Verstärkertechnik in der Audiowelt Teil 5/5

Die wohl am heißesten diskutierte Messgröße bei Audiogeräten ist der Klirrfaktor. Was verbirgt sich eigentlich dahinter? Nun, es gibt unterschiedliche Arten von Störgrößen, die bei der Verstärkung oder der sonstigen Bearbeitung eines Audiosignals in der Elektronik oder im digitalen Verarbeitungsprozess auftreten können:

1. Einwirkung von Brummspannungen vom Netzteil

2. Reste von digitalen Takten

3. Nichtlinearitäten von Bauteilen (insbesondere von Transistoren)

4. Übersteuerung

Abgesehen von den Resten digitaler Takte sind alle anderen Effekte stark von der Signalgröße, der Signalfrequenz sowie vom Ausgangsstrom und der Lastimpedanz des zu messenden Gerätes abhängig. Somit ist eine schlichte Angabe eines Klirrfaktors für ein Gerät nichts sagend. Weiterhin gibt es unterschiedliche Arten von Verzerrungen. Die wohl bekannteste und meist angegebene Verzerrungsgröße ist die „harmonische Verzerrung“, auch THD (Total Harmonic Distortion) genannt. Messtechnisch wird diese Größe durch Messung der Oberwellen bei einer festen Frequenz ermittelt und in % auf die Signalgröße gerechnet. Das heißt, es wird ein Sinussignal an den Verstärker angelegt, dieser belastet und dessen Ausgangssignal bewertet. Ja, wie eigentlich? Genau, wie eigentlich! Wir können zum einen nur mit einem Sinussignal einer festen Frequenz messen (meist wird 1 kHz verwendet), wir können natürlich auch über ein breites Frequenzband von 10 Hz bis 100 kHz messen. – Und wir werden sicher sehr unterschiedliche Mess-Ergebnisse erhalten, sprich: Es wird durchaus Geräte geben, die sich bei 20 Hz anders verhalten als bei 2 kHz. Denken wir nur einmal an einen Röhrenverstärker mit Ausgangsübertrager. Viele Übertrager zeigen sicherlich bei 20 Hz deutliche Ver zerrungen durch die bei niedrigen Frequenzen auftretende Kernsättigung. Große hochwertige Kerne kosten viel Geld, deshalb wird hier gerne gespart, und das kann man sehr leicht messen. Gut – die Frequenz spielt auch eine wichtige Rolle. Wie sieht es mit der Signalgröße aus? Nun, es ist ebenso eine sehr wichtige Größe, über welcher der Klirrfaktor variiert. Es spielt eine wesentliche Rolle, ob man einen Verstärker bei Vollpegel oder bei -20 dB betreibt.

Der Klirrfaktor ist abhängig von der Frequenz und vom Pegel des Ausgangssignals und dazu noch von der Impedanz der am zu messenden Ausgang angeschlossenen elektrischen Belastung. Weiterhin spielt bei Leistungsverstärkern die Netzspannung eine entscheidende Rolle, da deren Höhe die maximale Ausgangsleistung beeinflusst. Eine korrekte Klirrfaktorangabe eines Verstärkers muss also wie folgt aussehen:

Max. 0,1 % THD+N
bei 2 x 1000 W an 4 Ω reell,
beide Kanäle belastet 20 Hz...20 kHz
Netzspannung 230 V

Max. 0,005 % THD+N
bei 2 x 100 W an 4 Ω reell,
beide Kanäle belastet 1 kHz
Netzspannung 230 V

Unter THD+N (Total Harmonic Distortion plus Noise) versteht man die genaue Definition des Messwerts, wie er mit einem Standard-Klirrfaktormessgerät gemessen wird. Bei diesen Messgeräten wird nur die Messfrequenz, mit der das zu messende Gerät beaufschlagt wird, herausgefiltert, und es werden sämtliche gemessenen Rest spannungen bewertet. Das heißt, Reste vom Netzbrumm sowie das Rauschen der Elektronik werden mit bewertet, deshalb +N (plus Geräusch). Ausschließlich THD wird selten angegeben und kann nur mit digitalen Audio-Analysern oder Spektrum- Analysern ermittelt werden.

Was passiert nun bei einem idealen Impuls? Die extrem schnelle Eingangsstufe lässt ihn mit leicht verringerter Flankensteilheit durch, die Spannungsverstärkerstufen und die nachfolgende Leistungsstufe verschleifen die Flanken des Impulses deutlich. Dies erkennt die sehr schnelle Eingangsstufe sofort über die Gegenkopplung und regelt nach, um das Verschleifen der Impulsflanken zu verhindern. Haben die vorgeschalteten Verstärkerstufen nicht genügend Aussteuerungsreserven, um diesen Ausregelvorgang durchzuführen, kommt es zum Übersteuern der Vorstufe(n). Weiterhin kann das schnelle Reagieren der Verstärkerstufen und der Gegenkoppelung Klingeleffekte in den langsamen Verstärkerstufen auslösen. Diese Effekte können durch die DIM/TIM-Messung aufgedeckt werden. Die Twin-Tone- Mes sungen SMPTE und CCIF bewerten vorwiegend die Seitenbänder, die durch Oberwellengemische der harmonischen Verzerrungen entstehen. Bei modernen Transistorverstärkern sind diese Messungen uninteressant, da diese Art der Verzerrung sehr gering ausfällt und keine Auswirkung auf den Klang eines Systems hat. Die Intermodulationsverzerrungen werden über dem Pegel an einer bestimmten Last gemessen. Die korrekte Angabe der Intermodulationsverzerrungen könnte wie folgt aussehen:

Max. 0,03 % TID
bei 2 x 1000 W an 4 Ω reell,
beide Kanäle belastet DIM100
Netzspannung 230 V

Max. 0,001 % TID
bei 2 x 100 W an 4 Ω reell,
beide Kanäle belastet DIM100
Netzspannung 230 V

Die tollsten Leistungsangaben findet man bei Low-Cost-Produkten im Car- und Home-Entertainment sowie bei aktiven Computerlautsprechern. Da werden kleine Aktivboxen für den PC mit sagenhaften 120 W angeboten, die zusammen nicht einmal 1 kg wiegen und keine 20 Euro kosten. Ist das Betrug? – Tja, so darf man das nicht sehen. Wie kommen denn die 120 W zu Stande, sollte man fragen. In der Betriebs anleitung steht gelegentlich eine etwas genauere Angabe, die die Leistung etwas näher beschreibt:

2 x 5 W Sinus, 2 x 60 W Musik

Na ja, schon besser, aber was bedeutet „5 W Sinus“ und „60 W Musik“? Lassen wir dieses Versteckspielchen. Es gibt 2 aussagekräftige Leistungsangaben: die Dauerleistung und die Impuls- oder Musikleistung. Die Dauerleistung ist die maximal abgegebene Leistung eines Verstärkers im eingeschwungenen Zustand unter Abgabe eines Sinussignals an eine definierte Last bei einer festen Netzspannung und einem maximal zulässigen Klirrfaktor, z. B. 1 %. Bei der Dauerleistung muss allerdings die maximal zulässige Abgabedauer für diese Leistungsangabe angegeben werden, um eine exakte Aussage zu treffen. Der Grund ist folgender: Es gibt unterschiedliche Verstärker für unterschiedliche Belastungsarten, und diese sind sehr unterschiedlich dimensioniert, was das Netzteil, die Leistungsstufe und die Kühlung betrifft. So wird ein Großserien- Hi-Fi-Verstärker, unabhängig von seiner max. Ausgangsleistung, auf die Dauerleistung bei kräftiger Zimmerlautstärke an einem Standardlautsprecher ausgelegt. Das heißt auch noch, er muss nach DIN die maximal mögliche (abhängig von der max. Ausgangsspannung an der Nennlast) Dauerleistung nur 10 Minuten ohne Beschädigung und Abschaltung aushalten. Noch extremer sieht es bei den Hochleistungsverstärkern für die Großbeschallung aus. Manche dieser Geräte können einen Sinusdauerton bei Maximalleistung nur einige Sekunden abgeben bis die Überlastabschaltung oder eine massive Leistungsreduzierung erfolgt. Ähnliches gilt für die Leistungsverstärker im Car-Hi-Fi-Bereich. Bei Car-Hi-Fi-Geräten wird vorwiegend aus Platzgründen auf eine für Dauerleistung notwendige Kühlung verzichtet. Die Geräte sind für ihre Abgabeleistungen sehr flach und kompakt gebaut. Ein Verstärker für Rufanlagen und Notfallwarnsysteme in Gebäuden muss dagegen auf die zeitlich unbegrenzte Abgabe der angegebenen Dauerleistung ausgelegt werden, um Warnsignale unbegrenzt und dauernd wiedergeben zu können.

Bei der Musikleistung macht man sich das dynamische Verhalten des Netzteils zu Nutze. Leistungsverstärker werden vorwiegend mit unstabilisierten Standardnetzteilen mit Trafo, Gleichrichter und Siebelkos oder mit ungeregelten (frei laufenden) Schaltnetzteilen betrieben. Diese stellen im Leerlauf eine höhere Betriebsspannung zur Verfügung als unter Voll-Last. Durch die meist sehr hohen Siebkapazitäten sind diese Netzteile aber in der Lage, kurzzeitig hohe Ströme mit der Leerlaufspannung abzugeben. Dadurch ist der Verstärker kurzzeitig in der Lage, eine in Bezug auf die Dauerleistung deutlich höhere Spitzenleistung abzugeben. Abhängig von der „Nachgiebigkeit“ des Netzteils in Bezug auf die Dauer des bewerteten Signals fällt diese Spitzenleistung unterschiedlich hoch aus. Da haben wir es! Wir brauchen also nur ein weiches Netzteil und ein sehr kurzes Bewertungssignal, und schon bekommen wir bei einer geringen möglichen Dauerleistung eine hohe Musikleistung. Wenn wir diese dann noch bei Maximalverzerrung messen (also mit Rechtecksignalen am Ausgang), dann kommt ein richtig schöner, großer Wert für die Musikleistung zusammen. Lachen Sie nicht, das wird leider in dieser Form praktiziert. Man kann es auch noch weiter treiben, indem man die Ausgangsspannung an 16 Ω misst und auf 4 Ω umrechnet. Ach ja, auch die Netzspannung ist natürlich noch eine Möglichkeit, den Messwert nach oben zu beeinflussen. Wie wir sehen, sind auch bei der Leistungs angabe die Möglichkeiten der Schönfärberei gigantisch. Wie aus den Klirrfaktorangaben schon ähnlich bekannt, sieht eine korrekte Leistungsangabe wie folgt aus:

2 x 1600 W Sinus
bei 1 % THD+N min. 1 Minute
an je 2 Ω reell,
beide Kanäle belastet 20 Hz...20 kHz
Netzspannung 230 V

2 x 1000 W Sinus
bei 1 % THD+N min. 10 Minuten
an je 4 Ω reell,
beide Kanäle belastet 20 Hz...20 kHz
Netzspannung 230 V

2 x 600 W Sinus
bei 1 % THD+N min. 60 Minuten
an je 8 Ω reell,
beide Kanäle belastet 20 Hz...20 kHz
Netzspannung 230 V

2 x 1800 W Impulsleistung (10 ms/1 s)
an je 4 Ω reell,
beide Kanäle belastet 1 kHz Burst
Netzspannung 230 V

2 x 2200 W Impulsleistung (10 ms/1 s)
an je 2 Ω reell,
beide Kanäle belastet 1 kHz Burst
Netzspannung 230 V

Der Frequenzbereich ist bei der Leistungsangabe von Verstärkern nicht mehr so wichtig, da der Frequenzgang moderner Geräte weit über den Hörbereich hinaus geht und die Ausgangsleistung über diesen Bereich konstant bleibt. Eine Ausnahme bilden hier eigentlich nur Röhrenverstärker und ELA-Verstärker für Rufanlagen und Notfallwarnsysteme, da diese Geräte meist einen Ausgangsübertrager besitzen.

Quellen:
Audio Measurement Handbook
Audio Precision, Inc.
Bob Metzler