The Pegelsteller

Es gibt eine nahezu unüberschaubare Anzahl von Möglichkeiten, einen Pegelsteller für Audiosignale zu realisieren. Jeder hat da so seine Favoriten – ich auch

Zuerst stolperte ich darüber in einer Elektor-Ausgabe Mitte der achtziger Jahre, im Laufe der Jahre habe ich auch das eine oder andere kommerzielle Design gesehen, dass auf diese Weise funktioniert. Angesichts der erdrückenden Vorteile dieser Lösung wundert es mich stark, dass noch so viele Hersteller teuren Equipments mit klassischen Stepped- oder Shunt-Abschwächern arbeiten:

Im Prinzip handelt es sich um eine Hintereinanderschaltung von mehreren Spannungsteilern, in diesem Falle sind es sieben. Jeder Teiler kann einzeln per Relais-Umschaltkontakt auf „aktiv“ oder „kurzgeschlossen“ geschaltet werden. Die einzelnen Teiler werden „binär“ dimensioniert, also so, dass ein Teiler immer die doppelte Dämpfung des nächsten hat. So kann man nämlich höchst elegant 2^7 = 128 gleiche Dämpfungsschritte realisieren. Meine Teilerdimensionierung sieht so aus:

  • -0,75 dB
  • -1,5 dB
  • -3 dB
  • -6 dB
  • -12 dB
  • -24 dB
  • -48 dB

Damit lässt sich eine Dämpfung von 0 bis –95,25 Dezibel in 128 Schritten einstellen – ich denke, das reicht. Nimmssu acht Relais und Teiler, machssu:

  • -0,5 dB
  • -1 dB
  • -2 dB
  • -4 dB
  • -8 dB
  • -16 dB
  • -32 dB
  • -64 dB

Das gibt maximal –127,5 dB in 0,5 dB-Schritten – halte ich für übertrieben.

Die Ermittlung der entsprechenden Widerstandswerte ist eine etwas lästige Arbeit; deshalb habe ich zu diesem Zwecke eine kleine Excel-Tabelle verzapft, die gibt’s hier zum Runterladen.
Die gelb hinterlegten Felder sind die, in die man was eintragen muss, und zwar den gewünschten Nennwiderstand des Teilers und die einzelnen Teiler-Abstufungen in Dezibel. Die Tabelle rechnet dann für jeden Spannungsteiler die passenden Widerstandswerte aus. Dabei ist „R1“ jeweils der „Längswiderstand“ (also R1-R7 im Schaltbild) und „R2“ der dazugehörige Widerstand nach Masse (R8-R15 im Schaltbild). Wohl bekomm’s.

Wie aber funktioniert das Ganze nun?
Zäumen wir das Pferd von hinten auf und behaupten, alle Teiler würden auf „Durchzug“ stehen. In dem Falle bliebe von dem gesamten Pegelsteller nur noch der Widerstand R15 übrig. Sein Wert bestimmt die Gesamtimpedanz des Teilers. Wir wählen beispielsweise 20k. Jetzt schalten wir mal den 0,75 Dezibel-Teiler hinzu, also R7/R14. Diese beiden Widerstände sind jetzt so zu dimensionieren, dass sich bei Belastung mit 20k eine Abschwächung von 0,75 Dezibel ergibt und die Summe aus R7 und der Parallelschaltung von R14 und R15 wieder 20k gibt. Kein Problem, das ist ein simpler belasteter Spannungsteiler.
Aha: Die Eingangsimpedanz des Teilers beträgt also immer noch 20k! Das Spielchen können wir so weiter treiben, jeder einzelne Teiler kann gleich berechnet werden – nämlich mit einer Belastung von 20k. Daraus folgt letztlich:
Egal, welche Dämpfung eingestellt wird, die Eingangsimpedanz der Schaltung ist konstant 20k! Nix is mehr mit lautstärkeabhängiger unterer Grenzfrequenz, die Belastung für die treibende Stufe ist konstant. Und deshalb kann man auf eine solche auch bequem verzichten, dieser Pegelsteller kann direkt nach der Eingangsumschaltung sitzen. Ausgangsseitig beträgt seine Impedanz maximal 20k, mit steigender Dämpfung geht sie zurück. Die empfangende Stufe beeinflusst die Dämpfung also praktisch nicht, es sei denn, sie wäre unüblich niederohmig.
Außerdem kann man R15 so dimensionieren, dass sich zusammen mit der Eingangsimpedanz des Verstärkers eben wieder genau die gewünschten 20k ergeben. Eleganter geht’s meiner bescheidenen Meinung nach nicht mehr. Jetzt könnte man argumentieren, dass das Signal im schlimmsten Fall (minimale, also keine Dämpfung) durch sieben hintereinander geschaltete Relaiskontakte muss. Stimmt. Deswegen nimmt man für so etwas gute Signalrelais und keine Schütze vom Wühltisch. Eingedenk der vielen Vorteile nehme ich diesen Umstand gerne in Kauf.
Nimmt man Relais mit zwei Umschaltkontakten, lässt sich ein Stereo-Lautstärkesteller mit acht Relais aufbauen (Numero acht dient als Muting-Ausgangsrelais, zu dessen Bedeutung kommen wir noch). Schuro bietet gute Takamisawas für zwei Euro das Stück, macht derer 16. Plus vielleicht 3 Euro für die 28 Widerstände – das macht 19 Euro plus Platine und Ansteuerung. Das ist für einen Pegelsteller dieses Kalibers schlicht konkurrenzlos billig. Wer mehr Geld ausgeben will, kann das Ding auch gerne mit Vishay/Dale-, Caddock-, Riken- oder sonstigen Nobelwiderständen bestücken.

Natürlich ist das Ganze nicht eine rein theoretische Überlegung, sondern mittlerweile in FR4 gegossenen Realität; dank eines äußerst preisgünstigen chinesischen Platinenherstellers hab‘ ich mir mal einen ganzen Schwung Boards für einen solchen Lautstärkesteller machen lassen. Das Schaltbild dazu sieht so aus:

Das Platinenlayout sieht so aus:

Das Board ist eigentlich als vollsymmetrischer Mono-Steller angelegt, kann aber genau so gut stereofon betrieben werden – dann fällt halt nur, wie erwähnt, die Möglichkeit zur Balance-Einstellung weg.

So much 4now…

6 Gedanken zu „The Pegelsteller

  1. Thomas

    Hallo Holger habe mir einen SYMASYM gebaut und wollte nun statt einem Poti mir den von dir vorgestellten Pegelsteller bauen. Dazu drei Fragen:
    1.) Passt dieser zum SYMASYM?
    2.) Kannst du mir einen konkreten Umschalten nennen (auf der Platine mit SV1 gekennzeichet), den ich im Fachhandel bestellen kann?
    3.) Kann ich eventuell von Dir noch eine Platine bekommen?

    Danke
    Thomas

    Antworten
  2. tojo

    Hallo, ist eine sehr elegante Lösung. Wie funktioniert denn die Ansteuerung. Nimmst du einen Encoder der einen Controllerchip ansteuert? Hast du da Favoriten? Ich würde gerne etwas ähnliches verwirklichen. Habe vor mir ein PCB mit Quellenwahl über Relais und Balanceregelung noch zusätzlich mit aufzubauen. Wäre nett wenn du mir mal deine Ansteuerung veraten könntest.
    Dank Dir
    VG Torsten

    Antworten
  3. Robert

    Hallo!

    Abseits des wirtschaftlichen Grundes von kommerziellen Herstellern, hat die Schaltung einen kleiner(?) Haken:
    Bei einer binären Codierung hat man das Problem, dass z.B. beim Übergang vom Bitmuster 011 1111 auf 100 0000 sehr viele Relais schalten, das macht Geräusche. Entweder man muted dazwischen wie es die integrierten Schalter auch machen, um die Charge Injection der Transfergatter auszublenden oder verwendet Relais, mit sehr geringer Kopplung zwischen Erreger- und Signalkreis.

    Hattest du nie Probleme mit Schaltknacksen beim Hochregeln der Lautstärke?

    Grüße

    Robert

    Antworten
    1. hb Beitragsautor

      Hi Robert,
      jawohl, das ist ein altbekanntes Problem und der Grund dafür, dass es ein Muting-Relais auf der Platine gibt. Das Problem ist übrigens nicht nur die Kopplung in den Relais, sondern der Umstand, dass es beim Umschalten aller Relais einen „verbotenen“ Moment gibt, bei dem es einen deutlichem Impedanzsprung gibt. Dabei knackt es unweigerlich. Die übliche Lösung ist, wie du ganz richtig sagtest, bei den kritischen Übergängen kurz den Ausgang stummzuschalten.

      Antworten

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