Gitaar elementen, pickups

Om het geluid van een gitaar of basgitaar via een versterker en luidspreker weer te kunnen geven, moeten eerst de geluidstrillingen in elektrische trillingen worden omgezet. Dat is de taak van het element (Engels: pickup).

Zo'n element bepaalt sterk het geluid van je gitaar of bas. Voor een groot deel een kwestie van smaak, maar er valt ook wel wat over te vertellen!

Historie

Een akoestische gitaar is geen erg luid instrument. In de loop van de geschiedenis ervan zijn al allerlei pogingen gedaan om het volume ervan op te schroeven. Door het verhogen van de snaarspanning, het gaan gebruiken van stalen snaren in plaats van darm of nylon, door de klankkast groter te maken, het klankblad en de steunbalkjes te verfijnen, door er metalen resonators in te zetten (dobro), een drumvel als klankversterker te gebruiken (banjo) enzovoorts.

In de jaren 20 van de twintigste eeuw begon de ontwikkeling van de radio, elektrische platenspeler (grammofoon) en daarmee de elektrische versterker met luidspreker. Dat bracht gitaristen op een idee: als je nu eens een pickup element (platenspeler element) in je gitaar stak... Volgende stap vooruit was de ontwikkeling van het magneto-dynamische element. Dat wil zeggen een spoel met een magneet er in die je onder de snaren schuift. Doordat de snaar van staal is, zal bij het trillen van de snaar het magneetveld veranderen in het tempo van de trillingen van de snaar. Daadoor wordt in de spoel een wisselspanning opgewekt. Die kan via een snoer naar een versterker, die er een luidspreker mee aanstuurt. Het eerste gitaar element in deze vorm werd gebouwd door Lloyd Loar, die voor Gibson werkte, in 1924. Het bestond uit een enkele spoel met een magneet (single coil). Overigens werd in eerste instantie het element in de kam ingebouwd (Engels bridge).

Zo'n element met een enkele spoel werkt tevens onbedoeld als een soort antenne, het pikt allerlei storing van bijvoorbeeld elektrische leidingen, TL-buizen, dimmers, GSM's en transformators op. Die storing (vaak brom, Engels: hum) wordt dan meeversterkt. Om daar vanaf te komen werd het al in 1934 door Electro Voice ontwikkelde "humbucker" principe toegepast met twee spoelen. Het eerste gitaar element dat hiervan gebruik maakte dateert van 1955 en werd gebouwd door Seth Lover van Gibson. Hij vroeg er patent op aan en vermeldde dit op de elementen: "Patent Applied For" en de legendarische naam "PAF pickup" was geboren!

Elektrische basgitaar

In 1951 werd door Fender de eerste basgitaar geproduceerd, de "Precision bass". Ook daarvoor werd gebruik gemaakt van magnetodynamische elementen. Om precies te zijn een split humbucker, bestaande uit een single coil element voor elke twee van de vier snaren. Die waren dan samen als humbucker geschakeld. Voor de latere Fender Jazz bass werden twee aparte single coils gebruikt, een bij de hals een een bij de kam. Doordat de magneten tegengesteld gepoold zijn en de spoelen tegengesteld gewikkeld, werken ze als ze alle twee vol open staan samen ook als humbucker.

Precision bas elementen
Precision bas split element

Single coil Jazz bas elementen

Single coil

Betekent "enkele spoel". Dit is de meest eenvoudige vorm van een element: een klos koperdraad om een magneet gewikkeld. Bij veel enkelspoel elementen, bijvoorbeeld die van een Stratocaster, zit er onder elke snaar een magneet. Bij een jazz bass element zitten er onder elke snaar 2 magneten. Daardoor krijg je een sterk gericht magneetveld. De snaren moeten dan wél precies boven de magneten zitten, anders heb je volumeverlies. Doordat single coils normaal minder wikkelingen hebben dan humbuckers, hebben ze wat minder output (volume), maar ook minder inwendige weerstand en een hogere resonantiepiek. Ze klinken helderder, opener. Nadeel is de gevoeligheid voor brom. Daar is door goede afscherming wel iets aan te doen, maar niet alles.

Enkelspoel element, single coil pickup

Er zijn wel trucs bedacht om de voordelen van single coils met bromvrijheid te combineren. Bijvoorbeeld door een "dummy" spoel in de gitaar te monteren die "anti-brom" opwekt. Via een optelversterkertje in de gitaar wordt dit tegenbrom signaal dan bij het geluid gevoegd en weg is de brom. Ook andere constructie zijn bedacht, zie "combinaties".

Humbucker

Een humbucker is een element dat uit twee spoelen bestaat, die tegengesteld gewikkeld zijn. De ene spoel heeft de zuidpool van de magneet boven, de andere de noordpool. Het effect is dat het signaal dat ontstaat door de snaartrilling wordt opgeteld en het signaal dat ontstaat door storing van buitenaf wordt afgetrokken (doordat de spoelen tegengesteld gewikkeld zijn). Een humbucker heeft in het algemeen in totaal meer wikkelingen dan een single coil. De inwendige weerstand en impedantie (wisselstroomweerstand) zijn daardoor hoger. Gevolgen zijn: meer output en een geluid met minder fel hoog, meer midden, een warmer geluid.

Verschillende humbucker elementen. Boven met kapje, onder zonder

Combinaties

Er zijn allerlei pogingen gedaan om de voor en nadelen van single coils en humbuckers te combineren. Door bijvoorbeeld de spoel van een single coil te splitsen in twee spoelen, voor elke drie snaren een, die dan in elkaars verlengde liggen. De spoelen zijn dan weer tegengesteld gewikkeld en de magneten zijn ook tegengesteld gepoold. Dit heet ook wel een rail humbucker. Er zijn ook constructies met een spoel en een magneet per snaar.

Door een aansluiting te maken op de plaats waar de twee spoelen van de humbucker onderling verbonden zijn, kun je met een schakelaar één van de spoelen uitschakelen. Je krijgt dan een single coil geluid (en de brom is weer terug!). Doordat het magneetveld van een humbucker anders van vorm is dan dat van een single coil, zal de sound in de praktijk nooit helemaal die van een single coil zijn, maar het is een nuttige variant. Door de twee spoeleln van een humbucker in plaats van in serie, zoals normaal, parallel te schakelen krijg je een element met de halve uitgangsspanning en een kwart van de impedantie. Ook de resonantiepiek komt een stuk hoger te liggen. De klank heeft wat weg van een single coil en je hebt geen brom. In sommige gitaren is dmv. een schakelaartje deze variant te gebruiken.

Actieve elementen, voorversterker

Als je de output van een element wilt verhogen kun je dat doen door meer wikkelingen te gebruiken en/of door sterkere magneten. Aan allebei zit een grens. Met meer wikkelingen krijg je ook meer inwendige weerstand, een hogere impedantie en een lagere resonantiepiek. Met andere woorden het geluid wordt steeds doffer.

Met sterkere magneten ga je op zeker moment de snaartrilling afremmen. Dat geeft vooral op de bassnaren lelijke bijgeluiden (valse boventonen) en verkort de sustain, het doorklinken van de snaar.

Een oplossing die deze nadelen niet heeft is een voorversterker in de gitaar inbouwen, een zogenaamd actief systeem. Die heeft dan wel voeding nodig in de vorm van een batterijtje. EMG maakt elementen met het voorversterkertje ingebouwd. Je kunt dan bijvoorbeeld humbuckers maken met weinig wikkelingen en een zwak magneetveld. De daaruit resulterende lage output wordt dan gecompenseerd door de voorversterker. In EMG's zit de voorversterker in het element zelf. De uitgang van een actief element is laagohmig, heeft een lage uitgangsimpedantie. Daardoor kun je er zonder problemen lange gitaarkabels aan hangen zonder dat het geluid achteruit gaat.

Je kunt niet zonder problemen een actief element met passieve (normale) elementen combineren, omdat de impedanties veel te ver uit elkaar liggen. Alles actief of alles passief dus. Als je actieve elementen inbouwt, moet je ook de volume en toonregelingen vervangen door laagohmige.

Actieve elementen klinken vaak heel clean en laten alle details horen van de gitaar en van wat je speelt. Niet iedereen wordt daar blij van, smaakkwestie.

EMG actief element
Actief element van EMG

Plaatsing, afstelling

Een magnetodynamische element pikt het geluid op van één punt van de snaar. Op elke punt van een snaar is de verhouding tussen de grondtoon en de verschillende boventonen anders. Dat verklaart het grootste deel van het verschil tussen een element dat bij de hals (neck) is geplaatst en een bij de kam (bridge). Omdat de snaaruitslag bij de hals groter is, zal een element dat daar zit meestal wat meer volume hebben en meer grondtoon (en bas). Om dat te compenseren worden voor het hals element vaak wat minder wikkelingen gebruikt dan voor het element bij de kam.

Door een element zo af te stellen dat het dichter bij de snaar komt, krijg je meer output. Ook verandert de klankkleur een beetje. Als je een snaar indrukt op het hoogste fretje, moeten er een paar millimeter tussen het element en de snaar blijven. Sommige elementen hebben een stelschroef per snaar om volumeverschillen die ontstaan door de verschillen in snaardikte te compenseren. Meestal kun je ook met een stelschroef de afstand aan de baskant en aan de kant van de hoge snaren apart instellen. De elementen reageren overigens vooral op de stalen kern van de snaar. De wikkelingen om de lage snaren zijn niet of minder magnetisch. Daarom is in het algemeen de afstand aan de kant van de bassnaren iets groter dan aan de kant van de hoge snaren. Zo krijg je een betere balans in geluidssterkte tussen de snaren. Sommige gitaristen bevalt het geluid beter als de elementen wat verder van de snaren af staan. Uitproberen kost niks. Als een element sterke magneten heeft en je zet het te dicht op de snaren, krijg je dat het element de snaren aantrekt en er ontstaan lelijke boventonen. Oplossing is de afstand wat te vergroten.

Magneten, magneetveld, kapje

De simpelste constructie is één magneet in een spoel. Dat heet dan een directe magneet. Je kunt ook de magneet onder de spoel leggen en een stuk ijzer (of een ijzeren boutje per snaar) door de spoel steken. Dat ijzer wordt dan door de magneet er onder ook zelf magetisch. Dat heet een indirecte magneet. De bekende Stratocaster elementen hebben elk 6 directe magneten. Dat geeft een sterk gefocust magneetveld en daardoor een felle klank. Een indirecte magneet geeft een breder, minder gericht veld en klinkt daardoor wat milder.

Ook het magneetmateriaal maakt verschil. Er zijn grofweg drie groepen magneetmaterialen die voor elementen worden gebruikt: verschillende vormen van Alnico (Aluminium Nikkel Cobalt, metaalkleurig), keramische magneten (van geperst poeder, grijs/zwart van kleur) en moderne magneetmaterialen als Neodymium en Samarium-Cobalt. Alnico werd gebruikt in alle oude "classic" elementen. Het is onderevig aan veroudering: na enkele tientallen jaren wordt de magneet wat zwakker en verandert het geluid. Keramische magneten hebben deze eigenschap veel minder en zijn bovendien goedkoper. Er zijn zo'n 15 varianten Alnico met verschillende samenstellingen en grote verschillen in magnetische eigenschappen. Ze worden aangeduid met een cijfer, zoals bijvoorbeeld Alnico5 of Alnico7.

Neodymium en Samarium Cobalt zijn magneetmaterialen waar enorm sterke magneten mee te maken zijn, die ook weinig verouderen. Ze worden met name voor basgitaar elementen tegenwoordig wel gebruikt voor een krachtige felle toon.

Om humbuckers heen werd vroeger een metalen kapje gebruikt. Dat zorgt ook meteen voor extra afscherming tegen storing en berschermt de kwetsbare spoelen. Er waren gitaristen die deze kapjes verwijderden en vonden dat het geluid daardoor beter werd, het wordt namelijk iets helderder en directer. Zo ontstonden de open humbuckers met zichtbare spoelen. Zelfs aan de kleur van het plastic waarop de spoelen waren gewikkeld werden op zeker moment magische klankeigenschappen toegeschreven (zebra humbuckers, met een zwart en een wit spoellichaam)... Tijd voor een blinddoektest?

Wikkelingen

Op een spoel van een element zitten enkele duizenden wikkelingen van heel dun geïsoleerd koperdraad. Het aantal wikkelingen beïnvloedt het geluid. Meer wikkelingen zorgen namelijk voor:

Meer output (volume)
Hogere inwendige weeerstand (gelijkstroomweerstand)
Hogere impedantie (wisselstroomweerstand)
Hogere capaciteit (zorgt voor wegfilteren van hoge tonen)
Lagere frequentie van de resonantiepiek (donkerder geluid)

Omdat vaak wikkeldraad van dezelfde dikte wordt gebruikt, is de gelijkstroomweerstand zoals je die meet met een weerstandmeter een (grove) maat voor het aantal wikkelingen. Die weerstand ligt bij passieve elementen vaak tussen 4KOhm en 6KOhm per spoel. Voor humbuckers dus ongeveer het dubbele.

Vroeger werden de spoelen met de hand gewikkeld, dat wil zeggen het spoellichaam werd op een door een elektromotor aangedreven as gemonteerd en de wikkeldraad werd met de hand geleid tijdens het wikkelen, zie afbeelding hier onder. Het aantal wikkelingen werd vaak niet precies geteld: vol = vol! Ook lagen de wikkelingen niet altijd even strak en netjes in het gelid. Bij een machinaal gewikkelde spoel is het aantal wikkelingen precies te bepalen en worden de wikkelingen met gelijke spanning netjes strak naast elkaar gelegd. Elektrisch gezien is dat beter, toch zweren sommige gitaristen bij de wat minder cleane sound en de bijgeluiden van de handgewikkelde elementen. Er zijn nu ook machines die "handgewikkelde" spoelen kunnen maken.

Wikkelmachine voor spoelen
Wikkelmachine met windingen teller voor gitaar elementen

Na het wikkelen worden de spoelen vaak nog in een bad van gesmolten was (waxpot) gelegd. Daardoor wordt de lucht tussen de wikkelingen verdrongen en wordt de spoel meer solide. Daardoor is hij minder microfonisch en minder gevoelig voor ongewenste feedback. Sommige fabrikanten gieten zelfs de hele spoel in kunststof giethars, waardoor de spoel een massief blok wordt.

Feedback, microfonie

Als je je elektrische gitaar of basgitaar op een versterker hebt aangesloten en je tikt dan met een niet-magnetisch voorwerp (of met je nagel) op een element dat aan staat, dan hoor je dat via je versterker. Dit heet microfonie. Sommige elementen zijn nauwelijks microfonisch, bijvoorbeeld die in hars zijn gegoten. Sommige zijn extreem microfonisch. Dat komt dan meestal doordat de wikkelingen er los op de spoel zitten en/of doordat andere onderdelen, bijvoorbeeld de magneten, los zitten. Zo'n element hoeft helemaal niet slecht te klinken, maar het gaat wel ongecontroleerd fluiten (feedbacken) als je je gitaar hard zet en zeker met veel distortion. Soms is het achteraf op te lossen door het element te laten waxen in een badje van gesmolten was. Anders is vervangen de enige optie.

Resonantiepiek, toonregeling, kabel

Een van de meest bepalende factoren voor de klank van een element is de hoogte en de plaats (frequentie) van de resonantiepiek. Die piek ontstaat door de combinatie van de zelfinductie van de spoel (gemeten in Henry), de inwendige weerstand (in Ohm) en de capaciteit (in Farad). Hier onder zie je een vervangingsschema van een gitaar element. Je ziet dat dat bestaat uit een spoel en een weerstand in serie, met parallel daaraan een condensator. Dit vormt samen een zogenaamde trillingskring met een voorkeurfrequentie (f0) daar waar de totale impedantie (Z) het laagst is. We gaan hier uit van een belastingsweerstand van 1MOhm. Bij zo'n hoge impedantie speelt de capaciteit van de kabel ook nog een niet te onderschatten rol. Daardoor wordt de condensatorwaarde in het schema hoger en daalt dus de frequentie van de resonantiepiek. Een korte kabel en/of een kabel met een lage capaciteit (gemeten in pF per meter) beïnvloeden de sound het minst. Er zijn tegenwoordig kabels met in een van de pluggen een schakelbare condensator. Zo kun je de kabelinvloed instellen naar smaak (Neutrik TimbrePlug). Bij een actief element zit er een voorversterker tussen het element en de kabel. De impedantie is dan 100 of 1000 keer zo laag. Dan speelt de kabel geen hoorbare rol meer.

Vervangingsschema van een gitaar element

Schakeling, fase, treble bleed, filters

Er is nog meer electronica in een gitaar of bas ingebouwd. Meestal op zijn minst een volumeregelaar en een toonregelaar. De volumeregelaar beïnvloedt ook de klank, het element wordt minder zwaar belast als je het volume terugdraait. Tegelijkertijd stijgt de uitgangsimpedantie van de gitaar als geheel. Daardoor wordt de klank niet alleen zachter, maar ook doffer. Dat kan met een klein condensatortje (treble bleed condensor), soms gecombineerd met een weerstandje, voor een paar dubbeltjes worden gecompenseerd. Voorbeeld: een 560pF condensator parallel met een 220KOhm weerstand tussen de middelste aansluiting van de volumepotmeter en de aansluiting die met het element zit verbonden.

Als je aan de toonregeling draait, komt er een condensator parallel aan het element. Daardoor verschuift de resonantiepiek naar een lagere frequentie: het geluid wordt donkerder. Door met de condensatorwaarde te stoeien kun je de toonregeling finetunen. Neem er bijvoorbeeld eens een die de helft of juist het dubbele van de waarde heeft en kijk of je dat bevalt.

Als je gitaar of bas meerdere elementen heeft kun je dmv. een schakelaar of door de volumeregelaars van de elementen te bedienen een combinatie van de geluiden van meerdere elementen maken. Doordat nu bepaalde boventonen worden versterkt en andere worden verzwakt of zelfs gecancelled, krijg je een ander geluid. De standen 2 en 4 van een Stratocaster worden vaak "out of phase sounds" genoemd, maar zijn dat niet echt. Tenzij er een bedradingsfout in je gitaar zit natuurlijk. In die standen combineer je gewoon het middelste elemet met het halselemet of met het bridge element.

Kleine schakelaartjes op een gitaar worden al gauw faseschakelaartjes genoemd. Vaak zijn ze dat niet. Als je een element in tegenfase zet met een ander, hoor je het effect daarvan alleen bij het combineren van de twee elementen. Bij tegenfase is de grondtoon (bas) bijna helemaal weg. Het klinkt erg dun en scherp. Meestal te veel van het goede.

Er zijn ook schakelaartjes die de twee spoelen van een humbucker parallel zetten ipv. in serie. Daardoor blijft het humbucker effect (brom onderdrukking) behouden, maar de resonantiepiek verschuift naar boven omdat de zelfinductie en de inwendige weerstand halveren ipv verdubbelen.

Een coil splitter schakelt een van de spoelen van een humbucker uit. Dan heb je dus een single coil, met de bijbehorende bromgevoeligheid.

Een coil tap schakelaar schakelt een deel van de wikkelingen uit. Dat geeft minder output, maar een helderdere toon. Wordt soms bij single coils toegepast.

Op sommige gitaren zit een meerstandenschakelaar die verschillende filters, combinaties van condensatoren, weerstanden en soms spoelen, in of uitschakelt. Zo kun je langs electronische weg totaal andere sounds uit je gitaar krijgen. Gibson bouwde zo'n Varitone switch al in 1959 in zijn ES345 gitaren.

Veroudering

Als magneten ouder worden, demagnetiseren ze. Hoe sterk hangt af van het materiaal. Bij het veel gebruikte Alnico magneetmateriaal is de veroudering na tientallen jaren zeker merkbaar. Bij keramische magneten of bij de moderne Neodymium magneten is er nauwelijks veroudering. Als de magneet zwakker wordt, krijg je minder output en een wat mildere toon. Er zijn tegenwoordig ook elementen met "voorverouderde" magneten te koop voor de vintage liefhebbers.

Andere principes

In principe kun je een elektrische gitaar of bas ook van andere soorten elementen voorzien, bijvoorbeeld piëzo elementen in de kam (bridge). Daarmee krijg je een meer "akoestisch" gitaargeluid. Sommige Godin gitaren hebben naast de normale elementen piëzo's voor dit doel. Zie ook het artikel over akoestisch-elektrische gitaren. Zelfs infrarode lichtstralen zijn gebruikt om snaartrillingen in wisselspanning om te zetten! Voordeel is dat ze compleet bromvrij zijn. Qua klank schijnt het toch niet het einde te zijn...

Popschool Maastricht