Übertragungseigenschaften von DI-Boxen verschiedener Bautypen und Preisklassen im Vergleich

Inhalt

1 Einleitung

2 Vorbetrachtung
2.1 Aufgaben und Einsatzgebiete einer DI-Box
2.2 Aufbau und Funktionsweise von DI-Boxen
2.2.1 Die passive DI-Box
2.2.2 Die aktive DI-Box
2.3 Der Transformator in einer Audioschaltung
2.4 Frequenzgang aktiver und passiver DI-Boxen in Bezug auf Operationsverstärker und Transformator

3 Messmethode und Versuchsaufbau
3.1 Überlegungen zur Messmethode
3.2 Auswahl der zu untersuchenden DI-Boxen
3.3 Vorstellung der verwendeten Geräte und Software
3.4 Versuchsaufbau

4 Versuchsdurchführung

5 Auswertung der Daten

6 Fazit

7 Abbildungs- und Literaturverzeichnis

1 Einleitung

In den späten 1960er Jahren herrschte bei Konzertveranstaltungen auf und hinter den Bühnen oft ein großes Durcheinander. Beim Versuch verschiedenste Instrumente mit den unterschiedlichsten Steckern und Buchsen störfrei bis zum F.o.H.-Mischpult zu übertragen, kam es immer wieder zu Problemen. Die Ausgänge der Instrumente waren nicht genormt, je nach Hersteller waren die Belegungen der Buchsen zum Teil sogar unterschiedlich. Die Signale der Instrumente waren meist zu stark oder zu schwach und nur selten ohne Brummen und Knistern.

Um diese Probleme beheben zu können, wurde ein Gerät entwickelt - die Direkt Injection Box oder auch Direkt Input Box, kurz DI-Box. Durch sie wurde es möglich, die Signale der Instrumente auch über lange Kabelwege störungsfrei zu übertragen. Außerdem konnte man so die elektrischen Instrumente (z.B. eine elektrische Gitarre oder einen Synthesizer) ohne Umwege über zusätzliche Verstärker und Mikrofone ins Mischpult einspeisen und so einen direkten Klang ohne Übersprechungen erhalten. „[K]aum ein anderes P.A.-Zubehörteil hat die Prädikate ´Helferlein` oder ´aus der Not heraus erfunden` so sehr verdient wie diese nützlichen Signalanpasser. [...] sie ist von der Bühne nicht mehr wegzudenken.” (Pieper, 2001, S. 57f )

In der täglichen Praxis steht ein Audio Engineer häufig vor der Frage, welcher Typ von DI-Box für die jeweilige Situation die geeignetste und effektivste ist. In dieser Facharbeit wurden vier verschiedene DI-Boxen unterschiedlicher Bauweise und Preisklasse auf ihr Übertragungsverhalten hin verglichen. Dazu wurden jeweils zwei passive bzw. aktive DI-Boxen in direkten Vergleich gestellt. Um einen möglichst drastischen Unterschied bei den Messungen zu erhalten, wurden jeweils eine sehr günstige DI-Box und eine recht teure DI-Box des jeweiligen Typs gegenübergestellt.

Zunächst werden in Kapitel 2.1 Aufgaben und Einsatzgebiete einer DI-Box kurz umrissen, bevor in 2.2 Aufbau und Funktionsweise passiver (2.2.1) und aktiver (2.2.2) DI-Boxen erläutert werden. Anschließend wird die Funktionsweise des Transformators in einer Audioschaltung beschrieben (2.3), um nachvollziehen zu können, wie sich die beiden Hauptkomponenten Transformator und Operationsverstärker auf den Frequenzgang einer aktiven bzw. einer passiven DI-Box auswirken (2.4). Kapitel 3 befasst sich mit der Messmethode und dem Versuchsaufbau. Zuerst werden hierbei Überlegungen zur Messmethode angestellt (3.1). Danach wird die Auswahl der untersuchten DI- Boxen begründet (3.2) und die verwendeten Geräte und Software vorgestellt (3.3). Abschließend wird der Versuchsaufbau geschildert (3.4). Kapitel 4 beschreibt die Versuchsdurchführung. In Kapitel 5 werden die gewonnenen Daten ausgewertet. Zuletzt ziehe ich daraus ein persönliches Fazit für mögliche Kaufentscheidungen (Kapitel 6).

2 Vorbetrachtung

2.1 Aufgaben und Einsatzgebiete einer DI-Box

Eine DI-Box hat im Wesentlichen vier Aufgaben. Erstens, die Symmetrierung von unsymmetrischen Signalen. Ein Instrumenten-Signal oder ein Line-Signal ist in der Regel unsymmetrisch. Der Mic-In eines Mischpultes hingegen ist symmetrisch. Die DI-Box symmetriert somit das unsymmetrische Signal, damit es dem Mischpult zugeführt werden kann. Zusätzlich werden durch die Symmetrierung Störgeräusche vermieden, die durch elektrische Einstreuungen bei langen Kabelwegen auftreten. Zweitens, die Anpassung der Impedanz des Instrumenten-Signals bzw. des Line-Signals an das Mischpult. „Die Impedanz (Eingangswiderstand des Mikrofoneingans) beträgt ca. 2 kΩ [...]“ (Henle, 2001, S. 203). Der Eingang eines Mischpultes ist damit also niederohmig. Ein Gitarren-Signal hingegen ist mit 10 bis 20 kΩ eher hochohmig und wird deswegen auch als Hi-Z Signal bezeichnet. Die DI-Box passt also die Impedanz des Instrumenten-Signals bzw. des Line-Signals der des Mikrofonverstärkers am Mischpult an. Drittens, die Anpassung des Pegels. Der Pegel eines Line-Signals ist für den Mic-In eines Mischpultes viel zu hoch. An den meisten DI-Boxen findet man daher eine Pad-Schaltung die den Pegel um -20 dB und in seltenen Fällen sogar um -40 dB absenkt, damit das Audio-Signal am Mischpult nicht übersteuert. Viertens, die Unterdrückung von Erdschleifen. Die meisten DI-Boxen besitzen einen ´Ground-` oder auch ´Ground/Lift`-Schalter. Durch diesen Schalter wird die Massenverbindung aufgetrennt, wodurch Erdschleifen unterdrückt werden, die sich sonst durch ein hörbares Brummen (z.B. Netz-Brummen) bemerkbar machen würden. „Zwischen dem Ein- und Ausgang des Übertragers besteht keine leitende Verbindung (galvanische Trennung), das heißt, es können keine Ladungen (kein Gleichstrom) über den Übertrager abfließen.“ (Conrad, 2004, S. 46) Eine weiteres, nicht wesentliches aber dennoch nützliches Merkmal der DI-Box ist ihr ´Input Link`. Der zusätzliche Ausgang ermöglicht es, ein Signal aufzusplitten.

DI-Boxen werden im Studio und bei Live-Shows eingesetzt. Dabei ist auffällig, dass sie im Studio meist nur zum Splitten eines Signals verwendet werden - beispielsweise wenn man eine elektrische Gitarre über mehrere Verstärker gleichzeitig spielen möchte - da ein Studio oft hochwertiges Equipment besitzt, das die Impedanzanpassung und die Pegelanpassung eines Signals besser bewerkstelligt als eine DI-Box. Allerdings besitzt ein Studio eher selten einen extra Splitter¹. Des Weiteren werden DI-Boxen im Studio häufig dazu verwendet, ein Gitarren-Signal vom Regieraum über die Wall-Box in den Aufnahmeraum zum Verstärker zu schleusen. Der Musiker kann im Regieraum die Gitarre einspielen, während im Aufnahmeraum der Gitarrenverstärker abgenommen wird. Viele Musiker bevorzugen diese Variante, da sie sich dabei selbst nicht großen Lautstärken aussetzen müssen, wodurch die Abhör-Situation als angenehmer empfunden wird. Im Live-Bereich werden DI-Box in jeder erdenklichen Funktion und Situation eingesetzt, z.B. zur Symmetrierung und Desymmetrierung, zum Entfernen von Brummschleifen, zur Pegelanpassung, zur Splittung und zur Massentrennung, damit ein Sänger mit schlecht geerdetem (vintage) Amp keinen elektrischen Schlag bekommt, sobald er das Mikrofon berührt.

2.2 Aufbau und Funktionsweise von DI-Boxen

Je nachdem auf welche der oben aufgezählten Eigenschaften man den Fokus legt, sollte man sich für ein spezielles Modell entscheiden, da jede DI-Box diese Aufgaben unterschiedlich gut löst. Die Begründung hierfür liegt in den verschiedenen Bauweisen, wobei man grob zwischen zwei Arten - passiv und aktiv - unterscheiden kann.

2.2.1 Die passive DI-Box

Der Aufbau einer passiven DI-Box ist im Grunde immer gleich. Ihr Herzstück ist ein Übertrager in Form eines Transformators - kurz Trafo - der aus zwei Spulen besteht. Er sorgt für die Impedanzanpassung und die Symmetrierung des Signals. Außerdem trennt er sehr effektiv die Masseverbindung zwischen Ein- und Ausgang auf, da durch die Spulen keine physikalische Verbindung vorliegt (vgl. Conrad, 2003, S. 218). Diese Art von Verbindung wird auch als galvanische Trennung bezeichnet.² Der Transformator verleiht der passiven DI-Box ihren Namen, da er ein passives Bauteil ist, selbst also keinen Strom benötigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Schaltung einer passiven DI-Box mit Pad-Schaltung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Schaltung einer passiven DI-Box ohne Pad-Schaltung

In Abbildung 1 ist eine Pad-Schaltung durch zwei in Reihe geschaltete Widerstände zwischen dem Input und dem Trafo realisiert. In Abbildung 2 fehlen diese Widerstände, somit ist eine zusätzliche Anpassung des Pegels hier nicht gegeben.

Wie schon erwähnt, ist der Trafo ein passives Bauteil. „Eine DI-Box enthält normalerweise einen 10:1 Übertrager und schwächt somit das Signal um -20 dB ab.“ (Friesecke, 2007, S. 296). Dadurch verschlechtert sich der Signal-Rauschabstand. Die Übertragerverluste, zu begründen mit dem verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad und der Selbstinduktion einer Spule, machen sich klanglich bemerkbar. Die Amplituden der hohen Frequenzen fallen ab ca. 15 kHz ab. Pieper spricht von „Klangverfälschung in Form von Pegel- und Höhendämpfung” und davon, dass das Signal “in den Höhen klanglich beschnitten” sei (Pieper, 2001, S. 59). Conrad formuliert es wie folgt: „Prinzipiell verursachen Trafos immer gewisse Verluste bei hohen Frequenzen und Verzerrung bei hohen Pegeln.” (Conrad 2003, S. 218). Allerdings weisen dieselben Autoren auch darauf hin, dass diese Verluste von der Qualität des Transformators abhängen: “Bei guten Trafos liegen die Grenzen, wo es kritisch wird, [...] außerhalb des hörbaren Bereiches.” (ebd.).

Zusätzlich steht die Grenzfrequenz auch im Zusammenhang mit dem zu verarbeitenden Signal. Je genauer die Impedanz, Spannung und Leistung des Signals an den Transformator angepasst ist, desto besser kann dieser das Signal verarbeitenden. Somit hängt die Grenzfrequenz einer passiven DI-Box von drei Variablen ab, nämlich dem zu verarbeitendem Signal sowie der Größe und Qualität des Trafos. Ein Vorteil der passiven DI-Box ist, dass sie aufgrund ihrer Bauweise auch invers einsetzbar ist. Das bedeutet, man kann sie auch zum Desymmetrieren von Signalen verwenden.

Zusammengefasst ist eine passive DI-Box immer dann zu bevorzugen, wenn man eine saubere Massentrennung (z.B. zur Vermeidung von Stromschlägen und Brummschleifen) erreichen oder ein Signal desymmetrieren möchte. Des Weiteren hat die passive DI-Box den Vorteil, dass sie keine zusätzliche Stromversorgung benötigt. Nachteilig an ihr ist dagegen der nicht allzu lineare Frequenzgang, welcher sich durch eine Höhendämpfung, Signalkompression und durch einen schlechten Klirrfaktor in den tiefen Frequenzen bemerkbar macht. Ebenfalls nachteilig ist der schlechte Signal-Rauschabstand.

2.2.2 Die aktive DI-Box

Bei einer günstigen aktiven DI-Box wird die Aufgabe des Übertragers meist von einem Operationsverstärker übernommen. Dessen Vorteil liegt darin, dass das ankommende Signal zusätzlich verstärkt werden kann und der Wirkungsgrad im Gegensatz zum Transformator sehr effizient ist. Außerdem lässt sich eine beliebig hohe Eingangsimpedanz und eine beliebig niedrige Ausgangsimpedanz verwirklichen, da der Operationsverstärker auch als Impedanzwandler fungiert und sich dabei immer auf das Eingangssignal bezieht. Der Verlust im hohen Bereich des Frequenzspektrums wird durch diese Bauweise umgangen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Impedanzwandler

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Abb. 4: Aktive DI-Box mit Operationsverst ä rker

Da auf diese Weise die vollständige Massentrennung technisch allerdings kaum zu realisieren ist, 7 sind in vielen teuren aktiven DI-Boxen zusätzlich zum Operationsverstärker Transformatoren eingebaut, durch die unter Umständen wieder das geschilderte Problem der Höhendämpfung auftritt. In welcher Reihenfolge die Komponenten verbaut werden ist von Modell zu Modell verschieden. Hier zwei Beispiele:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Aktive DI-Box mit Operationsverst ä rker und Transformator

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Aktive DI-Box mit Operationsverst ä rker und Transformator

Zusammengefasst ist eine aktive DI-Box immer dann von Vorteil, wenn eine möglichst getreue Wiedergabe des Signals (linearer Frequenzgang) mit einem guten Signal-Rauschabstand angestrebt wird, wie zum Beispiel beim Recording. Nachteilig an der aktiven DI-Box sind dagegen die benötigte Stromversorgung und der Umstand, dass sie nicht zum Desymmetrieren verwendet werden kann.

[...]

¹ z.B. den Morley George Lynch Tripler speziell für elektrische Gitarren

² Das Ergebnis ist unter 2.1 beschrieben.