Efekt gitarowy Distortion Plus

Do czego to służy?

Zarówno efekt distortion, jak i overdrive bywa potocznie nazywany "przesterem", gdyż zasada ich działania jest identyczna, różnią się jedynie inną filtracją sygnału przed i po ograniczniku amplitudy oraz ilością i charakterem wprowadzanych do sygnału zniekształceń nieliniowych.

Opisywany tutaj bardzo prosty układ jest zbudowany w oparciu o jeden podwójny wzmacniacz operacyjny. Do obcinania sygnału wykorzystywane są diody krzemowe, a nie jak w oryginale diody germanowe. Układ może realizować obcinanie miękkie (Soft Clipping), czyli efekt overdrive oraz obcinanie twarde (Hard Clipping), czyli efekt distortion. Ma także regulację poziomu obcięcia, regulację barwy, głośności oraz przełącznik Bypass (ominięcie efektu). Zasilanie włączane jest poprzez wpięcie wtyczki wejściowej, jak w większości konstrukcji fabrycznych tego typu, a źródłem zasilania jest bateria 9V.

Jak to działa?

Działanie efektów overdrive i distortion polega na odpowiednim obcinaniu sygnału z gitary. Obcinanie jest procesem nieliniowym, wytwarzającym częstotliwości harmoniczne, normalnie nieobecne w sygnale audio. Czysty sygnał z gitary składa się z dwóch faz, narastania i opadania. Natomiast opisywany tutaj efekt wskutek obcięcia dodaje jeszcze fazę podtrzymania. Czas trwania fazy podtrzymania zależy od "siły" przesterowania: czas ten jest tym dłuższy, im niższy jest próg odcięcia i im większy jest poziom sygnału przed ścinaniem. Zależności te przedstawia rysunek 1.

Rys.1 Obcinanie sygnału w efektach

Ścinanie sygnału następuje dopiero po przekroczeniu pewnego napięcia progowego. Poniżej tego progu sygnał nie doznaje żadnych zniekształceń. Przy mocniejszym szarpnięciu struny, sygnał przekracza wartość progu i zostaje ograniczony, zmienia się na bardziej prostokątny (efekt overdrive, środkowy przebieg na rysunku 1), jednak pozostaje nadal "zaokrąglony" przy wierzchołkach (obcinanie jest miękkie).

Sygnał słyszany jest jako suma harmonicznych, a sygnał bardziej prostokątny zawiera ich więcej. Przez dodanie wyższych harmonicznych dźwięk staje się ostrzejszy. Efekt overdrive naśladuje przesterowany wzmacniacz lampowy: ograniczenie amplitudy jest łagodniejsze niż w distortion (przebieg dolny na rysunku 1), który ma jeszcze ostrzejsze i bardziej metaliczne brzmienie. Obcięcie w distortion jest bardziej gwałtowne (obcinanie twarde) i pojawiają się "proste" odcinki przebiegu.

Wytwarzanie tak przesterowanego sygnału z użyciem różnych nieliniowych przedwzmacniaczy ma swoją długą historię, poczynając od przesterowanych wzmacniaczy lampowych, czy układów z diodami germanowymi. Kiedy gitarzysta testuje jeden z efektów typu overdrive lub distortion, często zachwycony jest nietypowym charakterem sygnału, poszukuje jednak możliwości regulacji progu odcięcia, barwy czy wzmocnienia, aby dopasować dźwięk do własnych upodobań.

Rys.2 Realizacja obcinania - Distortion Plus

Na rysunku 2 przedstawione zostały dwa przykładowe schematy realizacji obcinania. W wersji z rysunku 2a takie nieliniowe wzmocnienie realizowane jest poprzez zastosowanie w sprzężeniu zwrotnym klasycznego wzmacniacza odwracającego dwóch diod włączonych przeciwsobnie (mogą też pracować po dwie diody w szeregu, wszystko zależy od wzmocnienia). Wzmocnienie takiego układu jest równe 100. W praktyce zamiast rezystora 100xR stosuje się potencjometr, który staje się regulatorem progu obcinania sygnału (regulator "Drive").

W przypadku z rysunku 2b diody odcinają poziom sygnału, zwierając wierzchołki do masy (prawdziwej lub przy zasilaniu niesymetrycznym do sztucznej masy na potencjale połowy napięcia zasilania). Regulacja progu obcinania sygnału realizowana jest identycznie jak w pierwszej wersji, dzięki regulacji wzmocnienia. Obcinanie twarde, czyli efekt distortion, realizowane jest w identyczny sposób jak obcinanie miękkie. Wszystko zależy od zakrzywienia charakterystyki diod. Generalnie można przyjać, że diody germanowe dają obcinanie miękkie, a krzemowe oraz diody LED – obcinanie twarde.

Rys.3 Schemat ideowy - efekt gitarowy Distortion Plus

Prezentowany tutaj układ nie jest niczym unikalnym, gdyż w Internecie można znaleźć setki schematów bardzo podobnych do prezentowanego. Zaletą jest kompaktowa budowa, oparta na typowych i łatwo dostępnych elementach. Schemat ideowy układu znajduje się na rysunku 3. Sercem układu jest wzmacniacz operacyjny U1 (NE5532). Pierwsza jego połówka pracuje w obwodzie obcinania sygnału wejściowego. Rezystory R8 (22kΩ) i R14 (2,2kΩ) oraz potencjometr P1 (1MΩ) o charakterystyce logarytmicznej pozwalają zmieniać wzmocnienie, a tym samym ustawiają próg obcinania sygnału.

Dodatkowo R14 i C7 (150nF) tworzą filtr górnoprzepustowy, kompensujący podbicie niskich i średnich częstotliwości, naturalnie występujących w sygnale z gitary. Elementem bezpośrednio odpowiedzialnym za nieliniową charakterystykę wzmacniacza są diody D4–D7 (1N4148) zapięte w sprzężeniu zwrotnym U1A. Dodatkowe obcinanie umożliwiają diody D8-D9 (1N4148), zwierające sygnał z wyjścia U1A do sztucznej masy.

Zmianę parametrów obcinania dokonuje się za pomocą przełącznika J1. C6 można tutaj traktować jako dodatkową filtrację napięcia polaryzującego, a R2 (4,7kΩ) razem z R15 jako dzielnik napięcia, dopasowujący poziom sygnału w obu trybach. Niezależnie od wybranego trybu obcinania, sygnał z U1A poprzez rezystor R2 trafia na filtr dolnoprzepustowy C9 (6,8nF), a dalej na kolejny, o regulowanej częstotliwości granicznej, złożony z potencjometru P2 (50kΩ) i kondensatora C11 (4,7nF). Filtr P2, C11 pozwala regulować obcięcie wysokich tonów, powstałych po operacjach zniekształcenia sygnału wejściowego.

Sygnał wejściowy podawany jest na złącze IN i dalej przed filtr górnoprzepustowy C1R4 i bufor T1. Rezystor szeregowy R3 (1kΩ) oraz diody D2–D3 (1N4007) stanowią zabezpieczenie przed zbyt dużym napięciem na wejściu układu. Sygnał z emitera T1 trafia na zestaw filtrów C4-C5, R12-R13 oraz R5, a dalej na wejście wzmacniacza operacyjnego U1.

Druga połówka wzmacniacza U1 stanowi bufor wyjściowy. Sygnał wyjściowy trafia na potencjometr P3, który umożliwia regulację poziomu sygnału. Przełącznik J2 pozwala włączyć obejście (BYPASS) efektu, by na wyjściu OUT dostępny był sygnał bezpośrednio z gitary. Poziom sygnału, ustawiany za pomocą P3, powinien być tak dopasowany, żeby zarówno przy działającym efekcie, jak i przy włączonym obejściu (BYPASS) głośność była taka sama.

Układ zasilany jest z baterii 9V z wykorzystaniem obwodu sztucznej masy. Gniazdo wejściowe IN jest stereofonicznym gniazdem JACK i stanowi jednocześnie wyłącznik zasilania. Wtyczka mono z gitary wpinana do gniazda stereo zwiera środkowy styk gniazda do masy, dołączając baterię do układu.

Montaż i uruchomienie

Układ modelowy został zbudowany na jednostronnej płytce drukowanej, a wszystkie zastosowane komponenty są elementami przewlekanymi. Montaż nie powinien sprawić trudności nawet początkującym konstruktorom. Pomocą w konstrukcji będzie schemat montażowy widoczny na rysunku 4.

Rys.4 Schemat montażowy - efekt gitarowy Distortion Plus

Lutowanie należy rozpocząć od 5 zworek. W dalszej kolejności powinny zostać zamontowane wszystkie rezystory i kondensatory. Pod wzmacniacz operacyjny U1 dobrze jest zastosować podstawkę. Na samym końcu montuje się potencjometry i złącza JACK. W roli przełączników J1 i J2 najlepiej zastosować dobrej jakości miniaturowe wyłączniki dźwigniowe (dwupozycyjne, pojedyncze) montowane na przewodach. Dioda D1, sygnalizująca obecność napięcia zasilania, powinna być zamontowana na długich nóżkach, tak aby dostała do górnej ścianki obudowy. Cały układ z powodzeniem zmieści się w niewielkiej obudowie Z7A, wraz z baterią 9V. W Elportalu dostępne są rysunki ścieżek oraz projekt rysunku panelu – naklejki.

Efekt gitarowy -  Distortion Plus

W projekcie modelowym, w roli J1 i J2 zastosowano przełączniki dźwigniowe, jednak można wlutować w ich miejsce, wprost w płytkę, kątowe przełączniki suwakowe. Najbardziej profesjonalnym rozwiązaniem byłoby zastosowanie dedykowanych przełączników nożnych, ale pociągnie to za sobą konieczność użycia innej obudowy. W projekcie modelowym jako tranzystor T1 zastosowany został popularny BC546, ale żeby poprawić parametry szumowe, można w jego miejsce wykorzystać BC549.

Ma to znaczenie, gdy efekt współpracuje z wysokiej klasy wzmacniaczem (piecem) gitarowym. W roli wzmacniacza operacyjnego pracuje NE5532, nic nie stoi na przeszkodzie, aby sprawdzić działanie układu z TL072 lub innym wzmacniaczem operacyjnym. Gdyby regulacja barwy (obcięcia wysokich tonów) okazała się niewystarczająca, można zmienić wartość kondensatora C11 (typowo 4,7nF). Zastosowanie kondensatora większego, np. 6,8nF, powoduje mocniejsze obcinanie, a mniejszego, np. 3,3nF, pozwala przepuścić więcej wysokich tonów.

Od redakcji: