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Buffer: tanto per parlarne
Buffer: tanto per parlarne
di [user #33863] - pubblicato il

Il buffer è un circuito semplice ed efficace capace di preservare le frequenze originate da un pickup. Come e perché funziona, lo spiega un nostro lettore.
L’articolo che propongo parlerà di buffer, sotto forma di dispositivo montato dentro a una chitarra elettrica (o basso, i concetti sono gli stessi) e non sotto forma di pedale inserito in qualsivoglia pedaliera. Nulla vieta che il semplice circuito che poi proporrò possa essere montato all’interno di un case e usato in pedaliera.

In questo articolo illustravo le attenuazioni del segnale proveniente da un pickup dovute alla componentistica a esso montata, ovvero potenziometri, condensatori, capacità parassite dovute al cavo jack ecc.
In questo scritto proseguirò il discorso, cercherò di analizzare in maniera scientifica la problematica e di dare qualche soluzione adottando un buffer. Riporterò perciò misure e grafici effettuati con strumentazione elettronica.
Per quanto riguarda la descrizione del banco di misura vi rimando alle fig 1 e fig 2 dell’articolo sopra linkato.

Sia chiaro, lungi da me l’idea di convincervi che quanto propongo sia la soluzione non plus ultra e miracolosa, che con essa la vostra chitarra urlerà come mai fatto prima. No, lì starà al vostro gusto e alle vostre esigenze capire se può essere una strada percorribile o meno.

Parto col descrivere elettricamente il funzionamento del pickup cercando il più possibile di evitare parole troppo tecniche e formule matematiche complicate. L’importante è che venga capito qualche concetto di base.
Nella figura sotto ho riportato degli schemi elettrici che rappresentano un pickup e una rete formata da volume, tono e cavo jack.

Buffer: tanto per parlarne

Il pickup elettricamente può essere rappresentato da un generatore di tensione “e”  e da una sua impedenza di uscita “Zp”: è il box tratteggiato.
A esso è collegata una impedenza di carico “Zc” che nell’esempio è la rete formata da volume, tono e cavo jack.
La tensione in uscita e chiamata “Vout” è il vostro segnale della chitarra che entra nell’amplificatore.
L’ampiezza di questa Vout è determinata in linea di massima dalla formula scritta a fianco, da essa si capisce che è funzione delle impedenze Zp e Zc. In particolare:
- Zp dipende da come è fatto il pickup: resistenza serie in dc dell’avvolgimento (in ohm o Kohm), induttanza dell’avvolgimento (in Henry), e capacità parassita tra le spire dell’avvolgimento. Tralasciando un attimo il discorso della frequenza di risonanza propria del pickup per non complicare il discorso, la caratteristica fondamentale della Zp è che non ha un valore costante ma, essendo tipicamente induttiva,  aumenta con l’aumentare della frequenza del generatore e. Per di più non assume valori bassi, anzi tutt'altro. Negli humbucker è più alta che nei single coil.
- Zc dipende da come è fatta la rete dei controlli tono e volume e dal cavo jack utilizzato. Essa è di tipo resistivo/capacitivo e pure lei non ha un valore costante ma diminuisce con l’aumentare della frequenza.

Riassumendo, il succo del discorso: all’aumentare della frequenza, Zp si alza e contemporaneamente Zc si abbassa. Riportando questo discorso nella formula si intuisce che man mano che ci si alza con le frequenze esse diminuiscono di ampiezza. Quindi avremo che il segnale Vout sarà pressoché intatto per le frequenze medio-basse ma peggiorerà sulle frequenze perché verranno sempre più smorzate.
Questo concetto è misurabile e lo potete vedere nelle risposte in frequenza delle fig 3, 4, 6, 7 e 10, sempre dell’articolo sopra citato dove, partendo dal solo pickup e man mano aggiungendo i potenziometri di volume, il tono e il cavo jack si può notare una perdita di frequenze acute. Per qualcuno di voi poi la questione dovuta alla capacità parassita del cavo jack non è di secondaria importanza.

Per ovviare al problema in teoria basterebbe avere una Zp a tutte le frequenze nulla o comunque molto inferiore alla Zc, cosa impossibile da fare viste le caratteristiche costruttive del pickup.
Ecco però che l’elettronica ci viene in aiuto con un circuito semplice ma efficace: il buffer (conosciuto anche come amplificatore separatore o inseguitore di tensione).

Buffer: tanto per parlarne

Nella teoria, il buffer è caratterizzato da:
- guadagno unitario: la tensione in ingresso viene riportata in uscita con la stessa ampiezza e in fase
- impedenza di ingresso infinita
- impedenza di uscita nulla
- banda passante infinita.

Nella pratica, le cose si complicano.

Per le prove di questo articolo ho realizzato un piccolo e semplice buffer basato su un singolo operazionale TL061. Ho scelto questo componente perché abbastanza utilizzato e diffuso, ha uno stadio di ingresso a FET (quindi con impedenza di ingresso elevatissima), bassissimo consumo di corrente (minore di 200uA, la batteria 9V ringrazia). E poi ce l’avevo già in casa. Qui sotto vi riporto lo schema elettrico, nel caso qualcuno in preda a voglia di sperimentare lo volesse replicare.

Buffer: tanto per parlarne

Le sue caratteristiche sono:
- guadagno unitario
- impedenza di ingresso di 1Mohm, determinata dalla resistenza R4
- impedenza di uscita bassa, 1Kohm, in pratica determinata dalla resistenza R7
- banda passante piatta da  20Hz (-0,28dB) a 20KHz (-0,25dB). Vedi immagini sotto.
- tensione di alimentazione: da 6V a 36V
- distorsione ridotta: 0,039% THD+Noise con 310mVms di segnale in ingresso. Vedi immagini sotto.

Per chi volesse replicare, i valori di R4 e R7 possono essere variati a piacere.
La rete formata da R5 e C6 è un filtro passa-basso con frequenza di taglio elevata, ben oltre la gamma audio e serve per eliminare eventuali disturbi radio captati dal pickup.
La realizzazione è stata fatta con pcb: come dice Mughini "aborro le millefori".

Buffer: tanto per parlarne

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Fine del preambolo. Si parte.

Si testa il caso reale di una chitarra equipaggiata con un humbucker, volume, tono e cavo jack da 5mt.
I controlli volume e tono sono tutti aperti, i dati del cavo sono riportati nelle immagini.

In fig 1a vi riporto la risposta in frequenza rilevata del solo pickup.

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In fig 1b la risposta in frequenza che si ottiene quando, al pickup, colleghiamo i controlli e il cavo jack.

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Già qui è evidente lo spostamento della curva verso sinistra, indice di un taglio consistente sulle frequenze alte, con il picco a 5kHz che si sposta a 2,5kHz circa e con ampiezza più bassa. Da notare anche che la pendenza della curva a destra del picco inoltre è molto ripida: circa 18dB/ottava e 14 dB/ottava per la seconda immagine, indice che più salgono le frequenze e maggiormente vengono attenuate.

Ora inseriamo il buffer, lo posizioniamo prima del jack di uscita della chitarra e andiamo a misurare cosa succede. In fig 2 potete vedere il risultato.

Buffer: tanto per parlarne

Rispetto alla fig 1b la curva si è ora rispostata a destra e abbiamo guadagnato più acuti. È sostanzialmente piatta fino a 6KHz, oltre le frequenze cominciano a essere attenuate ma più dolcemente in quanto la pendenza è di circa 10dB/ottava. In pratica, grazie alla bassa impedenza di uscita del buffer, si è annullato l’effetto della capacità del cavo jack da 5mt.
A conferma dei vantaggi dovuti alla  bassa impedenza di uscita del buffer ho ripetuto la misura,  aggiungendo però un secondo cavo jack in serie a quello da 5mt. Volutamente ho messo pessimo cavo, da 3mt e con capacità misurata di 800pF. In totale sono 8mt e 615+800 = 1415pF. In fig 3 è riportata la risposta in frequenza, identica alla fig 2.

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Da buon malfidente e per ulteriore conferma, ho eliminato i due cavi jack e rifatto la misura, visibile in fig 4. Parto trigemellare: assolutamente identica alle fig 2 e 3.

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Bene, è ora di mischiare le carte in tavola. Mettiamo il buffer tra il pickup e i controlli della chitarra e vediamo cosa succede. Nel mondo reale questo è il caso dei pickup attivi (tipo gli EMG81 per capirci) con controlli passivi.
Fig 5: se notate bene ora la curva ha cambiato forma e assomiglia molto a quella del solo pickup di fig 1a, con la differenza che il picco di risonanza si è spostato dai 5kHz ai 6,5kHz circa. Confrontate anche con la fig 1b: rispetto al classico circuito passivo è notevole il guadagno di alte frequenze dai 3kHz ai 10kHz.

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La prova precedente l’abbiamo fatta lasciando i classici controlli passivi, ovvero potenziometri da 500K, tutti aperti. Se però abbassiamo il volume otteniamo la stessa risposta in frequenza o cambia qualcosa?
Ho fatto due prove, ho montato una manopola graduata da 0 a 10 e testato con volume a 8 e a 5. Ho anche misurato i valori resistivi assunti dal cursore del potenziometro e riportati sullo schema allegato alle risposte in frequenza.

Fig 6 volume a 8: ohi ohi, che succede? Dagli 800Hz circa la curva comincia già a tagliare, ha un sussulto di orgoglio verso i 5KHz e poi giù verso il baratro.
Il perché è presto detto: la porzione di potenziometro da 180Kohm che vedete nello schema va in serie all’impedenza di uscita del buffer, di fatto alzandola. Questo va a interagire con la capacità del cavo jack, in pratica formando un filtro passa basso.

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Non ci credete? Ok, prova del nove, togliamo il cavo jack e andiamo a misurare: fig 7 si commenta da sé. O meglio, questo è l’inconveniente che si ottiene quando si sostituiscono i pickup con degli attivi ma non si cambia il valore dei potenziometri: si torna al problema della resa sonora della chitarra dipendente dalla qualità del cavo jack utilizzato.
Non ho fatto nessun magheggio: ho salvato la fig 6 e, senza spegnere il banco, ho scollegato il cavo jack, collegato diretto alla strumentazione e salvato la fig 7.

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Portiamo il volume a 5 e ripetiamo le misure sia con cavo jack (fig 8) sia senza (fig 9). La differenza è evidente.
Di seguito la misurazione con cavo.

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Di seguito la misurazione senza cavo.

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In effetti, quando si ha a che fare con l’uscita di un buffer è consigliabile utilizzare potenziometri con valori resistivi molto più bassi. Pertanto li ho sostituiti con dei 25Kohm, 100nF sul tono e rifatto le medesime prove di cui sopra.

Fig 10: potenziometri tutti aperti e cavo jack. È uguale alla fig 5, è cambiato poco, il picco sui 5KHz ora è un pochino più basso, circa 1dB di differenza.

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Fig 11: volume a 8. È sparito l’inconveniente dovuto ai potenziometri di alto valore resistivo. Come potete notare qui la curva si è tutta abbassata, giustamente, a causa della riduzione del volume ma non si è perso il picco sui 5Khz.

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Fig 12: sempre volume a 8, ma senza cavo jack. Come potete notare non c’è nessuna differenza con la fig 11. L’effetto indesiderato del cavo jack è stato eliminato.

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Portiamo ora il volume a 5 e ripetiamo le misure: anche qui potete notare che la storia è la medesima delle immagini precedenti.
Di seguito la misurazione con cavo.

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In basso la misurazione senza cavo jack.

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I commenti finali li lascio a voi, spero solo di avervi dato qualche spunto di riflessione e qualche idea da sperimentare.

Giusto due cose sulla alimentazione dei buffer. La tensione picco picco massima ottenibile in uscita da un operazionale “tradizionale” è solitamente la tensione di alimentazione meno 3V circa (dipende un po’ dal modello di operazionale). In soldoni, se alimentate a 9V, la tensione massima di uscita del segnale prima della distorsione è di 9-3 = 6Vpp. Attenzione, tutto ciò a batteria ben carica, perché man mano che si scarica la prestazione peggiora.

6Vpicco-picco non è che siano tantissimi, ho attaccato una chitarra all’oscilloscopio e ho misurato un segnale di 1Vpp per un single coil al manico e fino 4Vpp per un humbucker al ponte: accordo di LAm al capotasto suonato con grinta, chitarra economica Ibanez GSA60.
Ora, fintanto che il guadagno del buffer è unitario, nessun problema: 4Vpp dal pickup con 6Vpp massimi ammissibili dall’integrato ci lascia tranquilli e marginati. Se però a qualcuno venisse in mente di aumentare il guadagno, cosa che può essere utile se volete più segnale per boostare la distorsione nell’amplificatore o in pedaliera, occhio. Già con un guadagno pari a 2 l’humbucker fa clippare l’operazionale: il pickup fornisce fino a 4Vpp, viene amplificato 2 volte, quindi 8Vpp. Ma l’integrato più di 6Vpp non riesce a dare, così i 2V eccedenti vengono tosati.
Il problema è facilmente aggirabile aumentando la tensione di alimentazione, da 9 a 18V (gli operazionali sono tranquillamente alimentabili fino a 30V). E qui è spiegato il discorso del maggior headroom a 18V rispetto a 9V.

Giusto per vostra conoscenza, ci sono anche degli operazionali che riescono a fornire una tensione di uscita picco-picco pari alla tensione di alimentazione: li riconoscete perché nei datasheet sono definti “rail to rail”.
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