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Grundlagen - Verstärker

Wie ein Verstärker aussieht, muss ich wohl nicht erzählen. Wie man ihn anschliesst, dürfte auch noch den meisten bekannt sein, notfalls gibts ja auch ein Handbuch. Wie aber ein Verstärker arbeitet, was Brückenbetrieb heisst usw. ist aber nicht mehr jedem klar.

Spannungsversorgung
1) Verstärker ohne Schaltnetzteil, welche mit der Kfz-Bordspannung von 12V auskommen müssen. Das sind (fast) alle Endstufen in Autoradios sowie sehr alte Booster. Egal was die Hersteller von Autoradios behaupten, es gibt keine 4*40W RMS Ausgangsleistung. Das läßt sich ziemlich leicht nachrechnen. Wenn eine Endstufe nur 14.4V als Betriebspannung hat, kann als Ausgangsspannung nur maximal (bei einem Wirkungsgrad von 100%) 14,4V anliegen, wobei pro Halbwelle (Ein Sinuston setzt sich aus positiver und negativer Halbwelle zusammen) 7,2Volt max. zur Verfügung stehen. Will man jetzt den maximalen Ausgangsstrom berechnen, muss man die 14.4Volt (SpitzeSpitze) erst in Effektivspannung [V/Wurzel(2)] umrechnen. Das ergibt also eine Effektivspannung [14.4V/Wurzel(2)] von 10,2Volt. Schliesst man nun einen 4Ohm Lautsprecher an, so beträgt der maximale Strom [Spannung(U)/Widerstand(R)=Strom(I)] 2,55Ampere. Multipliziert man den Strom mit der Effektivspannung, so erhält man die maximale Ausgangsleistung, nämlich 26Watt. Soweit zur Theorie. In der Praxis geht nämlich noch ein bischen Leistung flöten. Da wäre zu einem der Wirkungsgrad, der bei solchen Einchip-Endstufen so 50-60% beträgt, der Rest wird in Wärme umgesetzt. Das wären dann also bei 50% noch 13W. Bedenkt man nun, das ein Lautsprecher an Wechselspannung eine komplexe Last darstellt (der Wiederstand ist abhängig von der Frequenz, dem Gehäuse etc.), wobei die Impedanz meist um einiges höher ist (kann schon mal 60Ohm werden), ist von der Leistung nicht viel übriggeblieben. Natürlich bleibt aber auch hier nicht die Entwicklung stehen, neue Technologien lassen selbst an 12V 30W RMS erwarten. Beispiel : Class H von Phillips. Dort wird durch einen Chipinternen Schaltungskniff, wenn benötigt, einfach 14,4V aus Elkos zur vorhandenen Spannung "hinzuaddiert", was dann schon mal 28,8V macht. Bei Sinustönen funktioniert das durch Dauerbelastung natürlich nicht, sondern nur bei Impulsbelastung (was Musik ja ist).

2) Verstärker mit Schaltnetzteil (heutzutage Standart). Hier arbeitet die Endstufe nicht mit den 14,4V vom Bordnetz, sondern es wird eine eigene, symetrische Spannung erzeugt, also z.B. +/-50Volt, je nach gewünschter Ausgangsleistung. Diese Spannung wird durch ein Schaltnetzteil erzeugt Vereinfacht funktioniert ein Schaltnetzteil folgendermassen : Die 14,4Volt werden zerhackt, und in eine Wechselspannung mit sehr hoher Frequenz (>30kHz, ausserhalb des hörbaren Bereichs) gewandelt. Damit wird die Primärwicklung vom Ringkerntransformator gespeist. Die Sekundärwicklungen des Trafos liefern nun die weitaus höheren Ausgangsspannungen. Diese werden dann gleichgerichtet und noch über grosse Elkobatterien gepuffert. Der Verstärker hat nun seine gewünschten +/-50 Volt zur Verfügung, um ordentlich Leistung erzeugen zu können. Und wenn man hier obige Rechnung anwendet, kommt folgendes heraus : 100V SpitzeSpitze, 70,7V Effektiv, 17,7Ampere => 1251,4Watt was bei 50%Wirkungsgrad immer noch runde 600W RMS macht. Theoretisch wohlgemerkt (siehe oben).

Die Unterschiede zwischen Analog und Digital
1) Analogverstärker (Class A & Class AB). Ein Analogverstärker verstärkt das Eingangssignal unbearbeitet, das heisst er macht aus einem kleinen Signal ein sehr grosses Signal (wobei sich das aber nur auf die Amplitude und nicht auf die Signalform auswirkt). Die Transistoren im Analogverstärker sind grob als Strom/Spannunsventil zu verstehen, wobei der Stromfluss von ausserhalb steuerbar ist. Bei Analogverstärkern arbeiten die Endtransistoren immer, selbst wenn kein Signal anliegt (Ruhestrom), da der Transistor einen festen Arbeitspunkt einnehmen muss, um in beide Richtungen (positive sowie negative Halbwelle) aussteuern zu können. Die Leistungstransistoren arbeiten abhängig vom Eingangssignal, wobei sie je nach anliegendem Signal weiter öffnen oder schliessen. Analoge Endstufen sind sehr breitbandig einsetzbar (>100kHz) und bei solider Konstruktion verfügen sie über einen sehr hohen Dämpfungsfaktor. Nachteile bei Analogamps sind der niedrige Wirkungsgrad (max 60%) und die dadurch resultierende hohe Verlustleistung, die in Wärme umgesetzt wird. Wenn also 60W am Ausgang erzeugt werden, nimmt der Verstärker am Eingang 100W auf, die restlichen 40W heizen das Auto

2) Digitalverstärker (Class-D). Bei Digitalverstärkern wird das Eingangssignal zerhackt (bis zu 80000mal in der Sekunde und schneller), und in verschieden lange Rechteckimpulse gewandelt. Die Endtransistoren in einem Digitalverstärker arbeiten nur als Schalter (an oder aus bzw. 0 oder 1, daher der Name Digitalverstärker). Danach geht das Rechecksignal durch ein Filter (12dB, Spule und Kondensator) und wird so wieder in ein Sinussignal gewandelt. Prinzipbedingt können nur niedrige Frequenzen (bis ca 300Hz) mittels Class-D verstärkt werden. Ergo eignen sich D-Amps nur zum Antrieb von Kickbässen oder Subwoofern. Dadurch, das die Transistoren nur dann schalten, wenn es benötigt wird, entsteht ein hoher Wirkungsgrad (80-90%) und dadurch auch sehr geringe Abwärme (daher auch meist der kompakte Kühlkörper), wobei wir schon bei den vorteilen wären. Nachteile hier sind der bandbegrenzte Einsatz und der sehr geringe Dämpfungsfaktor (hervorgerufen durch das Ausgangsfilter). Meinermeinung macht sich das auch klanglich bemerkbar, weswegen ich keine Digi-Amps empfehlen kann. Ausnahme hier ist das sogenannte Class-T Prinzip. Diese Digitalverstärker vereinen die Breitbandigkeit, den hohen Dämpfungsfaktor & guten Klang von Analogendstufen sowie Wirkungsgrad von den Class D-Amps. Dieses Prinzip wird sicherlich bald bei jedem namenhaften Hersteller im Sortiment vertreten sein.

Der Unterschied zwischen HighVoltage und HighCurrent Verstärker
Beide Arten dieser Spezies sind, wie man am Wörtchen "High" schon erahnen kann, auf Höchstleistung getrimmt, aber trotzdem unterscheiden sie sich doch. HighVoltage-Amps sind Verstärker, die auf maximale Leistung an 4Ohm Brückenbetrieb (oder 2Ohm Stereobetrieb) ausgelegt wurden, und dementsprechend hohe Spannungen am Ausgang zur Verfügung stellen. 140V am Ausgang sind bei richtigen "Tieren" keine Seltenheit, und können schon für den Menschen durch Berührung gefährlich werden. Sobald die angeschlossene Impedanz niedriger wird (<2Ohm Brücke oder <1Ohm Stereo) kommen die sogenannten HighCurrent (=hoher Strom) Amps zum Zuge, denn wenn sich die Impedanzen halbieren, verdoppeln sich die Ströme bei gleicher Spannung. So werden aus 2*25W an 4Ohm 2*50W/2Ohm, 2*100W/1Ohm, 2*200W/0,5Ohm usw. Es gibt Endstufen, die bis zu 0,25Ohm Impedanz noch Strom zulegen können. Man kann also erkennen, wo die Stärken der beiden Amps liegen. Natürlich gibt es auch "Monster", die beides beherrschen. Es gab schon Messevorführungen, wo am Ausgang von Endstufen Stichsägen betrieben wurden, um deren Strom/Spannungspotenz demonstrieren zu können. Es macht also durchaus Sinn, den Verstärker an die vorhandene Impedanz (z.B. mehrere parallelgeschaltete Subwoofer) anzupassen, bzw. umgekehrt, um das maximale herauszuholen. Auch gibt es Hersteller, die praktisch ein und denselben Verstärker in zwei Versionen verkaufen, einmal als HighCurrent und einmal als HighVoltage (z.B. Zapco, US-Amps, MMATS u.a.)

Was ist der Dämpfungsfaktor
Wenn man auf einen Lautsprecher ein Signal gibt, schwingt die Membran dementsprechend. Nimmt man jetzt ein kurzes Signal, so sollte im Idealfall die Membran nur so lange schwingen, solange ein Signal anliegt. In der Praxis schwingt die Membran aber nach, da sie eine bewegte Masse darstellt und trotz Zentrierspinne verzögert zum Stillstand kommt. Während der ungewollten Taumelbewegung funktioniert der Lautsprecher wie ein Mikrofon, durch das Schwingen der Spule im Magnet wird ein Strom erzeugt, und zur Endstufe geschickt. Es entsteht der sogenannte Rückstrom. Hier kommt nun der Dämpfungsfaktor zum Zuge, der die Fähigkeit der Endstufe beschreibt, einen angeschlossenen Lautsprecher und dessen Memranbewegungen zu kontrollieren. Der Dämpfungsfaktor bezeichent das Verhältnis der Lautsprecherimpedanz zum Innenwiderstand der Endstufe. Als Formel sieht das folgendermassen aus : R(Lautprecher)/R(Innenwiederstand). Je höher also die Impedanz des Woofers und je niedriger der Innenwiderstand der Endstufe, umso grösser (und besser) der Dämpfungsfaktor. Und hier liegt auch der Nachteil bei HighCurrent-Amps : je niedriger die Impedanz der Lautsprecher wird, umso mehr sinkt der Dämpfungsfaktor. Beispiel : Wenn ein Amp bei 4Ohm einen Dämpfungsfaktor von 400 (recht ordentlich) hat, bleibt an 0.5Ohm nur noch ein Wert von 50 über. Man erkauft also auch mit niedrigen Impedanzen einen miesen Dämpfungsfaktor. Wobei auch hier nicht vergessen werden sollte, das der Lautsprecher eine komplexe Last darstellt, und nie 4Ohm konstant als Impedanz besitzt. Abschliessend sei noch gesagt, das die grösste Leistung nix ist, wenn der Bass durch mangelnde Kontrolle einfach matschig klingt. Wie heisst es so schön ? "Power is nothing without control!"

Was ist Brückenschaltung
Wie kommt es, das bei Brückenschaltung sich die Leistung im Idealfall vervierfacht? Also als erstes hat man durch brücken einer Endstufe keinen Monoblock, sondern immer noch eine Endstufe, die im Stereomodus arbeitet, eben nur bei halber Impedanz. Wenn ich also an einen gebrückten Amp einen 4Ohm Lautsprecher anschliesse, sieht jeder Stereokanal eine 2Ohm Last. Da sich die Leistung bei halbierter Last verdoppelt, und das auf beiden Seiten, erhalte ich also die vierfache Leistung. Der Trick an der Brückenschaltung ist, das ein Stereokanal ein um 180° gedrehtes Signal am Eingang erhält und auch so verstärkt. Der Lautsprecher wirkt dann als koppelndes Glied, um 0° und 180° Signal zu addieren. Der Lautsprecher hängt im Brückenbetrieb an den jeweiligen Plus-Ausgang der Endstufe. Man kann Endstufen aber nur einmal brücken, es geht leider nicht unendlich. Eine Sonderstellung stellen hier einige Verstärker dar, wo beide Kanäle parallel geschaltet werden, um den doppelten Strom liefern zu können. Dieses Feature wurde u.a. bei der alten ESX Quantum Serie angeboten, um sehr niedrige Lasten treiben zu können, die Ströme teilen sich dann auf beide Kanäle zu gleichen Teilen auf.

Was ist Clipping
Mit Clipping wird das Übersteuerungsverhalten von Endstufen bezeichnet. Jede Endstufe hat eine maximale Ausgangsspannung, bedingt durch die Sekundärspannung des internen Schaltnetzteils. Gibt man jetzt zum Beispiel ein Sinus auf den Eingang mit kleiner Amplitude, so verstärkt die Endstufe dieses Signal spannungsmässig. Wenn man die Amplitude am Eingang vergrössert (also das Radio lauterdreht) wird logischerweise auch die Ausgangsspannung grösser. Aber nur bis zu einem gewissen Punkt, nämlich der maximalen Ausgangsspannung. Wenn man jetzt noch lauter macht, als die Endstufe ausgangsseitig Spannung hergibt, beginnt nun das Clipping. Die Endstufe fängt an, die Spitzen mehr und mehr zu kappen, je nach dem wie gross das Clipping ist. Es entsteht für eine kurze Zeit (für Lautsprecher schädliche) Gleichspannung am Ausgang. Während dieser Zeit "steht" die Membran (mit dem Auge nicht wahrnehmbar, da nur eine sehr kurze Zeit, wenige Ms) und erhält so keine Kühlung, es wird aber trotzdem Leistung zugeführt. Die Schwingspule wird also thermisch übermässig belastet, abhängig von der Stärke des Clippings. Daraus folgt, wenn es der Woofer nicht verarbeiten kann, die elektrische Zerstörung der Schwingspule. Laut Cerwin-Vega! sterben 80% aller Lautsprecher nicht wegen zu viel (sauberer) Leistung, sondern an unterdimensionierten Endstufen, die im Vollclipping gefahren werden, da sie hoffnungslos übersteuert sind.

	Ein Sinus am Ausgang einer Endstufe, gerade so stark ausgesteuert, das das Signal noch sauber ist
	Die Endstufe kann vom Radio geforderte Spannung am Ausgang nicht mehr liefern, da das Spannungsmaximum erreicht ist, sodas die Spitzen gekappt sind. Hier ist der Ausgang schon sehr stark übersteuert, es ist fast schon ein Rechtecksignal. Also starkes Clipping.