Analogowy efekt gitarowy 'distortion'

Wprowadzenie

Nie będziemy tutaj zagłębiać się w trudne matematyczne wzory. Skupimy się na praktyce –
budujemy, słuchamy i poprawiamy!Wkońcu chodzi o frajdę, inspirację i dobre brzmienie.
Nie martw się, jeśli nie znasz jeszcze takich pojęć jakMOSFET albo „pętla sprzężenia zwrotnego”
– wszystko zostało opisane i wytłumaczone. Jeśli nam udało się bez większego doświadczenia,
to wierzymy, że inni też dadzą radę.

Źródła

Inspiracja przyszła do nas głównie z tych poradników:
• główny poradnik
https://www.wamplerpedals.com/blog/lifestyle-hobby/2024/08/how-to-design-a-basic-distortion-• uproszczony schemat
https://www.instructables.com/Make-an-easy-guitar-distortion-pedal-STEP-BY-STEP/
• wzmacniacz DIY
https://www.musicradar.com/how-to/build-your-own-guitar-amp-from-scratch-diy
Oczywiście nie obyło się bez nauki na własnych błędach oraz zasięgania wiedzy od licznych
twórców z platformy YouTube.
Zanim zaczniesz
Po zakończeniu budowy obwodu mamy kilka uwag i propozycji modyfikacji - rzeczy, które
warto wziąć pod uwagę przed rozpoczęciem pracy.Warto bowiem unikać niespodzianek.

Napotkane problemy

Lista napotkanych przez nas problemów w kolejności od najważniejszych, do najmniej istotnych.

Błędy grube:

1. pinout JFET’a - nie byliśmy w stanie znaleźć sensownego schematu mówiącego, która z
nóżek jest wyprowadzeniem source, drain czy gate. Ostatecznie metodą prób i błędów
udało się nam znaleźć poprawny sposób połączenia.
2. Złe kondensatory - nie posiadaliśmy niespolaryzowanych kondensatorów o pojemności
1μF, więc musieliśmy się posiłkować połączeniem ze sobą dwóch spolaryzowanych kondensatorów
elektrolitycznych łącząc ze sobą nóżki przeciwnych biegunów.

3. Zasilanie - okazało się, że nasza bateria 9V jest niesprawna. Niesprawny okazał się też
zasilacz prądu stałego oraz inna bateria. Przez długi czas myśleliśmy, że obwód był źle
zlutowany. Okazało się, że problem leżał po stronie zasilania.
4. Zimne luty - brak doświadczenia i wielokrotna, ręczna wymiana diod spowodowały osłabienie
niektórych połączeń lutowanych.

Błędy mniej istotne:

1. Tolerancja rezystorów-wskrócie, tolerancja ogromna. Nie do końca wiadomo, jakie faktyczne
wartości rezystancji posiadały rezystory...
2. Białe kable - spadła znacząco czytelność. Przed przystąpieniem do kolejnego projektu
na pewno przygotujemy różne kolory kabli. Bardzo trudno było znaleźć jakikolwiek błąd,
kiedy każde połączenie było czarną skrzynką - zamkniętą zagadką.

Sugerowane modyfikacje

Poniżej przedstawiamy listę sugerowanych modyfikacji projektu podstawowego. Niektóre
warto dodaćwtrakcie (np. inne diody), trudniejszewarto zostawić na koniec. Trzeba zrozumieć
co dzieje się w obwodzie, aby później móc zajmować się dodatkami.
1. Podmiana LEDów - ledy nie dają silnego brzmienia. Autor artykułu twierdził, że otrzymamy
zadowolające brzmienie. Uważamy jednak, że LED nadaje się do obwodu "overdrive"
o lżejszym zniekształceniu, nie zaś do "distortion". Lepsze będą zwykłe diody prostownicze.
Często są również tańsze - same plusy.
2. Różne pary diod - warto dodać guzik lub dźwignię kilkupołożeniową, aby móc w trakcie
grania zmieniać brzmienie.Można bowiem wybrać kilka par diód różnego rodzaju.Wten
sposób testowaliśmy kilka ich rodzajów, aby wybrać najbardziej nam odpowiadające. Po
prostu równolegle podpinamy kilka par i pomiedzy nimi dodajemy dźwignię (u nas guzik).
3. Większy gain -Na etapie gain z pokrętłemwarto zwiększyć minimalną rezystancjęwejścia
do wzmacniacza (rezystor szeregowo włączony przy potencjometrze). Mamy oddzielne
pokrętło do głośności, a gain jest za mały przy wersji podstawowej.
4. Obudowa - jeślimówimy już o pokrętłach,warto pokusić się o stworzenie (np. na drukarce
3D) obudowy.Mamy bardzo dużo elementów (aż 3 pokrętła, 2 kable JACK, itd.), które latają
luzem. Są one bardzo uporczywe i może powodować luzy, pęknięcia i wiele nieprzyjemnych
sytuacji.
5. Więcej basu - zmiana wartości niektórych kondensatorów (wspomnianych i wymienionych
bezpośrednio w poradniku) pozwoli na uzyskanie wiekszej ilości dolnych częstotliwości.
Autor przesadził z ich odjęciem według naszego uznania i sam wspomina o tych
zmianach.

Ogólna zasada działania

W ogólnym zamyśle efekt jest bardzo prosty - składa się on głównie z wejścia, części modyfikującej
sygnał i wyjścia - pomiędzy jest tylko wzmocnienie i kilka filtrów zapobiegających
powstawaniu szumów. Dodatkowo pojawiają się sporadycznie kondensatory odpowiedzialne za
stabilizację napięcia, np. przy baterii.

Pierwszy prototyp

Pierwszą wersję obwodu zrobiliśmy na płytce stykowej, w celu wstępnego sprawdzenia
funkcjonalności obwodu i zorientowania się jak rozplanować układ komponentów na płytce
lutowanej. Czerwony kabel podłącza się do ’+’ wejścia, brązowy do ’+’ wyjścia. Dodatkowo obwód
wymaga baterii 9V oraz podłączenia ’-’ wejścia i wyjścia do wspólnej masy obwodu.

Układ potraktujemy do opisu jaką czarną skrzynkę - nie wiemy co dzieje sięwśrodku.Mamy
dwa złącza JACK - wejście i wyjście. Tutaj wpinamy gitarę oraz wzmacniacz gitarowy. Guzik w
naszej wersji obwodu służy do wyboru rodzaju diód. Mamy Schottky i Zenera.
Oprócz tego mamy 3 pokrętła: gain (wzmocnienie), volume (głośność) oraz tone (zmienia
ostrość sygnału - ton).
Do złączki wpinamy baterię 9V. Standardowe napięcie dla tego typu urządzeń.

Jak działa ’diode clipping’

Diody zachowują się jak zawory bezpieczeństwa – kiedy napięcie sygnału przekroczy próg
przewodzenia diody, dioda zaczyna przewodzić i obcina szczyt fali.
Oto przykłady wpływu doboru diody na brzmienie:
• Zwykłe diody krzemowe (np. 1N4148) – twarde, agresywne brzmienie, dużo kompresji.
• Diody LED – łagodniejsze clipping, większa dynamika, mniej skompresowany dźwięk.
• Diody Schottky – bardzo niskie napięcie progowe, bardzo szybkie i miękkie clipping.
• Diody germanowe – najłagodniejsze clipping, ciepłe, vintage’owe brzmienie.
Wnaszym układzie (wwersji podstawowej) stosujemy LED-y, aby uzyskać bardziej „otwarty”
i dynamiczny distortion.

Krok po kroku

Część I – Zasilanie

Zaczynamy od podstaw: potrzebujemy zasilić nasz układ. Użyjemy do tego baterii 9V.
Aby układ działał poprawnie, musimy stworzyć tzw. wirtualną masę – napięcie odniesienia
w połowie napięcia baterii, czyli około 4,5V. Robimy to za pomocą dwóch takich samych
rezystorów (np. 10kΩ) połączonych szeregowo i kondensatora (C3), który stabilizuje napięcie
odniesienia (Vref).
Dodatkowo, kondensator C1 pomaga w wyciszeniu ewentualnych szumów z baterii.

Część II –Wprowadzenie sygnału gitary

Sygnał z gitary wprowadzamy przez zwykłe gniazdo mono. Masa gitary łączy się z masą
układu.
Sygnał trafia do rezystora (R7), potem do kondensatora (C4), który blokuje niepożądane napięcia
stałe, zanim sygnał trafi do pierwszego wzmacniacza operacyjnego (op-ampa).
Między R7 a C4 dodajemy filtr dolnoprzepustowy (C6 + R7), który usuwa bardzo wysokie

Część III – Pierwszy stopień wzmocnienia

Sygnał z gitary wprowadzamy przez zwykłe gniazdo mono. Masa gitary łączy się z masą
układu.
Sygnał trafia do rezystora (R7), potem do kondensatora (C4), który blokuje niepożądane napięcia
stałe, zanim sygnał trafi do pierwszego wzmacniacza operacyjnego (op-ampa).
Między R7 a C4 dodajemy filtr dolnoprzepustowy (C6 + R7), który usuwa bardzo wysokie
częstotliwości (np. fale radiowe).

Część IV – Drugi stopień wzmocnienia i clipping

Drugi wzmacniacz pracuje jako odwracający wzmacniacz – sygnał trafia do wejścia odwracającego
(minus).
- R12 ustala wzmocnienie. - C9 przycina wysokie tony.
Tutaj także sygnał trafia na diodowy kliper – czyli zestaw diod, które celowo „przycinają”
sygnał.

Część V – Korekcja tonu i kontrola głośności

Co to jest clipping? Kiedy wzmacniamy sygnał za bardzo, układ nie jest w stanie już go
liniowo powiększać. Wtedy sygnał się „ścina” (ang. clip) – i powstaje zniekształcenie, czyli distortion.
Więcej na ten temat napisaliśmy w dedykowanej części raportu.
Po clippinguwarto jeszcze osłodzić brzmienie, filtrując nieprzyjemnewysokie harmoniczne.
Dodajemy prosty pasywny filtr tonu: - Potencjometr (10kΩ) – regulacja ilości wysokich tonów.
- C12 – kondensator odpowiadający za to, ile tych wysokich częstotliwości tłumimy.
Potem dodajemy kontrolę głośności (Volume) – to klasyczny dzielnik napięcia.

Część VI – Bufor wyjściowy

Żeby nasz sygnał dobrze współpracował z następnymi efektami albo wzmacniaczem, dodajemy
prosty bufor na tranzystorze JFET.
Wyjście z bufora przechodzi przez kondensator blokujący (C13), aby odfiltrować napięcie
stałe, a następnie przez dwa rezystory (R16 i R17) ustawiające odpowiednią impedancję wyjściową

Symulacja obwodu - Multisim

Dodatkowo w celu lepszego poznania działania obwodu, zasymulowaliśmy go w oprogramowaniu
NI Multisim. Umożliwiło to zapoznanie się z przebiegiem sygnału na wyjściu w zależności
od ustawień potencjometrów GAIN, TONE oraz VOLUME. Poniżej znajduje się symulowany
obwód i przykładowy przebieg sygnału wejściowego i wyjściowego.

Podsumowanie i wnioski

Gratulacje! Teraz masz prosty, świetnie brzmiący układ distortion. Najlepsza jest dowolność
w eksperymentowaniu i możliwości rozwinięcia tego układu.
Do budowy najlepiej użyć płytki stykowej (breadboard) – pozwala na szybkie składanie i
testowanie bez lutowania! Jednak w wersji ostatecznej zalecamy wszystko zlutować.