Physik-Arbeit

Der HiFi-Verstärker

Funktionsweise und Eigenschaften des HiFi-Verstärkers

Inhaltsverzeichnis

Einleitung 3

Wieso ich dieses Thema gewählt habe 3

Verwendungsbereiche von HiFi-Verstärkern 4

Vorverstärker 4

Endverstärker 4

Watt ist nicht gleich Watt 4

Technische Daten und Klang 4

Funktionsprinzip eines Endverstärkers 4

Röhrenverstärker 4

Schlussbericht 4

Tagebuch 4

Einleitung

Wieso ich dieses Thema gewählt habe

GND

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

Frequenzgang- entzerrung

Phono

Vollverstärker

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.

Verkopplung

Endverstärker

Leistungsabgabe

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

Sinus-Dauerleistung &

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:

Ohmsche Last

Effektivwert

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.

Frequenzgang

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.

Dynamikbereich

Klirrfaktor

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.

Dämpfungsfaktor

Vollaussteuerung

Sinneshaare

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:

Flankenteilheit

TIM-Verzerrungen

Slew-Rate

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.

Anstiegsgeschwin-digkeit

Überdeckungs-effekte

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.

Endstufen-transistoren

Treiberstufen

Restverzerrungen

Einganswiderstand

Differenzverstärker

Eingangsstufe

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.

pnp-Transistoren

Spannungsteiler

npn-Transistoren & Kollektor

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.

Endstufen-transistoren

Ruhestrom

Pegelversatz

Spannungsoffset

Emitterschaltung

Treiberstufe

Ausgangs-spannung

Spannungs-differenz

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.

Eckfrequenz

Tiefpassfilter

Emitterleitung

Entnahmeströme

Stromverstärkung

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.

Tagebuch

Hier die Übersicht wie ich meine Arbeit vorbereitet und realisiert habe.

Ich suchte im Internet nach geeigneten Websites und schrieb sie mir auf.

Mit einem Kollegen (Markus Rempfler), welcher sich in HiFi-Sachen auskennt, setzte ich mich zusammen und er erklärte mir einige Dinge über Verstärker.

Ich begann dann auch mit dem Schreiben der Arbeit. Ich machte vor allem die Einleitung.

Mit den Infos aus dem Internet konnte ich beginnen Allgemeines über Verstärker zu schreiben (Einsatzgebiete etc.).

Ich schrieb den Teil über den Vorverstärker.

Ich fing mit dem Teil über den Endverstärker an.

Ich wurde mit dem Endverstärker-Teil fertig.

Ich schrieb den Teil über den Röhrenverstärker.

Ich schrieb den Schlussbericht.

Ich schrieb dieses Tagebuch. Druckte die Arbeit aus