ENDVERSTÄRKER
Leistungs- oder Endverstärker
Die Themen, die ich hier behandele, betreffen nicht die weit verbreiteten "billig" Bausätze mit einfachen IC's als Endstufen, obwohl ich zugeben muss, das es da auch ein Paar gute Exemplare gibt. Das ist aber eher die Ausnahme! Es geht vielmehr darum, wirklich gute Verstärker mit sehr variablen Leistungen in einem hohen Qualitätsniveau zu gestalten und zu bauen bzw. vorzustellen.
Endverstärker sind Leistungsverstärker, die ausschließlich zum Betrieb von Lautsprechern vorgesehen sind. Sie beinhalten keinen Vorverstärker! Das bedeutet, sie sind auf einen geeigneten Vorverstärker angewiesen, an dem die Lautstärkeregelung und die Signalquellenwahl vorgenommen wird.
Die meisten Verstärker werden in Stereoendstufen aufgebaut. Dabei wird ein gemeinsames
Netzteil (ein Trafo, ein Siebelkopaket) für beide Stereokanäle zur Stromversorgung
eingesetzt. Beide Kanäle befinden sich mit dem Netzteil in einem gemeinsamen Gehäuse.
Diese oft benutzte Bauweise ist zwar preiswert, aber leider bringt diese Form auch
Nachteile mit sich, wie dies weiter unten beschrieben wird.
Wie wird eigentlich ein Leistungsverstärker geplant und gebaut?
Bevor man an den Bau einer Endstufe heran geht, sollte man sich erst einmal Gedanken darüber machen, was ist eigentlich das Ziel? Mit welchen Lautsprechern arbeite ich? Welche Umgebung (Quellen, Vorverstärker) habe ich schon oder welche Zukünftige wird möglicherweise noch angeschafft?
Fangen wir beim Vorverstärker an. Kommt ein Vorverstärker zum Einsatz, der in der Qualität sehr hoch angesiedelt ist (also wahrscheinlich auch ein teueres Gerät), dann sollte in der Folgekonsequenz auch die Leistungsendstufe ebenbürtig sein.
Beim Lautsprecher stellt sich die Frage, welchen Schalldruck die Boxen leisten? Haben die Boxen einen hohen Schalldruck, benötige ich nicht all zu viel Verstärkerleistung. Haben die Boxen einen niedrigen Schalldruck, benötige ich entsprechend mehr Verstärkerleistung. Es gibt einige klanglich sehr gute Lautsprecher die aber leider über einen niedrigen Wirkungsgrad verfügen. Da helfen dann nur noch großkalibrige Endstufen.
Gute Schalldruckwerte liegen bei ca. 90 dB / Watt /1m. Im Übrigen entscheidet noch die Hörgewohnheit des Musikfreundes über die benötigte Leistung. Wer gerne laut und sauber hört, benötigt auch große Leistungsreserven.
Kommen wir jetzt zur Endstufe. Die Vorbedingungen für eine Endstufe ergeben sich aus den zuvor ermittelten Ergebnissen der Boxen, Quellgeräten und den Hörgewohnheiten. Das wichtigste Maß sind allerdings die Boxen! Bei der Überlegung, wie konzipiert man einen Endverstärker, sollte man einige Dinge beachten, auf die ich jetzt eingehen möchte.
Zuerst einmal sollte das Schaltungskonzept gewählt werden. Hier kommt eigentlich immer das symmetrische Schaltungskonzept zum Tragen, alle anderen Schaltungskonzepte sind zumindest für mich inakzeptabel. Genaueres hierzu siehe Schaltungstechnik. Endstufen sollten schnell und stabil arbeiten. Schnell deshalb, weil ein schnell arbeitender Verstärker auch schnell wechselnde Musiksignale unverzüglich weiterverarbeitet bzw. verstärkt. Daraus lässt sich ableiten, das dieser Verstärker Impulstreu ist. Stabil deshalb, weil ein stabiler Verstärker durch nichts auf der Welt aus der Ruhe zu bringen sein sollte. Das lässt sich am einfachsten mit einem kräftigen Netzteil bewerkstelligen. Die symmetrische Schaltung tut sein übriges dazu.
Wer es auf die absolute Spitze treiben möchte, muss die beiden Stereokanäle konsequent trennen! Das bedeutet zwei räumlich getrennte Monoendstufen mit jeweils eigenen Netzteilen und natürlich Gehäusen. Die Begründung hierfür ist an einem kleinen Beispiel schnell erklärt.
Problem
Nehmen wir an, da steht ein Stereoleistungsverstärker mit einem gemeinsamen Netzteil und Gehäuse für beide Kanäle zur Verfügung. Was passiert, wenn in einem Musiksignal z.B. auf dem linken Kanal ein gewaltiger Bassimpuls (etwa den Kanonenschüssen in dem Stück 1812 von Tschaikowsky) an den Verstärkereingang kommt?
Die linke Endstufe wird alle Strom- und Spannungsreserven aus dem Netzteil fordern, um diese dem linken Lautsprecher unmittelbar zuzuführen. Danach ist im Netzteil erst einmal Ebbe mit Spannung und Strom. Das Netzteil (der Trafo) wird nun einige Zeit benötigen um die durch den hohen Ausgangsstrom leer gesaugten Ladeelko's wieder aufzufüllen.
Dummerweise folgt nun nach Bruchteilen einer Sekunde ein weiterer, ebenfalls mächtiger Bassimpuls auf dem rechten Kanal (so geschehen bei der 1812). Dieser Impuls benötigt nun aber auch alle zur Verfügung stehenden Strom- und Spannungsreserven vom Netzteil! Das ist aber gerade vorher vom linken Kanal leer gefischt worden. Das hat nun zur Folge, das der rechte Kanal nicht die Leistung abgeben kann, die er eigentlich abgeben sollte, weil ja die Elko's noch nicht wieder aufgeladen sind. Das Ergebnis sind starke Verzerrungen in Folge einer zu kleinen Betriebsspannung. Näheres siehe hierzu auch unter Clipping.
Lösung
Diesem Problem begegnet man mit totaler Trennung der Endstufen mit je einem eigenen Gehäuse und einem eigenen Netzteil. Damit erhält man zwei Monoverstärker, je einen pro Kanal. Jetzt ist es egal, welcher Kanal gerade Impulse abgibt. Wenn der eine Kanal sein Netzteil belastet oder gar in die Knie zwingt, so stört das den anderen Kanal überhaupt nicht (er hat ja sein eigenes Netzteil)!
Ein weiterer Vorteil der totalen Trennung liegt in der nicht zu unterschätzenden Kanaltrennung. Wenn in einem Stereoverstärker beide Endstufenkanäle dicht gedrängt nebeneinander, oder gar auf einer gemeinsamen Platine, in einem gemeinsamen Gehäuse beieinander liegen, kann es zu so genanntem Übersprechen von einem Kanal auf den anderen kommen. Das merkt man daran, das geringe, aber z.T. noch hörbare Musikanteile des einen Kanals im jeweils anderen mit hörbar werden. Das darf im Sinne von HiFi und High-End einfach nicht sein.
Der beste Verstärker ist nichts wert, wenn seine Stromversorgung "mickrig" aufgebaut ist. Mit dem Netzteil steht und fällt eine gute Endstufe! Das Netzteil ist bei "Billigprodukten" oft ein Stiefkind. Daher brechen solche Netzteile auch schon recht früh zusammen, wenn man mal so richtig "aufdrehen" will oder die ausgewählte Musik sehr dynamisch ist. Der Hörgenuss ist dann sehr oft keiner mehr!
Schon am Netzeingang
der Endstufe sollte ein Netzentstörfilter eingesetzt werden. Dieses Filter
soll Störspannungen und Spitzen, die sich über die Netzleitung einschleichen wollen,
wirksam unterdrücken. Im linken Bild sind zwei verschiedene Filtertypen zu
sehen, die für kleinere Ströme bis ca. 6A ausgelegt sind. Rechts im Bild ist
ein Filter vom stärkeren Kaliber bis 10A. Die Preise für solche Filter liegen
zwischen 2.5€ und 40.-€.
Das ideale Netzteil ist eine unendlich starke Batterie mit entsprechend brummfreier Spannung. Diese gibt es aber leider nicht, und so müssen wir wohl mit einem Netzteil die Batterie nachempfinden. Das ist aber halb so schlimm.
Es gibt drei Grundelemente für ein Netzteil: Trafos, Gleichrichter und kräftige Elko's. Mit diesen drei Grundelementen lassen sich schon passable Netzeile erstellen. Das lässt sich mit zusätzlichen Drosseln noch weiter verbessern. Die Dimensionierung des Trafos sollte niemals zu knapp ausgelegt werden! Bei mir kommt eine grobe Faustregel zum Einsatz: Die zu erwartende Ausgangsdauerleistung der Endstufe x 1,3 = Leistung des Trafos. Bei einem Verstärker von z.B. 100Watt kommt so ein Trafo von 130Watt zum Einsatz. Damit ist gewährleistet, das unter allen Umständen die Stromversorgung ausreichend ist.
Die Art des Trafos
(im Bild links ein 500VA, rechts ein 2000VA Typ)
ist grundsätzlich nicht entscheidend, jedoch haben Ringkerntrafos ein Paar wesentliche
Vorteile: geringe Abmessungen im Vergleich zu gleichstarken anderen Typen, sehr geringer
Innenwiderstand (was weniger Verluste innerhalb des Trafos mit sich bringt und nebenher
den Dämpfungsfaktor der Endstufe steigert) und geringe Brummstreuungen, was die Nähe von
empfindlichen Verstärkereingängen in gewissen Grenzen erlaubt. Wenn ein flaches Gehäuse
zum Einsatz kommt, können Schnittbandkerntrafos verwendet werden. Sie sind sehr flach in
ihrer Bauform. Hier gibt es aber das Problem mit Brummstreuung! Also sollte dieser Trafo
in geeigneter Weise mit Stahlblechen abgeschirmt werden.
Der nachfolgende Gleichrichter
wandelt die vom Trafo kommende Wechselspannung in Gleichspannung um. Das
geschieht mittels Halbleiterdioden mit hohem Stromvermögen. Links im
Bild findet man einige typische Vertreter der Gattung
Brückengleichrichter. Diese Dioden lassen
den Wechselstrom nur in eine Richtung fließen, während sie ihn in der
anderen Richtung sperren. Damit fließt der Strom immer nur in ein und die
"gleiche" Richtung. Daher kommt auch der Name Gleichrichter.
Die erzeugte Gleichspannung ist diejenige, die später von der Endstufe zum Betrieb benötigt wird. Der Gleichrichter sollte das 2-3fache des Trafostroms verkraften. Der Grund liegt hier im Ladestrom (auch Einschaltstrom genannt) der nachfolgenden Elko's. Die einzelnen Dioden des Gleichrichters kann man mit parallel geschalteten kleinen Kondensatoren von etwa 10nF versehen. Damit werden evt. Störspannungen im HF-Bereich wirkungsvoll unterdrückt.
Am Ende eines jeden Netzteils stehen die Elko's, und die haben's in sich! Damit man eine Betriebsspannung erhält, die der Batterie möglichst nahe kommt (nicht im Wert, sondern in der Welligkeit), muss die Kapazität eines Elko's recht hoch ausgelegt werden, damit die unter Last entstehende Brummspannung möglichst klein bleibt. Die Faustregel hierfür ist: minimal 1000µF pro Ampere Ausgangsstrom und Spannung (je 1000µF für "+" und "-"). Das zehnfache schadet aber auch nicht, im Gegenteil, es ist sogar zu empfehlen.
Warum ist das so? Der Verstärker benötigt zum Betrieb eine gewisse Spannung und einen der Ausgangsleistung entsprechenden Strom. Dieser Strom kann je nach Typ mehrere Ampere betragen. Das bedeutet, die Ladeelko's werden sehr schnell entladen. Doch der Reihe nach.
Links
im Bild sieht man typische Elko's mit 4700µF bzw. 10000µF für Endstufen. Die
schon Ehrfurcht einflößenden Elko's im rechten Bild haben nicht nur satte
Abmessungen, sondern auch für Hochleistungsendstufen schon eher eine
ungewöhnlich hohe Kapazität von 22000µF bzw. 47000µF. Damit bleibt kein Restbrumm mehr
übrig, da man mit so einem Elko schon recht nahe an die Batterie heran kommt.
Allerdings ist hier auch dringend eine Einschaltstrombegrenzung auf der
Primärseite des Netztrafos erforderlich.
Dass
es auch noch gewaltiger geht, wird im Bild links mit dem Doppelpack und einem
Standard Feuerzeug zum Größenvergleich gezeigt. Diese Elkos werden in einem
meiner nächsten Projekte zum Einsatz kommen. Dort sollen dann noch einige mehr
dieser "Bierkrüge" zum Einsatz kommen. Der Vorteil bei diesen Typen ist der
riesige Anschlussflansch mit dem Strom entsprechender Kontaktfläche. Diese
beiden sind optische Stellvertreter dieser Monster.
Wie funktioniert denn nun ein Netzteil? Der Trafo gibt seine Wechselspannung an den Gleichrichter ab. Dort werden die positiven und negativen Spannungsanteile (Halbwellen) allesamt von einem Gleichrichter in eine Richtung "gleichgerichtet". Das Ergebnis ist eine Gleichspannung, deren Wert ständig zwischen 0V und der Spitzenspannung des Trafos pendelt. Diese "pulsierende" Spannung ist zwar schon gleichgerichtet, jedoch ist sie so noch nicht glatt (wir denken hier wieder an die Batterie)! Sie muss nun erst einmal geglättet werden. Das wird mit den Nachfolgenden Lade- oder Glättungselko's erledigt. Hier gilt, je dicker die Elko's um so glatter die Spannung, abhängig von der Belastung am Ausgang des Netzteils. Die Elko's werden mit der Gleichspannung aufgeladen und geben diese an den Verstärker wieder ab. Wird das Netzteil belastet, so wird die Gleichspannung wellig, d.h. durch die Stromentnahme fällt die Spannungshöhe im Elko und damit das Niveau. Nun muss der Trafo wieder über den Gleichrichter die verlorene Ladung "nachfüllen". Solange aber die Ladung nicht auf dem maximalen Wert liegt, gibt es eben diese "Welligkeit" oder "Brummspannung". Es schadet zwar nicht, aber wer will das schon. Dieses Brummen kann bei zu niedriger Kapazität durchaus hörbar werden und damit ziemlich störend wirken.
HINWEIS
Die meisten "Billiggeräte" sind nur mit wenig Elkokapazität
ausgestattet und das sogar noch ohne Brummen. Wie kann das sein nach der
Beschreibung oben? Ganz einfach. Die Hersteller dieser Geräte erkaufen sich die
billigere Produktion mit so geringem oder gar keinem Ruhestrom, das dabei
deutlich erhöhte Übernahme-Verzerrungen in Kauf genommen werden! Damit ist
kein gut klingender Betrieb mehr möglich und der
ist eben mit entsprechenden Verzerrungen gesegnet. Das aber hat mit HiFi Genuss
nichts mehr zu tun und fällt somit nicht mehr in mein Interessensgebiet.
Was kann man gegen dieses Brummen zusätzlich tun? Der einfachste Weg ist die Kapazität erhöhen, das kann aber unter Umständen teuer werden. Ein effektiverer Weg ist eine geschickte Kombination aus Elko's und einer Siebdrossel. Wie geht das?
Nach dem Gleichrichter folgt wie gewohnt ein Elko mit geringer Kapazität. Nun wird in
den Stromfluss eine Drossel mit geeignetem Wert (z.B. 5-10mH) "in Reihe" geschaltet.
Der Innenwiderstand der Drossel sollte aber selbst so klein wie möglich sein
(wenige mOhm), da sonst zu viel der wertvollen Spannung in der Drossel verloren
ginge. Und das wäre doch schade. Danach
folgt wiederum ein Siebelko, dieses mal allerdings mit höherer Kapazität.
Hier
die entsprechende Schaltung, die nur allgemein zu verstehen ist. Das Verhältnis
zwischen dem ersten Elko und dem zweiten Elko ist etwa 1:3. In Zahlen ausgedrückt z.B. =
4700µF:15000µF. Mit dieser Siebschaltung bekommt man auch bei größerer Belastung das
Brummen unter Kontrolle und wir sind der Batterie schon wieder etwas näher gekommen.
Es schadet übrigens nicht, wenn man die jeweilige Kapazität noch sehr viel weiter nach oben treibt. Je dicker die Elko's, um so stabiler wird das gesamte Netzteil. Das macht sich wiederum ganz gut bei der Ausgangsleistung. Die steigt nämlich mit stabilerer Betriebsspannung.
Bei dieser Aktion darf man aber nicht vergessen, dass die Gesamtkapazität beim Ersten Einschalten einen gewaltigen "Einschaltstrom" verursacht, der dazu führen kann, dass die Haussicherung rausfliegt. Das liegt daran, das die Elkos im ersten Moment des Einschaltens einen Innenwiderstand von "Null" Ohm haben. Das bedeutet Kurzschluss für den Trafo! Nach sehr kurzer Zeit (einige Millisekunden) erhöht sich dieser Widerstand auf unkritische Werte, da nun der Elko schon etwas an Energie aufgenommen hat. Er ist zum Teil aufgeladen. Ab jetzt ist das Aufladen kein Problem mehr.
Dem Problem mit dem Einschaltstrom kann man mit einer Einschaltstrombegrenzung entgegen treten. Diese wird auf der Primärseite des Trafos eingesetzt. Dort wird für eine kurze Zeit nur ein Teil der Netzspannung an den Trafo gelegt, was zur Folge hat, dass der Einschaltstrom deutlich geringer ausfällt. Die Sicherung bleibt drin. Nach kurzer Zeit wird dann die volle Netzspannung an den Trafo geführt.
Auf die Spitze getrieben
Wer es mit dem Netzteil auf die Leistungsspitze treiben will, kann ein Drehstrom Netzteil bauen. Hierbei werden drei Trafos, je einer an eine Phase des Drehstromnetzes in "Sternschaltung" angeschlossen. Alternativ kann selbstverständlich auch ein einziger Drehstromtrafo eingesetzt werden. Je nach Aufbau desselben kann dann auch der Dreieckbetrieb vorgenommen werden, dann allerdings muss auch eine entsprechende "dreifache" Einschaltverzögerung berücksichtigt werden, da bei Dreieckbetrieb der Einschaltstrom noch deutlich größer ausfällt! Ein entsprechend geschalteter Drehstromgleichrichter ist dann auch von Nöten.
Der Vorteil eines Drehstromnetzteils liegt in der Phasenverschiebung der einzelnen Phasen von 120° zueinander (bei einer Phase sind das nur 180°). Dadurch erreicht man eine schnellere Ladung der Elko's aufgrund der kürzeren Wiederholzyklen. Dadurch lässt sich ohne weiteres auch die Ausgangsleistung einer Endstufe deutlich vergrößern! Allerdings ist hier der Bauteileaufwand erheblich höher und teurer. Trotzdem, wer's mag kann damit absolut das letzte aus der Endstufe holen. Die gesamte Gleichspannung erhöht sich übrigens nicht wesentlich, sie wird eben nur stabiler.
Dazu ist selbstverständlich eine passende Drehstromsteckdose wie z.B. eine "Perilex" oder "CE" erforderlich. Wer hat die schon im Wohnzimmer vorinstalliert?
Sicherheit (immer an erster Stelle!!)
Die VDE-Vorschriften in Deutschland sind unbedingt
einzuhalten, schon im eigenen Sicherheitsinteresse! Nicht vergessen, in einer
Leistungsendstufe können durchaus tödliche
Spannungen auftreten!
Gleichspannungen ab 45 V oder Ströme ab 65 mA können bereits tödlich sein!
Besonders bei Endstufen mit mehr
als 150W Sinus an 8 Ohm sind schon lebensgefährliche Betriebsspannungen
erforderlich. WOHLGEMERKT! Hier geht es nicht um die 230V Spannung aus
der Steckdose!! Also Leistungsverstärker grundsätzlich mit der Erdung der
Stromsteckdose verbinden! Wer davon keinerlei Ahnung hat, sollte lieber die Finger von
solch gefährlichen Dingen lassen und dies einem Fachmann übergeben. Die
Warnschilder vor Elektroschlägen auf den fetten Endstufen sind nicht
unwichtiger Blödsinn, sondern meinen es so wie es ist! GEFÄHRLICH!!!
Der Ausgang der Endstufe sollte, besonders bei größeren Leistungen, mit einer DC-Schutzschaltung versehen sein, die bei Gleichspannungen von mehr als + oder - 1,2 V den Lautsprecher sofort von der Endstufe trennt um Schäden am Lautsprecher vermeiden. Das sollte zwar niemals vorkommen, aber wenn doch, hat man dafür Vorsorge getroffen. Wie kann es zu einer solchen Situation kommen?
Bei normalem Betrieb sollte es keine Probleme geben. Durch Materialfehler oder zu starker "Überlastung" einzelner Komponenten kann es zu deren Zerstörung kommen. In solchen Fällen ist es möglich, das z.B. ein Transistor durch Überlastung durchbrennt und damit einen inneren Kurzschluss (im Transistor) nach sich zieht. Dieser Kurzschluss bewirkt unter Umständen ein Fehlverhalten nachgeschalteter Bauelemente, die dann schließlich zu Gleichspannungen am Ausgang der Endstufe führen. Diese Gleichspannungen könnten angeschlossene Lautsprecher zerstören!
Zerstörung der Boxen durch Clipping zu kleiner Endstufen
An dieser Stelle möchte ich darauf verweisen, das man immer wieder hört, das ein "kleiner" 20 Watt-Verstärker eine doch viel stärkere100 Watt Box zerstört hat. Der Grund ist fast immer ein Clipping des zu schwachen Verstärkers, der möglicherweise auch noch obendrein mit reichlich aufgedrehtem Bass- und Höhenregler betrieben wurde. Hierbei wird nämlich mal eben die 2-4fache, in Extremfällen sogar die mehr als 10fache Leistung vom Verstärker gefordert, und die hat er eben nicht. Umgekehrt ist es meistens kein Problem, einen "großen" Verstärker an einer "schwachen" Box zu betreiben.
Am folgenden Beispiel soll aus eigener Erfahrung gezeigt werden, wie man mit viel größeren Verstärkern auch ein "schwache" Box betreiben kann: in einer Überbrückungszeit hatte ich selbst einen 450Watt Verstärker (8 Ohm Sinus/Kanal) an einer "Notbox" mit einer Leistungsfähigkeit von nur 40 Watt (kurzzeitig auch recht laut) betrieben. Das war überhaupt kein Problem, solange der 450Watter nicht übersteuert wurde! Das war also tatsächlich eine Lebensversicherung für die Notbox.
Das Clipping ist eine zurecht gefürchtete Eigenschaft aller Endstufen, egal welcher Leistung! Und wer bis heute nicht weiß was das überhaupt ist, der sollte den folgenden Teil sehr sorgfältig durchlesen, denn da werden ihm wahrscheinlich die Augen / Ohren geöffnet! Was ist Clipping und wie kommt es dazu?
Clipping ist die Bezeichnung dafür, das Verstärker bei zu großer Eingangsspannung und fester Verstärkung eine Ausgangsspannung abgeben sollen, die größer ist, als die eigene, interne Betriebsspannung. Das Ergebnis dabei ist ein Clippen des Ausgangssignals. Man nennt das auch Übersteuern. Was passiert hierbei technisch gesehen?
Nehmen wir einmal an, eine Endstufe bekommt am Eingang 2V zugeführt. Seine maximale
Leistung liegt bei 100W an 8 Ohm. Das bedeutet, bei einer Eingangsspannung von 2V erreicht
diese Endstufe ihre maximale Leistung gerade eben. Das entspricht einer effektiven
Ausgangsspannung von 20V oder einer Spitzenspannung von 20V * 1,41 = 28,28V an 8 Ohm.
Daraus folgt eine Betriebsspannung von ca. +/- 30V. Im linken Bild ist die
Situation vor dem Clipping zu sehen, also gerade noch sauber und nicht
übersteuert.
Wenn jetzt die Eingangsspannung von 2V
auf z.B. 3V erhöht wird, muss die Folge davon sein, das die Ausgangsspannung bei immer
noch gleicher Verstärkung und gleichem Lastwiderstand dementsprechend höher ist, als
zuvor mit 2V am Eingang. Dies aber geht nicht, da die Betriebsspannung weiterhin nur +/-
30V beträgt. An den Stellen, an denen die geforderte Ausgangsspannung höher sein soll,
als die eigene Betriebsspannung, würde dann die Ausgangsspannung auf dem Niveau der
Betriebsspannung verbleiben, bis die Eingangsspannung wieder unter 2V fällt. Diesen
Betriebszustand nennt man Clipping. Und so wie rechts im Bild
sieht das dann aus, wenn die UB überschritten wird bzw. werden soll.
Wie hier auf dem Oszilloskopbild sehr gut zu sehen ist, versucht
das Signal über die Grenze der UB (Betriebsspannung) zu steigen. An der Grenze zur UB
flacht das Signal einfach ab. Irgendwo ist schließlich mal Schluss mit dem
Spannungsanstieg!
Gemeinerweise kommt noch hinzu, dass das Musiksignal sehr schnell mit seinem
Spannungswert bis zur Grenze der Betriebsspannung ansteigen kann, dort dann schlagartig
eingebremst wird, und dann in der Folge auch noch ein Oberwellenhaltiges Signal auf die dann verlaufende
Gleichspannung moduliert. Es ist eine Art Überschwingen, welches dann allmählich
auf dem Niveau der UB ausschwingt. Diese Oberwellen zerstören dann die Hochtöner, da sie
hochfrequent und hochenergetisch sind.
Da der Spannungswert während der Clippingphase einen fast "gleichen" Wert hat, kann man diesen Zustand auch mit Gleichspannung bezeichnen. Aber wie hoffentlich jeder weiß, ist die Gleichspannung am Ausgang der Tod jedes Lautsprechers. Es gibt nicht umsonst so genannte DC-Schutzschaltungen, die solche gefährlichen Spannungen vom Ausgang einer Endstufe fernhalten soll, um den Lautsprecher zu schützen.
So ganz nebenbei werden hierbei auch starke Verzerrungen im Bass- und Mitteltonbereich deutlich hörbar! Diese Verzerrungen sollten als Warnsignal verstanden werden. Dieses Warnsignal kann man auch optisch anzeigen, da die Augen immer wachsamer sind als die Ohren.
Für diesen Zweck gibt es gut funktionierende Zusatzschaltungen, die den gefährlichen Zustand schon frühzeitig über LED's anzeigen und im Clippingfall auch diesen anzeigen. Wer diese Anzeige nachrüsten will, kann dies selbstverständlich jederzeit tun. Wenn es damit Probleme gibt, kann ich auf Anfrage weiterhelfen oder schickt mir eine kurze Mail.
Fazit
Hieraus folgt, je "schwächer" ein Verstärker ist, um so größer ist die Gefahr von Clipping! Eine weitere Schlussfolgerung daraus ist, je "stärker" ein Verstärker ist, um so größer (wertvoller) ist die "Lebensversicherung" für den Lautsprecher! Dabei ist natürlich zu beachten, das die starke Endstufe nicht ebenfalls ins "Clipping" getrieben wird, denn das wäre noch gefährlicher! Da aber bei großen Leistungen die Lautstärke ohnehin zunimmt, ist nicht zu erwarten, das die Gefahr zu groß wird, die Endstufe ins Clipping zu treiben, denn irgendwann sagt der gesunde Menschenverstand, dass es laut genug ist.
Alle Übertragungsmedien dämpfen das darauf übertragene Signal ab. Die Dämpfung beschreibt die Abnahme der Spannungs-, Strom- und Leistungswerte während der Übertragung. Die Ursache der Dämpfung ist z.B. der Leitungswiderstand. Eine weitere Ursache ist das Einkoppeln von Fremdsignalen in die Signalamplitude. Das führt dann zu Rauschen. Die Verzerrung ist ebenfalls eine Ursache für die Veränderung von Signalen.
Lineare Verzerrungen entstehen durch frequenzabhängige Verstärker und kapazitive und induktive Spannungsteiler.
Bei der linearen Verzerrung wird die ursprüngliche Kurvenform nicht verändert. Es entstehen deshalb keine neuen, d.h. keine zusätzlichen Tonfrequenzen.
Es findet nur eine Veränderung der Amplitude statt. Man spricht vom Abfallen der Tiefen und der Höhen bei der Verstärkung (Audio).
Nichtlineare Verzerrungen entstehen durch Spiegelungen an Kennlinien, von passiven bzw. aktiven Halbleiterbauelementen. Die Kennlinien einer Verstärkerschaltung sind nichtlinear. Dadurch wird eine Sinuskurve am Eingang eines Verstärkers in der Kurvenform verändert.
Bei der Übersteuerung (Clipping) wird der positive und der negative Amplitudenbereich abgeschnitten. Das dabei entstehende Signal enthält Oberwellen, die das Signal härter, höher und lauter klingen lassen (Akustik). Nichtlineare Verzerrungen führen zu Frequenzen, die im Originalsignal nicht vorhanden sind. Abhilfe schafft hier die Gegenkopplung in der Verstärkerschaltung.
Die Nichtlinearität eines Verstärkers ist ein Verhalten, das sich nicht durch Gleichungen ersten Grades bestimmen lässt.
Der Klirrfaktor ist das Maß für die nichtlinearen Verzerrungen durch/in einen Vierpol (z.B. Verstärker, Mikrofon, Tonbandgerät). Der Klirrfaktor ist frequenzabhängig und gibt den Oberwellenanteil in % eines Signals an. Je kleiner der Klirrfaktor ist, desto besser (angenehmer klingt) das Signal.
Klirrfaktor bis 5%
Für diesen "unverzerrten" Beitrag bedanke ich mich bei dem ehemaligen Link http://www.e-online.de/sites/grd/0301031.htm. Leider ist dieser Link inzwischen nicht mehr vorhanden, deshalb bedanke ich mich zumindest bei dem Autor.
Kühlung
Bei großen Leistungen fließen große
Ströme durch die Leistungsverstärker. Diese Ströme fließen folglich auch
durch die Endtransistoren des Verstärkers. Daraus folgt eine mehr oder weniger
große Wärmeentwicklung in unmittelbarer Nähe des jeweiligen
Leistungstransistors, die unter Umständen zu Problemen führen kann.
Im Bild links oben sind solche für kleine und mittlere Endstufen (ca. 50-100W),
rechts oben die für größere Boliden (ab 100-500W) und Klasse-A Endstufen.
Daher ist immer
für eine ausreichende Kühlung, hierbei besonders die Endtransistoren, zu sorgen! Im
Bild links ist ein Kühlkörper für Leistungen bis zu 1000W zusehen.
Zur Umgebung der Endstufen ist auch noch etwas zu sagen. Sie sollten auf keinen Fall durch Gegenstände zugestellt oder abgedeckt werden. Also bitte auch keine Endstufen auf den laufenden Fernseher oder die Heizung stellen! Grundsätzlich ist bei Leistungsverstärkern IMMER für ausreichende Belüftung zu sorgen.
Bei Klasse-A Endstufen ist das extrem wichtig, da hier schon ein sehr großer Ruhestrom fließt. Dieser produziert also auch bei "ruhendem" Betrieb eine große Hitze, so das die Endtransistoren bei zu geringer Kühlung der Hitzetod ereilt. Dazu an anderer Stelle mehr.
Kabelquerschnitt mal genauer beleuchtet
Da gibt es ja noch die Leistungsverdrahtung. Wir kennen das ja alle:
Bei einem Leistungsverstärker ab 100 - 200 Watt und höher "muss" vom Verstärker zum Lautsprecher "immer" ein ordentlich dickes Kabel verlegt werden, damit auf dieser Strecke ja keine Verluste zu beklagen sind! Grundsätzlich kann ich das ja auch bestätigen. Die Verdrahtung innerhalb der Endstufe hält da ja meistens noch mit. Aber was ist mit der Platine, auf der sich die Leistungselektronik befindet?
Da scheint es die Gesetze des Spannungsverlustes wohl nach Ansicht vieler Hersteller nicht mehr zu geben!?
Oder womit kann man den Einsatz einer herkömmlichen Platine mit einer Kupferschicht von sage und schreibe ganzen 0,035mm = 35µm in einer Endstufe begründen?? Das ist in den meisten käuflichen Endstufen leider sehr oft ein mieser Witz! Diese Standardplatinen werden sehr oft zum Einsatz gebracht, obwohl es auch etwas "dickere" Platinen bis hin zu 140µm gibt. Das ist aber immer noch nicht ausreichend!
Nehmen wir diese Standard Kupferschicht einmal in einer Bahnbreite von 10 mm an. Dann ergibt das nach richtiger Berechnung einen "Leiterquerschnitt" von
0,035mm x 10 mm = 0,35 mm² !! Wohlgemerkt: die Leiterbahn ist schon 10 mm breit! Und in welchen Endstufen findet man bitte schön solch breite Leiterbahnen? Und das soll also für einen ausreichenden Querschnitt gut sein??? Da lach ich aber mal kräftig! Ein simpler Klingeldraht hat bereits einen Querschnitt von 0,4 - 0,6 mm², der wäre schon besser geeignet! Das kann es doch wohl nicht sein!
Zur Ehrenrettung möchte ich an dieser Stelle erwähnen, das es einige wenige Hersteller gibt, die als Ersatz eine starke Kupferschiene an den stark belasteten Stellen einsetzen oder die betroffenen Leiterbahnen mit verschiedenen Hilfsmitteln "verstärken". Aber wie gesagt, das sind nur sehr wenige Hersteller!
Man kann sich ruhig mal eine käufliche 200 Watt Endstufe auf der Platinenseite ansehen. Da wird es sicher einige sehr enttäuschte Gesichter geben!
Fließt auf der Platine etwa nicht mehr der Strom, der sonst durchs Netzteil, die Endstufe, die Lautsprecherkabel und zum Schluss auch durch den Lautsprecher gelangt? Ich sage dazu: AUCH HIER FLIESST EIN HOHER STROM!! Und dem hat man im Verstärkerbau gefälligst Rechnung zu tragen! Ich jedenfalls tue das!
Verkabelung
Nachdem gerade die Platine der Endstufe einmal beleuchtet wurde, wollen wir jetzt zur
Verkabelung übergehen. Eine gute Verkabelung innerhalb der Endstufen mit hochwertigen
Materialien ist von Vorteil. Die Stromversorgungsleitungen sollten nicht zu knapp bemessen
sein. Also bitte hier keine billigen Klingeldrähte oder 0,5 - 0,75 mm²
Lautsprecherleitungen bei Leistungen um 100 Watt oder mehr einsetzen. Hier sollten doch
schon 2,5 - 4 mm² Leitungen zum Einsatz kommen. Ebenso die Ausgangsleitungen von der
Endstufenplatine zum Lautsprecherterminal. Auch die Verbindungspunkte
(Kabelanschlüsse) selbst sollten mit hochwertigen vergoldeten Kabelschuhen oder
noch besser gleich mit kräftigen Klemmen verbunden sein! Jeder Verbindungspunkt, der unnötig in der Leistungsverkabelung
liegt, bringt einen Übergangswiderstand mit sich. Alle Übergangswiderstände
sind dabei in reihe geschaltet und addieren sich somit!
Hier gilt: je weniger Verbindungspunkte in der Gesamtstrecke zwischen Netzteil und Lautsprecher liegen, um so weniger Übergangswiderstände gibt es. Das wiederum kommt einem guten Dämpfungsfaktor des Verstärkers sehr entgegen.
Eingangsseitig sollte
man nur gut abgeschirmtes hochwertiges Kabel verwenden (siehe Bild links). Gut sind hier 2adrige Kabel wie
z.B. 2 x 0,5 mm² mit gemeinsamem Schirm. Dabei wird eine Ader als "heiße"
Leitung benutzt und die andere Ader als "kalte". Die "Kalte" Ader wird
mit der Masse auf beiden Seiten verbunden! Dagegen wird die echte Abschirmung nur mit der
Masse der "Empfängerseite" verbunden! Diese Maßnahme verhindert ein
Brummschleife. Bei XLR- oder Cannon Verbindungen benötigt man drei statt zwei Adern,
sonst bleibt alles gleich.
Massenfrage
Es gilt immer: alle Geräte-Inneren Masseanschlüsse werden an einem "einzigen" Sternförmigen Massepunkt angeschlossen. Dazu gehören die Masse vom Netzteil (Trafo und Elkos je eine eigene Leitung), Nebennetzteil, Lautsprecherterminal, Eingangsbuchsen und natürlich das Gehäuse selbst.
Anschlüsse für die Eingänge
Am Eingang der Endstufen können Cinch- (linkes Bild)
oder XLR bzw. Cannonbuchsen (rechtes Bild) zum Einsatz kommen. Die Eingangs- und
Ausgangsanschlüsse sollten in jedem Fall aus sehr hochwertigem Material sein, denn ein
guter Kontakt mit der Umgebung ist äußerst wichtig für ein ungetrübtes Hörerlebnis.
Vergoldete Polklemmen und Eingangsbuchsen, gleich welcher Art, sind heute in jedem gut
sortierten Fachhandel leicht erhältlich.
Nachfolgend einige Muster für Ausgangsklemmen für den Anschluss von Lautsprechern:
100 A Lautsprecherklemmen für Verstärker
und Lautsprecher. Hier können sehr große Kabelquerschnitte bis zu 50mm² verwendet werden. Diese
extrem stark
belastbaren Hochlastklemmen sind auch hervorragend für spezielle Hochstromendstufen
geeignet, wie sie z.B. bei bestimmten Bändchenlautsprechern eingesetzt werden.
Links im Bild sind genau solche extra starken Klemmen dargestellt. Alleine der
Durchmesser ist mit 30mm schon ein Hinweis auf die machtvolle Stromfähigkeit.
Links:
Lautsprecherklemmen für kleinere Querschnitte bis ca. 6mm². Diese werden auch in den
meisten Fällen eingesetzt. Rechts im Bild sind Polklemmen für
Kabelquerschnitte bis zu 16mm² zu sehen, wie sie immer häufiger in den
"besseren" Geräten vorzufinden sind. Es gibt noch sehr viele Varianten von diesen
Lautsprecherklemmen. Man sollte aber auf billige "Klipp-Klemmen" verzichten, da
diese nur schlechte Kontakte erlauben.
Wichtig ist immer, das die Polklemmen von Gehäuse isoliert montiert werden, um Kurzschlüsse mit dem Blechgehäuse zu vermeiden. Es gibt schon viele dieser Polklemmen, die schon werkseitig isoliert sind, sodass sich die Montage hier einfach gestaltet.
Die Betriebsart-Klassen für Endverstärker
Verstärker werden verschiedenen Klassen in ihrer Betriebsart zugeordnet. Bei Halbleiterverstärkern gibt es die Klassen "A", "AB", "B", "C" und "D" (IC's). Zusätzlich gibt es noch eine Klasse "A+B".
Bei Röhrenverstärkern ist das für mich nicht so einfach zu klassifizieren. Das liegt vielleicht daran, das ich mich mit dem Thema Röhren noch nicht so ausgiebig befasst habe. Kommt vielleicht später noch.
Bei Digitalverstärkern fallen die Klassen A, AB und B weg. Sie gehören in die Klasse "C".
Was macht eigentlich den Unterschied der Klassen aus, oder besser, warum gibt es unterschiedliche Klassen?
Der Grund für die verschiedenen Klassen liegt in der Problematik der Übernahmeverzerrung bei bipolaren Transistoren. Diese (am meisten eingesetzten) Transistoren haben die Eigenschaft, bei Spannungen unter 0,6 V nicht mehr durchzusteuern, d. h. sie sind nicht mehr in ihrem Arbeitspunkt. Das bedeutet, Signalspannungen unter diesem Schwellwert führen bei der Übernahme dieser Spannung zu Verzerrungen (Übernahmeverzerrung). Dies ist um so schlimmer, da Musiksignale nun mal oft in Ruhe oder auch in der Nähe der Ruhe verweilen.
Um diesem Problem zu begegnen, sorgt man durch geeignete Schaltungsmaßnahmen dafür, das diese Übernahmeposition gewissermaßen "vorgespannt" wird, genau genommen "vorgeströmt". Das bedeutet, das ein bestimmter Strom durch die Transistoren fließen muss.
Das Ergebnis ist ein permanenter wohl dimensionierter Strom durch den Transistor, sodass eben der Transistor ständig in seinem Arbeitsbereich liegt und damit die Übernahmeverzerrungen so gering wie möglich sind (auch oder gerade ohne Musiksignal). Dieser Strom heißt Ruhestrom, und der sollte so wie sein Name auch ruhig bzw. stabil sein. Es gibt verschiedene Varianten der Betriebsarten in "Klassen".
Die Frage ist, wie weit soll man nun mit der Vorspannung oder dem daraus resultierenden Ruhestrom gehen? Die Antwort darauf ist zum Teil eine umstrittene Geschmacks- oder auch Auslegungsfrage.
Die Faustregel lautet: je höher der Ruhestrom, desto geringer die Verzerrungen, je niedriger der Ruhestrom, desto höher sind sie. Außerdem kommt noch hinzu: je höher der Ruhestrom, desto geringer der Wirkungsgrad und damit die Ausgangsleistung, je niedriger der Ruhestrom, desto höher der Wirkungsgrad und damit die Ausgangsleistung.
Die Erklärung für dieses Verhalten folgt später in der Beschreibung der einzelnen Klassen. Das soeben gesagte gilt nur für Analoge Verstärker. Hier kommen die Klassen A, AB und B zum Einsatz. So ganz nebenbei darf man den durch hohen Ruhestrom produzierten Restbrumm am Netzteil nicht vergessen, der ja gerade bei "Ruhe" leicht hörbar wird!
Verstärker, die in Klasse A betrieben werden, haben den Vorteil, das deren Übernahmeverzerrungen sehr gering sind. Dabei darf man aber auch nicht die damit einhergehenden Nachteile verschweigen: die Konzeptbedingte geringere Leistung und die große Temperaturentwicklung, die bei einem sehr hohen Ruhestrom nun mal nicht zu umgehen sind. Aber dazu kommen wir jetzt.
Damit die Verzerrungen möglichst gering bleiben, muss man dafür sorgen, das die Transistoren immer in ihrem Arbeitspunkt liegen und gar nicht erst in die Situation kommen, schalten zu müssen. Genau dieses "Schalten" verursacht die hörbaren Verzerrungen! Deshalb gibt es nur eines zu tun, der Ruhestrom durch die Transistoren muss ausreichend hoch eingestellt werden, so hoch, das die Transistoren ständig in ihrem Arbeitspunkt liegen!
Aber genau das hat Folgen. Die hierdurch entstehende große Wärmeentwicklung ist ein Nachteil. Aber durch geeignete Kühlmaßnahmen kann man dem entgegen treten. Der Nachteil des Leistungsverlustes ist ebenfalls der Preis, den man bezahlen muss, denn der hohe Ruhestrom begrenzt auch die Aussteuerbarkeit der Endstufe.
Man sollte sich vor Augen halten, das die Verlustleistung einer reinen Klasse A Endstufe im Ruhezustand doppelt so hoch ist, wie deren eigene Ausgangsleistung! Der Wirkungsgrad einer solchen Endstufe beträgt theoretisch 50%. Die Verlustleistung geht mit steigender Aussteuerung auf etwa die Hälfte des Ruhezustands zurück.
Fazit: Wer nicht unbedingt die absolute Höchstleistung benötigt, dafür aber Höchstqualität fordert, wird mit einer Klasse A Endstufe gut beraten sein.
Klasse B
Diese Betriebsart kommt eher selten vor. Sie wird in Bereichen eingesetzt, in denen es nicht auf besondere Qualitäten ankommt. Hier steht eher die Dauerbetriebsfestigkeit im Vordergrund. Große Leistungen könnte man hier Problemlos fahren, aber die werden meistens nicht mehr benötigt, zumal die Qualitäten zu wünschen übrig lassen.
Die Einsatzgebiete könnten z. B. Beschallungsanlagen in Hotels, Warenhäusern oder kleine Veranstaltungen sein.
Klasse AB
Die am häufigsten verwendete Betriebsart bei Verstärkern. In dieser Betriebsart arbeitet der Verstärker bei kleinen Leistungen in Klasse A, während er bei größeren Leistungen in Klasse AB arbeitet. Sie ist relativ unproblematisch, frei von den Nachteilen einer Class A Endstufe, allerdings erreicht sie auch nicht mehr das Klangniveau einer Class A. Dafür kann hierbei aber die Ausgangsleistung erheblich ansteigen, und das ohne die Temperaturprobleme, außer man fährt über längere Zeit mit sehr hoher Leistung.
Die Ruhestromeinstellungen liegen bei der Betriebsart AB in einem Bereich, in dem eine noch ausreichend gute Qualität erzeugt werden kann. Das Ergebnis sind noch ausreichend reduzierte Übernahmeverzerrungen. Bedingt durch den relativ geringen Ruhestrom treten auch keine Wärmeprobleme auf und damit einhergehend auch eine preiswertere Bauweise.
Klasse A+B
Zum Schluss gibt es noch die eher seltene, obwohl gute Klasse A+B. Diese Klasse vereinigt die Vorteile der Klassen A und B in sich, ist aber viel komplexer zu bauen. Da das aber nicht jedermanns Sache ist, gibt es derer auch nur wenige. In dieser Betriebsart arbeiteten gleich zwei Verstärker, der eine in Klasse A und der andere in Klasse B. Dabei wird die Klasse A Endstufe als (masse) Basis für die Klasse B herangezogen. Das heißt, die Arbeitsbedingungen der B-Endstufe werden kurzerhand auf den Ausgang der A-Endstufe "aufgepflanzt".
Die jeweiligen Ruhestromeinstellungen liegen bei der Betriebsart A+B in einem Bereich, in dem einfach beide Betriebsarten zum Zuge kommen und damit eine gute Qualität bei dennoch hoher Leistung erzeugt wird. Das Ergebnis sind in der A-Endstufe stark reduzierte Übernahmeverzerrungen, während in der B-Endstufe die großen Leistungen erzielt werden. Da hier zwei völlig verschiedene Endstufen mit entsprechend verschiedenen Betriebsspannungen arbeiten, ist auch die Netzteilgestaltung nicht gerade einfach.
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