Treble Booster & Hochpässe

Autor: Bernd C. Meiser

Schon zeitig, etwa 1961, erkannte Dick Denney, der technische Kopf in Tom Jennings Firma VOX (aka JMI = Jennings Musical Industries), wenn ein Röhren Amp bzw. dessen Endstufe gegen Ende seines Aussteuerungsbereiches kommt, gerät sein Sound undurchsichtig, muffig, verliert seine Durchsetzungsfähigkeit im Bandgefüge. Die Bässe fangen an, unpräzise das Gesamtklangbild zu dominieren. Zudem wünschten sich einige Gitarristen etwas mehr Höhen, so wie bei den Fender amps. Da half, wie Denney dann folgerichtig daraus schloss, zunächst ein Hochpass vor der Endstufe, welcher die Bässe auf ein erträgliches Maß zurücknimmt. Gleichzeitig war dieses probate Mittel ein Weg, die tonale Balance der E-Gitarre besser darzustellen, denn die Basssaiten tönen systembedingt immer lauter als die Diskantsaiten. Weiterhin hatten die britischen Gitarrenamps in der frühen ersten Hälfte der 1960er Jahre sehr häufig, insbesondere die kleineren Modelle der Hersteller z.B. Watkins oder Selmer, aber auch bei VOX eigenem AC15 keine wirkungsvollen Klangeinsteller, wenn überhaupt. VOX nannte nun in ihrem AC30 Verstärker diesen mit einem zusätzlichen Hochpass ausgestatteten Kanal „Brilliant channel“. Zwei Jahre später, 1963, wird der AC30 noch ein sog. Top-Boost Schaltkreis nebst Klangeinsteller bekommen. Jedenfalls wählte Denney 1961 für die Realisation des Hochpasses die Komponenten C= 500pF gefolgt von dem Volume-Poti = 500kOhm. Später werden diese Komponenten an die normierten Werte 470pF & 470kOhm (Grenzfrequenz = 720Hz) angepasst.

01 vox ac30

Schauen wir da nochmals genau hin. In den mitt-60er Jahren, mit dem Einzug der niederohmigen Transistor Technik, wurde gerne die bewährten Filter und Klangnetzwerke aus der hochohmigen Röhrentechnik mittels Umrechnens mit Faktor 100 auf Niederohmigkeit umgeformt, das ersparte eine komplette Neuberechnung der Netzwerke. Die kleinen Kondensatoren wurden also mit Faktor 100 multipliziert und die großen Widerstände durch den Faktor 100 dividiert, damit bleibt die Grenzfrequenz konstant. Wenden wir dies bei Denney´s Hochpass an, ergibt dieses Hochpass Filter dann die neue niederohmige Dimensionierung 47nF & 4,7kOhm. Das ist mit diesen Werten perfekt geeignet für Halbleiter Schaltungen. Es wird dann auch nicht mehr allzu lange auf sich warten lassen, bis in Japan genau dieser 720Hz Hochpass als bedeutsam erkannt wird. Im Fußpunkt der Gegenkopplung des OP-Schaltkreises wird bei dem am Ende der 70er Jahren eingeführten Overdrive Schaltung z.B. bei dem Ibanez TS-808 und Nachfolger dann diese historische Hochpass Grenzfrequenz von Denney exakt mit diesen transformierten Werten übernommen. Fazit: Das Hochpass Verhalten des weltweit am meisten verkauften und kopierten Standard Overdrives ist eine direkte Kopie des Brilliant-Hochpasses des 1961er VOX AC30 und späteren AC50.

02 tubescreamer ts9

Der OC44 Transistor

Mitte der 1950er Jahre wurde mit der Germanium Transistor Technik standardmäßig das Verstärken von NF-Signalen in Vorstufen beherrscht. Die verwendeten Transistoren wurden alle noch in der sog „Legierungs“-Technologie mit homogen dotierten Zonen gefertigt. Nach heutiger Sichtweise eine eher grobe, einfache Fertigungsweise. Doch das erklärte Ziel der Halbleiter-Physiker & Ingenieure war das Verarbeiten hoher Frequenzen, aus kommerzieller Sicht war Rundfunk das damalige HiTech. Viele Versuche wurden gestartet. Man erkannte schnell, dass die obere Grenzfrequenz eines Legierungstransistors auch davon abhängt, wie schnell die Elektronen durch dessen Basiszone „wandern“. Also wurde die Dicke der Basiszone merklich verringert.
04Generell wurde der ganze Transistoraufbau miniaturisiert, gerade so weit, dass die dann auch verringerten Verlustleistungen von Basis- & Kollektor Zone nach praktischen Belangen noch vertretbar waren. Es entstanden durch diese Miniaturisierung die Typen OC44 & OC45, welche praktisch bis max. 10MHz verarbeiten konnten. Das war 1956 ein gewaltiger Schritt nach vorne in einer immer moderner werdenden Zeit. Das tragbare batteriebetriebene sog. „Koffer-Radio“ entstand. HiTech pur. Doch schon kurze Zeit später war die neue Diffusions Fertigungs Technologie am Zuge, welche Frequenzen bis etwa 100MHz (UKW = Stereo Rundfunk) verarbeiten konnte. Dabei lässt man unter hohen Temperaturen ein „Elektronen-Gas“ einseitig in die Oberfläche der homogen dotierten Basisschicht eindiffundieren, dessen Dotationsstärke nimmt dann von dieser Oberfläche in Richtung anderem Ende exponentiell ab. Es entsteht dadurch im Innern der Basiszone ein elektrisches Feld mit der Folge, dass dieses auf die durchwandernden Elektronen bzw „Elektronenlöcher“ als starke Beschleunigung wirkt und diese so final sich sehr schnell durch die Basiszone bewegen. Damit lassen sich recht hohe Grenzfrequenzen erzielen. Der OC44 war von diesen Tagen an technologisch veraltet. Trotzdem wurde er noch lange Zeit bis in die ´70er Jahre als preiswerter Transistor Typ für billige MW Rundfunk Massenware gefertigt. Die Diffusions Fertigungs Technologie wurde etwas später mit dem Einzug der Silizium Transistoren durch die Planar sowie Mesa-Epitaxial Technologie abgelöst, welche die ´70er & ´80er Jahre dominierte. Germanium hingegen war abgekündigt.
Wird der OC44 im Audio Bereich innerhalb seiner stetigen Übertragungs Kennlinie durchgesteuert, verhält er sich akustisch weitestgehend wie jeder andere Legierungs Germanium Transistor. Gerät dieser Transistor jedoch in seine Bereichsenden und beginnt zu crunchen, hebt sich dieser miniaturisierte HF-Legierungstyp akustisch leicht von den üblichen NF-Legierungstypen z.B. dem AC128 (FuzzFace Transistor, Grenzfrequenz: 10kHz) ab. Dies ist in seinem Aufbau begründet.

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VOX Treble Booster

Schnell erkannte man die Vorteile eines merklichen Hochpass-Effektes in der Übertragungskette eines Röhren Gitarren Amps. Etwa Mitte der ´60er Jahre wandelte sich der britische Sound dann langsam vom zahmen Beat in Richtung des aggressiveren Blues-Rock und Rock, welche auch lauter präsentiert wurden. Es gab, diesem Trend folgend, ab Mitte der 60er Jahre, insbesondere von der Firma Marshall dann sukzessive kräftigere Röhren-Gitarren Amps, ab 1967 sogar 200Watt Instrumental Verstärker Modelle. Doch wieder ein paar Jahre zurück. Schnell kamen damals die z.B. gerne benutzten 15-30Watt Amps der Gitarristen an ihre akustischen Grenzen. Ein Blick zu VOX zeigte schnell die Lösung. Ein externer Hochpass musste her. Die neue, mit Batterien zu betreibende Transistor Technik lieferte dafür den idealen Nährboden für ein kleines Hochpass-Filter nebst Verstärkung für in eine kleine externe Box zu packen. VOX kam als erstes mit einem solchen Gerät auf den Markt, das war September 1964. Das erfolgreiche Unternehmen wählte als Transistor einen brandneuen Silizium Transistor, kurze Zeit später wird VOX sogar auch Transistor Gitarren Amps auf dem Markt bringen, welche dann auch von den Beatles genutzt werden (Anm.: das 50Watt Modell „Defiant“ während der „Sgt. Pepper´s“ Ära).

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Der VOX Treble Booster war ein verchromtes, kleines flaches Kästchen mit angeflanschtem Ausgangsstecker an einer Stirnseite, der einfach in die Input Buchse am Amp eingesteckt wurde. Dieser Vox V806, so seine Bezeichnung, war sehr höhenreich bei kleiner Verstärkung, gerade gut für die aktuelle Beat-Musik. So richtig als Booster hingegen, verglichen mit dem kurze Zeit später erscheinenden Konkurrenz Produkt der Firma Dallas, taugte das VOX Produkt nicht recht. Er war nämlich für Amps ohne Klangeinheit, die dann mit vorgeschaltetem Booster brillant klingen sollten, konzipiert. Daher wurde auf eine sehr starke Höhenwiedergabe des VOX TB Wert gelegt. Immerhin, Roger McGuinn von den Byrds kreierte mit dem VOX TrebleBooster, seiner 12-saitigen Rickenbacker Gitarre nebst Fender amp seinen cleanen „jingle-jangle“ trademark sound. Für die alsbald einsetzende Rockmusik war der V806 jedoch nicht sonderlich brauchbar. Der VOX Treble Booster verschwand dann auch schnell wegen akustischer sowie praktischer Unzweckmäßigkeit aus der sich verändernden Musik Szene, übrig blieb das erfolgreiche Konkurrenz Modell „Range Master“, gefertigt ab 1965 von Dallas Music Industries in London.

Dallas RangeMaster

08 dallas rangemaster
08 2 oc44
Der RangeMaster war für den elektrischen Aufwand, der betrieben wurde, doch schon ein großes Kästchen mit Ausgangs Pegel Einsteller und einem kurzen Ausgangskabel, sodass dieser Kasten meist auf den Verstärkern stand. Der Kern des Gerätes bestand aus dem älteren PNP Germanium Transistor des Typs OC44 mit schwarz lackiertem Glasgehäuse. Dieser OC44 war bei seiner Markteinführung 1956 eigentlich als HF-Transistor für Rundfunk LW/MW Anwendungen, dort als Oszillator/ Mischer, angedacht. Genau betrachtet war er aber 1965 bereits technologisch veraltet, dafür aber dann preiswert und in größeren Mengen verfügbar. Seine technischen Daten waren auch für das verstärkende Hochpass Vorhaben im Audio Bereich gut geeignet (β=100, geringe Sperrströme), kurzum, mit diesem Transistor ließ sich das Gerät recht preiswert herstellen. Es war bezahlbar für den schmalen Geldbeutel der jungen aufstrebenden Gitarren Helden. Das Konzept war klar, ein kleiner Kondensator am Eingang, der zusammen mit dem folgenden Schaltungs Eingangswiderstand den Hochpass realisierte, gefolgt von dem Aufholverstärker mit dem OC44 Transistor. Da dieser Transistor ohne Wechselstrom Gegenkopplung betrieben wurde (Emitter-R kapazitiv überbrückt), generierte er auch leichte Verzerrungen, sprich Oberwellen, welche den Stahlsaiten der E-Gitarre auch zusammen mit der Höhenanhebung einen metallischen Glanz verliehen. Damit vorgeschaltet ließ sich nun jeder Röhrenverstärker für Rock gebrauchen. Eigentlich war der verstärkende Hochpass, nennen wir ihn ab sofort „TrebleBooster“, dahin gehend ausgelegt, dass der Volume Einsteller an der E-Gitarre soweit aufgedreht wurde, wie der Lautstärke Bedarf des Betriebes es erforderte. Es zeigte sich aber, wenn der Gitarren Volume so an etwa Stellung #8 angekommen war, dann der TrebleBooster seine klare, Höhen betonende Funktion verlor, der Ton ins mittige abkippte und das ganze Equipment verzerrte oder neudeutsch: crunchte. Mitte der 60er war jedoch dieser akustische Zustand (noch) nicht auf breiter Ebene erwünscht. Hauptsächlich die Band „Cream“ mit Eric Clapton an der Gitarre wird jedoch diesen crunch Sound als wichtiges akustisches Stilmittel erkennen und durchweg einsetzen. Cream erreichte einen sog. „Supergroup“ Status.

Hornby-Skewes

Für viel Gitarristen war jedoch der Volume Einsteller der Gitarre, die zur Aufhellung ihres Sounds einen TrebleBooster benutzten, ab Stellung #8 tabu, bis Ende der ´60er Jahre der britische Sound zu Gunsten des Hard-& Heavy Rock kippte. Die führenden Gitarristen in diesem neuen Genre, Ritchie Blackmore (Deep Purple) & Tony Iommi (Black Sabbath) benutzen beide einen TrebleBooster; Iommi den RangeMaster und Blackmore den selteneren Hornby-Skewes mit Silizium Transistor.

09 hornby skewes   10 hornby skewes inside

Elektrische Details

Was passiert nun bei dieser Volume Einstellung #10 an der Gitarre im RangeMaster TrebleBooster? Doch zunächst die klassische historische Einstellung. Der Gitarre Volume Einsteller koppelt bei einer Einstellung kleiner #8 die Pickup Induktivität von der Hochpass Eingangs Kapazität des TrebleBoosters merklich ab – siehe Bild 1. Der Hochpass am Eingang reagiert, wie angedacht; die Höhen passieren ungehindert, die Bässe werden abgeschwächt, siehe auch blaue Kurve in Bild 3.
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Dreht man jetzt den Gitarre Volume voll auf – Bild 2 - verschwindet diese erwähnte elektrische Entkopplung der beiden Systeme Gitarrenpickup & Eingangs Kondensator des TrebleBooster, es existiert jetzt eine direkte Verbindung zwischen beiden. Dadurch entsteht nun durch die Pickup Induktivität zusammen mit der Hochpass Kapazität ein Bandpass, dessen Mittenfrequenz bei etwas über 1kHz (beim RangeMaster Modell + Strat PU) zu liegen kommt, siehe rote Kurve Bild 3.

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Den Frequenzgang der Übertragungsstrecke Strat mit variablem Volume Einsteller + Kabel + RangeMaster TB zeigt das Bild 3:

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Die Brillanzen, die hörbar werden, kommen nun aber nicht von der Gitarre (der Bandpass dämpft diese ja weg), sondern vom Gitarren Amp und zwar in einer Art & Weise, die seit Ende der ´60er Jahre im Rock Genre als sehr wohlklingend & musikalisch wahrgenommen und geschätzt werden. Diese Eigenschaft machen die Röhrenverstärker, selbst heute im Jahre 2020, immer noch für die Gitarristen zur ersten Wahl.
Würde jetzt – einmal angenommen, durch den TrebleBooster verursacht bei voller Verstärkung kein Bandpass vorliegen, sondern nur die Bässe abgesenkt (Hochpass), würde der nachfolgende Gitarren Amp zwar immer noch übersteuern und seine Oberwellen hinzufügen, aber dann würden die „Amp-Oberwellen“ und die Oberwellen der Saiten (werden jetzt nicht weggedämpft) an der nichtlinearen Kennlinie des Verstärkers zusammen „verknüpft“ werden, also starke Summen - & Differenzton-Oberwellen erzeugt werden. Dies klingt dann wirklich nichtmusikalisch & dissonant! Daher ergibt das Übertragungsverhalten der voll aufgedrehten Gitarre vor einem TrebleBooster eher zufälligerweise genau den richtigen Frequenzgang, den es braucht, um einen Röhren Gitarrenverstärker wohlklingend zu übersteuern. Wenn wir hier wieder einen Blick auf den Standard Overdrive TS-9 werfen, ergibt sich sehr ähnlicher „über-alles“ Frequenzgang.

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Nach dem Overdrive OP ist ein Tiefpass angeordnet (1kOhm & 0,22uF => 720Hz), der nun das bereits Hochpass korrigierte Eingangssignal in seinen Höhen absenkt. Als Summe bleibt ein Bandpass mit der Mittenfrequenz von etwa 720Hz. Durch Betätigen des Tone-Einstellers am Overdrive lässt sich diese Mittenfrequenz noch in einem weiteren Rahmen verschieben. Das Bandpass Verhalten des Overdrive ist jedoch von der Einstellung des Gitarren Volume Einstellers unabhängig!
Bei Zurücknehmen des Gitarre Volume, wenn der Amp dadurch nicht mehr übersteuert, bleibt dann das Signal sehr Mitten betont und nasal, da durch das Fehlen der Amp Obertöne dieser Frequenzbereich ja nicht besetzt ist. Der TrebleBooster hingegen wandelt sich beim zurück drehen des Gitarren Volume von seinem Bandpass Verhalten zu dem beschriebenen Hochpass-Verhalten, der Ton ist nun strahlend klar für die Rhythmus Arbeit. Als Fazit lässt sich hier sagen: Der übliche Overdrive/Tube Screamer hat den Frequenzgang des klassischen TrebleBooster kopiert, wenn gleich der Overdrive bei weitem nicht so gut am Volume Einsteller der Gitarre „hängt“, also beim Runterdrehen des Volume der Sound aufklart. Das ist ein Alleinstellungsmerkmal des klassischen Germanium TrebleBooster.

Marshalls Lösung

Jim Marshall hatte stets ein offenes Ohr für die Belange seiner Kunden. Daher reagierte man in der Marshall Fabrik Mitte der ´60er Jahre (auch) auf den Treble Wunsch vieler Gitarristen. 1965 wurde dann die später kultvoll gepriesene, „Plexi“ genannte Verstärker Serie ins Leben gerufen. Man lötete einfach einen recht großen „Bright“ Kondensator von 5nF über den 1MegaOhm Volume Poti. Auch der zunächst noch gemeinsam vorhandene Kathoden Bias Widerstand der Vorstufen Trioden beider Kanäle (Normal & Bright) wurde nun gesplittet, jede der Eingangs-Trioden erhielt jetzt ein eigenes Kathoden Arrangement.
15 marshall plexi ampIm „Bright“ Channel wählte man jetzt 2,7kOhm mit einem 0,68uF Folien-Kondensator parallel. Beginnend ab den unteren Mitten bis hin zu den Höhen bildet dieser Kondensator einen Bypass, die Strom-Serien-Gegenkopplung wird überbrückt. In den Bässen hingegen bis etwa 200Hz wirkt die Gegenkopplung mit der Folge, dass sich eine Bass Reduktion einstellte, so dass die Basssaiten der Gitarre nicht mehr so dominant und jetzt schlank erklingen, dabei so das Gitarren Signal, zusammen mit anderen weiteren Maßnahmen, aufhellten. Auch andere Hersteller wie z.B. Hiwatt oder Sound City hatten wirkungsvolle Hochpässe (auch umschaltbar wie bei Orange) in ihren Gitarrenamps installiert.
Wichtig erscheint es hier zu erwähnen, dass die durch Gegenkopplung erzielte Bassreduzierung unterhalb der Grenzfrequenz von etwa 200Hz nicht nur allein von dem mittelgroßen 0,68uF Kondensator abhängt wie allgemein angenommen, sondern auch wesentlich von der aktuellen Leerlauf Spannungsverstärkung der beteiligten Triode dieser Stufe abhängt! Dadurch erhält jene Stufe, und zwar abhängig von der verwendeten Triode, ein eigenes Timbre, welches dann in den Web-Foren und auch dem öffentlichen Terminus fälschlicherweise einem vermeintlichen Eigenklang der Röhre zugeordnet wird. Näheres dazu ist in der allgemeinen Gegenkopplungs Gleichung (siehe Regelungstechnik) unter der Randbedingung „Gegenkopplung bei kleiner Vorwärtsverstärkung“ zu suchen.

Herleitung

Wir betrachte jetzt diese Marshall Plexi Bright Verstärkerstufe, welche typisch mit einem 2,7kOhm Kathoden-R sowie einen 0,68uF Kathoden Bypass-C ausgerüstet ist. Der Kathoden-R hat im unteren Bass-Bereich noch keinen merklichen wirksamen Bypass durch das C, der Blindwiderstand des C ist noch zu hochohmig gegenüber dem Kathoden-R. Die Stufe verhält sich übrigens vom Frequenzgang her wie ein PDT1 System (mit T1 < TD, siehe Regelungstechnik, siehe Anhang). Die Schaltung unterliegt einer Strom-Serien-Gegenkopplung mit der Betriebsverstärkung VBetrieb in diesem Bassbereich von:
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Bei genauer Betrachtung zeigt sich, dass die Grenzfrequenz (-3dB) direkt von dem Term (Kathoden-Z * V0) abgängig ist – also auch unmittelbar von V0. Mit Variieren der Leerlaufverstärkung V0, hervorgerufen durch die immer vorhandenen Fertigungstoleranzen der Röhren ergibt sich in dieser Schaltung dann auch ein Variieren der -3dB Grenzfrequenz. Bei einer 12AX7A @ V0 =100 nominal ergibt sich diese Grenzfrequenz bei etwa 200Hz. Anbei die Grafik dieses Sachverhaltes bei einer Röhre mit V0 = 100 (=12AX7A) sowie V0 =70.

Deutlich ist die Variation der -3dB Grenzfrequenz zu sehen ... und ist auch zu hören. Als Quintessenz lässt sich sagen, wenn verschiedene aber typengleiche Röhren getestet werden, variiert auch in der oben vorgegebenen Schaltung der Bass Frequenzgang –abhängig von der jeweils aktuellen Röhre in der Schaltung. Die Röhre mit ihrer relativen kleinen Verstärkung V0 in Verbindung mit der Gegenkopplung ergibt unterschiedliche Frequenzgänge, welche dann Probanden im Vergleichstest auch hören. Leider wird dies ob der nicht leicht zu durchschauenden obigen Zusammenhänge dann fälschlicherweise einer dann nicht neutral klingenden Röhre zugeschrieben, weil eine plausibel erscheinende Erklärung für diesen unverstandenen Effekt her muss. Dies Vorgehen ist natürlich eine völlig falsche Interpretation dieses Gegenkopplungs Szenarios.
Fazit: Der Frequenzgang der Röhre als solche unterliegt im Bassbereich keinerlei Frequenzgang Abweichungen gegenüber dem Neutralverhalten

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© by Bernd C. Meiser - mit freundlicher Genehmigung




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