Physik-Arbeit
Der
HiFi-Verstärker
Funktionsweise und Eigenschaften des
HiFi-Verstärkers
Einleitung
Wieso ich dieses Thema
gewählt habe
Ich möchte hier kurz erwähnen, wieso ich
eigentlich auf das Thema "HiFi-Verstärker" gekommen bin. Angefangen hat alles
mit einem Plattenspieler. Ich hatte mir nämlich einen Technics-Plattenspieler
gekauft, aber nicht den MK2, sondern nur eine "Home-Version". Beim MK2 hätte
ich nämlich von Anfang an gewusst wo das Problem liegt. Auf jeden Fall schloss
ich meinen neu erworbenen Plattenspieler an die Stereoanlage an. Und da war
schon mal das erste Problem: Wo kann ich das Kabel für die Erdung anschliessen?
An meiner Stereoanlage ist nämlich kein GND-Anschluss vorhanden. Ich nahm dann
einen normalen Stecker für eine Steckdose und schloss das GND-Kabel an den
mittleren Stift des Steckers an. Jetzt musste ich den Stecker nur noch in die
Dose stecken und das Problem mit der Erdung war gelöst.
Nun musste ich nur noch die weissen und roten Kabel anschliessen. Als ich den
Plattenspieler dann anstellte, kam aber nur ein sehr leiser Ton aus meinen
Lautsprechern. Ich dachte zuerst ich hätte etwas mit dem GND-Kabel falsch
gemacht, und kontrollierte dann alles nochmals nach. Doch nichts half. Ich rief
dann einen Kollegen an welcher von solchen Sachen ziemlich viel versteht. Und
der sagte mir ganz schlicht: "Du brauchst einen Verstärker!"
Ich kaufte mir dann einen Vorverstärker, denn der war erstens billig und
zweitens reicht ein solcher für meine Anlage zu Hause völlig.
Doch
dann liessen mich die Verstärker nicht mehr in Ruhe. Denn zusammen mit zwei
Kollegen habe ich einen Hobbyraum, in welchem wir unter anderem auch eine sehr
laute Anlage haben. Dort war die Anschaffung von Verstärkern auch notwendig.
Zuerst war es nur einer, aber dann musste auch noch ein zweiter her, da unser
Repertoire an Boxen und Subwoofern stieg.
Durch
diese Ereignisse bin ich eigentlich auf die Verstärker aufmerksam geworden.
Anhand dieser Arbeit möchte ich gerne erfahren wie diese Geräte funktionieren
und aus einem leisen Ton einen lauten machen können.
Ich werde in meiner Arbeit zuerst über
Verstärker allgemein sprechen. Danach stelle ich die verschiedenen Arten von
Verstärkern vor. Beim Endverstärker werde ich dann ins Detail gehen die
Funktionsweise erörtern.
Verwendungsbereiche
von HiFi-Verstärkern
Wie
der Name "HiFi-Verstärker" schon sagt, werden diese Verstärker vor allem in der
Musikwelt eingesetzt. Sei es nun zu Hause bei der Home-Anlage, im Auto, in
einer Disco oder in Aufnahmestudios, Verstärker finden fast überall Verwendung
wenn mehr Leistung gefordert wird. Eine Disco ohne Verstärker wäre wohl etwa
das gleiche wie ein DJ ohne Schallplatten. Ohne Verstärker wäre es auch gar
nicht möglich die volle Funktion von Lautsprechern auszunützen, denn erst mit
einem Verstärker klingt ein Lautsprecher richtig satt und laut. Verstärker
sorgen also dafür dass die Lautsprecher betrieben werden können, sie kümmern
sich auch um den Strom für die Lautsprecher.
Doch Verstärker ist nicht gleich Verstärker, es wird generell zwischen
folgenden drei Typen unterschieden:
Vorverstärker
Endverstärker
Röhrenverstärker
Ich
werde nun im folgenden auf jeden Typ etwas genauer eingehen.
Vorverstärker
Vorverstärker fristen leider ein
Schattenleben. Das liegt daran dass in vielen Endverstärkern die Vorverstärker
bereits eingebaut sind (Vollverstärker). Somit sind Vorverstärker nicht so
bekannt wie ihre "grossen Brüder", kaum jemand nimmt Notiz von ihnen. Aber sie
sind trotzdem genau so wichtig wie alle anderen Komponenten.
Vorverstärker wurden vor allem für die Phono-Eingänge (Plattenspieler) benutzt.
Dort mussten sie nicht nur die wenigen Millivolt auf einen akzeptablen Wert
verstärken, sondern auch eine Freguenzgangentzerrung vornehmen. Bei den
heutigen Medien wie CD, MD etc. ist ein Vorverstärker nicht mehr nötig. Heute
verwendet man Vorverstärker nur noch zur
Auswahl der Signalquellen und zum Einstellen der gewünschten Lautstärke.
Weil
es sich um ganz wenig Elektronik mit entsprechend geringem Aufwand handelt,
bietet es sich an, Vorverstärker in einen Endverstärker gleich mit einzubauen,
um so ein eigenes Gehäuse inkl. Stromversorgung einzusparen. Denn oft ist die
Mechanik und die Stromversorgung das Teuerste am ganzen Gerät. Das Resultat ist
ein sogenannter Vollverstärker, der die früher oft zu findende Kombination aus
Vor- und Endverstärker fast völlig verdrängt hat. Technisch wie auch klanglich
hat man dadurch keine Nachteile zu erwarten, denn auch hier ist der technische
Stand sehr hoch. Die aus den 70er Jahren bekannten Probleme der Einstreuung der
Ausgangssignale auf die Eingänge
(Verkopplung) sind heutzutage absolut kein Problem mehr. Zudem enthalten
die meisten Verstärker den diesbezüglich empfindlichen Phonoeingang überhaupt
nicht mehr.
Endverstärker
Ein Endverstärker hat die Aufgabe, die
Signale des Vorverstärkers so zu verstärken, dass man damit einen Lautsprecher
betreiben kann. Wenn man sich nun aber einen Verstärker kaufen will, wird
leider oft nur anhand der Leistungsabgabe entschieden, nämlich der Anzahl
Watts. Dies allein macht aber noch lange keinen guten Verstärker aus.
Watt ist nicht gleich
Watt
Musikleistung &
Impulsspitzen
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Es ist ja klar dass sich ein Verstärker
mit vielen Watt besser verkauft als einer mit wenigen. Bei billigen Verstärkern
wird deshalb gerne und oft mit kleinen Tricks nachgeholfen. Richtig
aussagekräftige Merkmale eines Verstärkers sind z.B. die Sinus-Dauerleistung
und die Angabe der Musikleistung. Damit ist gemeint, wieviel Watt der
Verstärker bei kurzen Impulsspitzen abgeben kann.
Um zu zeigen, wie Hersteller Verstärkerleistungen in der Praxis schönrechnen,
habe ich hier ein kleines Beispiel gefunden:
Annahme:
Der Verstärker besitze eine Dauer-Sinusabgabeleistung (Effektivwert) von 50 W
an eine ohmsche Last von 8 Ω.
Marketing: Vielleicht wurde es ausprobiert, aber meistens nur geschätzt,
trotzdem wollen wir annehmen, dass der Verstärker 100 W bei nur einer einzigen
Periode eines 100-Hz-Tones, also lediglich 10 tausendstel Sekunden lang,
liefern kann. Und schwupps, schon kann man ihn als 100-W-Verstärker anpreisen.
Weil aber die Konkurrenz auch nicht schläft, muss man nachlegen, wobei man
anfängt, mit den rechnerischen Werten herumzujonglieren, die mit der Realität
allerdings nicht das Entfernteste zu tun haben: Wenn der Verstärker statt 8 nur
4 Ω treiben müsste, würde er doppelt soviel Strom und damit auch doppelt
soviel Leistung abgeben, auch wenn er das in der Realität vielleicht überhaupt
nicht kann. Wenn man ihn jetzt mit '200 W rechnerische
Impulsspitzenleistung bei 4 Ω' anpreist, hat man zwar keine
vernünftige Angabe gemacht aber noch nicht einmal gelogen.
Sollte das immer noch nicht reichen, machen wir aus dem 50-W-Lautsprecher auch
mühelos einen mit 400 W: Wir beziehen die Angabe einfach auf 2 Ω. Bisher
sind wir immer von sinusförmigen Signalen ausgegangen. Als letzten Trumpf
nehmen wir jetzt als Bewertungsmassstab ein rechteckförmiges Signal, das bei
gleichem Maximalwert einen um ca. Faktor 1,4 höheren Effektivwert besitzt.
Damit knacken wir auch die 500-W-Hürde und erreichen virtuell 560 W. Der
Verstärker ist immer noch ein 50-W-Verstärker geblieben, aber auf dem Papier
sieht es viel freundlicher aus.
Technische Daten und
Klang
Wenn
man sich nun in Prospekten umsieht, werden als technische Daten meistens als
Frequenzgang, Klirrfaktor, Dynamikbereich,
Dämpfungsfaktor und machmal auch die Slew-Rate angegeben. Dies sind jedoch
meist irrelevante Angaben. Die heutige Technik erlaubt es nämlich Verstärker zu
bauen, bei denen diese Angaben nicht wichtig sind, da sich diese Faktoren
klanglich so gut wie gar nicht auswirken.
Der Frequenzgang sollte im Hörbereich
(also zwischen 16 und 16000 Hz) linealglatt sein. Da es aber sehr leicht zu
realisieren ist, haben moderne Endverstärker meist einen höheren Frequenzgang.
Der Klirrfaktor ist in der Regel so
klein, dass es das menschliche Ohr gar nicht wahrnehmen kann. Unser Ohr nimmt
nämlich nur Klirrfaktoren über 1% auf.
Der Dynamikbereich wird in dB angegeben
und sollte natürlich so hoch als möglich sein. Er beschreibt, wie weit sich das
leiseste und das lauteste darstellbare Signal lautstärkenmässig unterscheiden.
Aus mehreren Gründen ist jedoch nicht mehr als 96 dB erforderlich, denn auch
der beste CD-Player liefert nicht mehr, denn mit 16Bit ist einfach nicht mehr
machbar. Ausserdem würden sich die Sinneshaare im Ohr knicken wenn die Lautstärke
bei Vollaussteuerung so hoch würde. Dies hätte dann grobe Ohrschäden zur Folge.
Hier noch ein kleines Beispiel: Auch bei ruhiger Umgebung können Töne mit 30 dB
vorhanden sein. Also muss man den Verstärker so weit aufdrehen, damit die
Nebengeräusche verschwinden, sprich auch auf mind. 30dB. Rechnet man aber
hierzu noch die 96 dB dazu, ergibt das 126 dB, und dies bringt nicht einmal ein Pressluftbohrer
(85db) hin. Wobei ein Unterschied von 10 dB eine Verdoppelung der Lautstärke
bedeutet.
Beim
Dämpfungsfaktor ist es sinnvoll wenn er hoch ist. Jedoch sollte er auch nicht
zu hoch sein, da sonst z.T. ziemlich verzerrte Töne aus den Lautsprechern
kommen.
Zum
Thema Slew-Rate habe ich ein Beispiel im Internet gefunden:
Die Slew-Rate ist ein Begriff, der in den
80er Jahren zusammen mit den TIM-Verzerrungen (Transient InterModulation)
in die HiFi-Technik Einzug hielt. Dieser in Volt pro Mikrosekunde angegebene
Wert besagt, wie schnell das Ausgangssignal Anderungen des Eingangssignals
folgen kann. Wie gross dieser Wert sein muss, hängt erstens von der maximal zu
übertragenden Frequenz und zweitens von der maximalen Ausgangsleistung des
Verstärkers ab. TIM-Verzerrungen entstehen, wenn bei einem grossen d.h. lauten
Signal die Flankensteilheit so gross ist, dass der Verstärker nur noch gerade
so eben folgen kann. Ein gleichzeitig vorhandenes, kleines Signal mit höherer
Frequenz wird dann nicht mehr ohne Verzerrungen übertragen. Im unteren Bild ist
dargestellt, wie sich 2 Signale mit unterschiedlicher Frequenz überlagern. Im
Summensignal ist rot gepunktet an den kritischen Stellen die Slew-Rate
dargestellt, an denen der Verstärker einfach nicht schneller kann und daher das
Signal verfälscht.
Das durch den Verstärker verfälschte
Signal ist in Bild 2 zu sehen. Das ursprüngliche Signal ist zum Vergleich
zusätzlich hellblau dargestellt. Man kann das verfälschte Signal in die beiden
Bestandteile zerlegen. Hierbei sieht man, dass das grosse Signal mit der
niedrigen Frequenz diesen Vorgang unbeschadet überstanden hat, das kleine
Signal mit der hohen Frequenz aber ziemlich demoliert aussieht und daher auch
anders klingt als das Ausgangssignal. Wie man sieht, verschwindet das kleine
Signal sogar vollständig, solange der Verstärker hinsichtlich der
Anstiegsgeschwindigkeit überfordert ist. Entsprechend sind die Auswirkungen auf
den Klang. Aufgrund von Überdeckungseffekten bei der Wahrnehmung sind diese
Auswirkungen in klanglicher Hinsicht jedoch deutlich kleiner, als es jetzt
vielleicht den Anschein hat.
Funktionsprinzip eines
Endverstärkers
Jetzt möchte ich gerne etwas ins Detail gehen,
und einen Endverstärker in seinem Funktionsprinzip beschreiben.
Es gibt zwar viele Bauweisen, doch werden
die heutigen Verstärker meist nach folgendem Prinzip gebaut, welches im unteren
Bild dargestellt ist. Eine der ganz wesentlichen Eigenschaften von Verstärkern
ist die Eingangsstufe. Als Eingangsstufe dient hier ein doppelter
Differenzverstärker, welcher einen sehr hohen Eingangswiderstand besitzt.
Positive und negative Singnalanteile werden aufgrund von absolut symetrischer
Auslegung völlig gleich behandelt. Ein extrem kleiner Klirrfaktor entsteht
dadurch, dass sich geringe Restverzerrungen durch diese Schaltung zum grössten
Teil aufheben. Die beiden Treiberstufen sind an deren Ausgängen angeschlossen,
welche den Strom soweit erhöhen, damit die Endstufentransistoren angesteuert
werden können. Hierbei werden die verschiedensten Transistoren verwendet, z.B.
bipolare (wie im Bild), MOS-FET oder IGBT. Alle besitzen ihre Vor- und
Nachteile, bei angepasster Schaltungsauslegung sind aber alle genau gleichwertig.
npn-Transistoren & Kollektor
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Die blau gefärbten Transistoren sind die
Eingangsstufe und werden als Differenzverstärker eingesetzt. Sie sind in einer
symetrischen Form angelegt. Die 2 oberen npn-Transistoren stellen das
verstärkte Ausgangssignal dem Kollektor des rechten Transistors zur Verfügung,
da sie auf einer Stromquelle arbeiten. Der untere Differenzverstärker ist aber
mit pnp-Transistoren bestückt und arbeitet genau anders herum.
Differenzverstärker besitzen naturgemäss 2 gleichberechtigte Eingänge. An den
einen Eingang schliesst man das Eingangssignal und an den anderen über einen
Spannungsteiler das Ausgangssignal der kompletten Endstufe an. Wie der Name
Differenzverstärker schon andeutet, verstärkt er nur die Spannungsdifferenz an
den beiden Eingängen: Egal ob man an beide Eingänge gleichzeitig 1 V oder 5 V
anlegt, ist die Ausgangsspannung immer 0 V. Wenn man aber an den einen Eingang
1 V anlegt und an den anderen 1,001 V, so wird die Differenz von 0,001 V sehr
stark verstärkt.
Aber für was genau ist das gut? Nun, man kann damit
das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal vergleichen. Selbst kleinste
Abweichungen werden extrem hoch verstärkt und sorgen dafür, dass das
Ausgangssignal so korrigiert wird, dass die Differenz Null ist.
Nicht zu vergesse ist die Treiberstufe (rosa), wobei die beiden Treiberstufen
(oben und unten) als Emitterschaltung arbeiten, d.h. das jeweilige
Ausgangssignal der beiden Differenzverstärker weiter verstärken. Der gelbe Transistor, der als Spannungs-
offset arbeitet und dafür sorgt, dass die beiden Ausgangssignale, die an die
Endstufentransistoren gelangen, einen kleinen Pegelversatz besitzen. Dieser ist
erforderlich, um den Ruhestrom des Verstärkers einzustellen. Dieser darf aber
nicht Null sein, wegen möglichen Verzerrungen. Die roten Endstufentransistoren,
bei denen der obere für die positiven Ausgangsspannungen und der untere für die
negativen Ausgangsspannungen zuständig ist, beginnen nämlich erst ab einer
Eingangsspannung von ungefähr 0,7 V zu leiten. Daher hätte man ohne diese
Massnahme im Bereich von -0,7 bis +0,7 V eine tote Zone, die auch der
Differenzenverstärker nicht mehr gut glattbügeln kann.
Die Endstufentransistoren besitzen eine
grosse Stromverstärkung. Ihre Strombelastbarkeit bestimmt, wieviel Strom man
bei einer bestimmten Ausgangsspannung einem Endverstärker entnehmen kann. Damit
ein Transistor bei zu hohen Entnahmeströmen (z.B. bei einem Kurzschluss) nicht
kaputt geht, ist mit den grünen Transistoren und den Widerständen in der
Emitterleitung der Endstufentransistoren eine Strombegrenzung: Bei zu hohen
Strömen ziehen sie dem jeweiligen Endstufentransistoren einfach die
Eingangsspannung soweit weg, dass der Ausgangsstrom nicht weiter ansteigt.
Nun noch zum Tiefpassfilter am Eingang des Verstärkers. Er sorgt dafür, dass
Frequenzen vom Verstärker ferngehalten werden, die er nicht richtig verarbeiten
kann (aufgrund der Slew-Rate). Üblicherweise liegt die Eckfrequenz weit über
dem Hörbereich und beträgt oft ca. 50 bis 100 kHz. Auswirkungen auf den Klang
sind dadurch in nicht zu befürchten, da die wenigsten Menschen Töne von z.B. 16
kHz überhaupt noch hören können.
Röhrenverstärker
Gleich
zu Anfang: Röhrenverstärker sind in jeder Beziehung schlechter als
Transistorenverstärker!! Röhrenverstärker sind aber ein gutes Beispiel um zu
zeigen, wie schlecht ein Verstärker sein kann ohne dass man es klanglich
wahrgenommen wird.
Wie schon gesagt können Röhrenverstärker alles nur schlechter als
Transistorenverstärker. Sie haben einen geringeren Dynamikumfang, einen
deutlich höheren Klirrfaktor, eine niedrigere Slew-Rate, ein sehr deutlich
geringeres Stromliefervermögen, einen bei weitem nicht so glatten Frequenzgang
und einen ganz erheblich höheren Ausgangswiderstand. Oder z.B. der Dämpfungsfaktor: Bei einem
Röhrenverstärker liegt der nicht selten unter 5, wobei dieser bei einem guten
Transistorverstärkr von 200 - 1000 gehen kann!!
Röhrenverstärker
eignen sich kurz gesagt nicht sehr gut für HiFi, da sie den Klang oft nicht
realitätsgetreu verstärken, was aber eigentlich das Ziel von HiFi (High
Fidelity = hohe Klangtreue) ist. Sie eignen sich aber z.B. sehr gut als
E-Gitarren-Verstärker, da der Klang absichtlich über den übersteuerten Klang
erzeugt wird.
Fazit:
Wer nicht selber eine E-Gitarre oder sonst ein Instrument spielt: Hände weg vom
Röhrenverstärker!
Hier
noch ein Bild eines Röhrenverstärkers:
Schlussbericht
Kurzaussage
Mir
hat das Schreiben dieser Arbeit auch privat etwas gebracht. Da ich in letzter
Zeit viel mit diesen Geräten zu tun hatte, bin ich froh dass ich jetzt auch
mehr über das Innenleben von Verstärkern weiss. Jetzt weiss ich z.B. dass Händler
oft mit Wattangaben schummeln, dass die in den Prospekten angegeben Werte zum
Teil völlig unbrauchbar sind, welche Faktoren beim Kauf wirklich eine Rolle
spielen und und und. Und falls wir demnächst einen neuen Verstärker benötigen,
weiss ich worauf es wirklich ankommt. Denn früher wäre auch für mich die
Wattangabe wohl das Wichtigste gewesen.
Quellenangabe
https://www.ccinfo.de/technik/audio/
https://www.tessendorf.de
https://home.t-online.de/home/tessendorf/highend.htm
Persönliche Danksagung an Markus Rempfler für seine Informationen.
