lassen: Thomas Blug (Hughes & Kettner), Bernd Aufermann (Engl) und Alex Beyrodt (Behringer).
Die Wahl der drei C-Werte ist natürlich Geschmackssache; ich empfehle für C120= 100 nF, C119= 220 nF und für den Turbo-Betrieb C118= 0,22 uF (… 0,47 uF), bei größeren Werten besteht die Gefahr von matschenden Bässen.
Der Chip
Standardmäßig wurde im TS9DX der fein(er)e TA75558P eingesetzt, ein dynamisch verbesserter JRC4558-Typ, welcher auch in japanischem HiFi-Equipment Anwendung fand. Setzt man in den Schaltkreis zu Test-Zwecken einen IC-Sockel ein, erlebt man einen Anschauungsunterricht par excellence.
Beim Einsatz unseres gewöhnlich im einfachen TS-Schaltkreis favorisierten 4558 bekommen wir im TS9-Modus das Gewohnte – wie sollte es auch anders sein. Beim Hochschalten in den +-Modus klingt es schon weniger gut, im Hot-Modus geht dem 4558 im Cross-Check gegen einem NE5532 oder TA regelrecht die Puste aus, das Signal wird undifferenziert – ohne rechten Focus, schwammig …
Bei diesen Ergebnissen wundert es einen also nicht, warum hier der feine TA werksmäßig zum Einsatz kommt. Es ergibt sich aber auch eine weitere Quintessenz aus diesen Realitäten: Der 4558 ist tatsächlich ein wenig überzeugender Baustein – bei kleinen Ausgangssignalen wohl gerade noch brauchbar, für größere dynamische Aufgaben jedoch wenig geeignet!
Es empfiehlt sich also in dem TS9DX nicht, auf den schlappen, aber seltsamerweise immer noch angesagten 4558 nachzurüsten, denn der gereicht diesem Schaltungsdesign nicht wirklich zu Ehren! Ich empfehle die Beibehaltung des TA75558P.
Mit der Dioden-Schwellspannung US (hier: = 0,6 Volt) ergibt sich die Ausgangs-Treshhold-Spannung UAT , bei welchem die eingestellte Verstärkung VU sich auf den Faktor 1 reduziert, zu
Beliebte Overdrive Pedale für E-Gitarre oder E-Bass gibt es von so ziemlich jedem FX-Hersteller wie Electro Harmonix (Big Muff) oder auch T-Rex (Moller).
Hör dir die Power des beliebten Verzerrers Big Muff von Electro Harmonix an:
Hier im Video gibt es eine Demo eines Vintage Pedals von dem Youtube Channel Intheblues:
Text: Bernd C. Meiser