Leistung

PMPO-Leistung: Dies ist eine vom Marketing erfundene Bezeichnung für eine rein theoretische Leistung und wird ausschließlich für den Wettbewerb eingesetzt. Es gibt keine fest definierte Rechenregel für diese Angabe und wird von Hersteller zu Hersteller verschieden “ermittelt” und “berechnet”.

Peak-Leistung: Dies ist die Ausgangsleistung, die ein Verstärker für einen sehr kurzen Moment ausgeben kann. Wie lange ist nicht definiert, es liegt meist im Bereich eines sogenannten “Paukenschlags”. Der Grund für die kurzzeitig höhere Leistung ist die Leerlaufspannung im Netzteil des Verstärkers, welche bei Belastung auf eine geringere Spannung abfällt. Ist die Peak-Leistung deutlich größer als die Sinus- bzw. RMS-Leistung, zeugt dies von einem schwach dimensionierten Netzteil, da die Spannung bei Belastung sehr stark einbricht.

Musik-Leistung: Dies ist die max. Leistung bei der Spitze einer Sinuswelle und wird nur einmalig pro Sinushalbwelle kurzzeitig erreicht. Sie entspricht außerdem der Sinus-Leistung wenn das Ausgangssignal ein perfektes Rechtecksignal ist.

RMS-Leistung: Dies ist die beste Angabe um einen Eindruck über die Leistung eines Verstärkers zu bekommen. Sie wird ähnlich wie die Sinus-Leistung ermittelt, allerdings wird nicht ein sinusförmiges Signal mit fester Frequenz, sondern ein weißes Rauschen, welches alle hörbaren Frequenzen beinhaltet, verwendet.

Tatsächliche Leistung: Diese ist nur vor Ort messbar und von dem Verhältnis aus Wirk- und Scheinwiderstand abhängig welche wiederum von Verkabelung, Lautsprecher und Frequenz abhängig sind. Die tatsächliche Leistung ist immer etwas geringer als die RMS-Leistung, da bei einem echten Lautsprecher ein hoher induktiver Anteil vorliegt, welcher für eine Phasenverschiebung von Spannung und Strom sorgt, welche auch als Leistungsfaktor bzw. Cosinus Phi bekannt ist.

Wie viel Leistung brauche ich? Das kommt natürlich auf die Anwendung an, für ein normales Wohnzimmer ist 1W mehr als ausreichend und sorgt je nach Lautsprecher für 80 bis 90 dB, was etwa so laut ist wie ein Presslufthammer oder eine Autohupe. Für eine Erhöhung der Lautstärke um 3dB, muss die Leistung verdoppelt, und für 10dB, verzehnfacht werden.

Verzerrung

Verzerrungsfaktor / Klirrfaktor / THD: Der Verzerrungsfaktor / Klirrfaktor oder auch THD (Total Harmonic Distortion) gibt an, wie stark ein sinusförmiges Signal durch einen Verstärker verändert wird. Die Verzerrung entsteht durch Unlinearitäten der Halbleiter im Verstärker und ist auch von deren Verschaltung (Klasse) und Bauteilen abhängig. Die THD wird über den prozentualen Anteil der ganzzahligen harmonischen Oberschwingungen errechnet, welche wiederum durch eine FFT (Fast Fourier Transformation) ermittelt werden. Das verwendete Signal ist ein 1kHz Sinus. Im Endeffekt ist es die Angabe, wie gut sich ein Ton am Ausgang anhört und wie viel prozentualer Fehler zum Signal hinzugefügt wurde, bei einer THD von unter 0,1% kann selbst ein geschultes Gehör fast bis gar keinen Unterschied mehr feststellen.

Frequenz

Frequenzgang: Da ein Audio-Verstärker Musik verstärken muss und diese aus vielen Frequenzen besteht, benötigt er eine gewisse Bandbreite. Diese ist oft mit 20Hz bis 20kHz angegeben, was dem Hörbereich des Menschen entspricht. Die Angabe ist allerdings nur sinnvoll, wenn Grenzen (in -dB) angegeben sind. Denn auch wenn der Bereich nur bis 20Hz angegeben ist, wird er bei 10Hz trotzdem noch funktionieren, das Signal wird nur gedämpft. Ohne Grenzwerte könnte jeder Hersteller einen Frequenzbereich von 1Hz bis 1GHz auf jeden Verstärker angeben, bei 1GHz ist dann einfach eine Dämpfung von zB. -80dB vorhanden. Sinnvolle Grenzen für die Dämpfung sind etwa 1dB bis 3dB, ab hier ist eine Lautstärkeänderung hörbar.

Anstiegsgeschwindigkeit

Slew Rate: Die Slew Rate, zu deutsch Anstiegsgeschwindigkeit, angegeben in V/µs (Volt pro Mikrosekunde), gibt an, wie schnell das Ausgangssignal dem Eingangssignal folgen kann. Wird beispielsweise eine sofortige Änderung des Eingangssignals von 0 auf 100mV angelegt, so benötigt der Ausgang eine gewisse Zeit um auf entsprechende Spannung anzusteigen, zB. bei einer Slew Rate von 10V/µs und einem Signalwechsel von 0V auf 30V am Ausgang, vergeht eine Zeit von 3µs.

Die Slew Rate ist eng mit der Bandbreite des Verstärkers verknüpft, je schneller das Signal steigen und fallen kann, desto höher ist auch die maximal mögliche Frequenz.

Rauschen

Rauschabstand / S/N / SNR: Der Rauschabstand, oder auch S/R (Signal / Noise) bzw. SNR (Signal Noise Ratio) beschreibt, wie laut das natürliche Rauschen, welches bedingt durch die interne Halbleitertechnik entsteht, im Vergleich zum Nutzsignal, also dem Musiksignal ist. Geht man nahe an einen Lautsprecher heran, ist dieses weiße Rauschen meist sehr leise hörbar. Je größer der Rauschabstand, desto leiser das Rauschen. Vor allem bei klassischer Musik, wenn eine Pause eintritt und keine Instrumente spielen kann ein zu lautes Rauschen den Musikgenuss zerstören, da man erinnert wird, dass man nur eine Replikation eines Konzerts erlebt.

Die Verstärkerklassen

In der Audiotechnik werden bedingt durch die große Bandbreite und die hohe Signalanforderung die Klassen A, AB, B, D, G und H eingesetzt. Andere Klassen sind für Audiozwecke ungeeignet. Ich möchte mich hier nur mit den Klassen A, B, AB und D befassen. Die Unterschiede liegen in der Schaltungsart des Verstärker und haben unterschiedliche Eigenschaften.

Klasse A

Ein echter Klasse A Verstärker besitzt am Ausgang ein Halbleiterbauelement, welches das gesamte Signal verstärkt. Er besitzt dadurch den Vorteil, einen sehr geringen Klirrfaktor zu erzeugen und keine Übergangsverzerrung im Nulldurchgang zu bilden. Der Ruhestrom im Verstärker ist genau doppelt so groß, wie der maximale Ausgangsstrom zum Lautsprecher. Manchmal wird auch anstelle des Widerstandes eine Konstantstromquelle verwendet. Dadurch ist der Ruhestrom genau so groß wie der maximale Ausgangsstrom. Die Verlustleistung ist am größten, wenn kein Signal anliegt. Ein großer Nachteil ist der sehr geringe Wirkungsgrad, welcher mit Widerstand bei max. 6,25% und mit einer Stromquelle bei max. 25% liegt. Aus diesem Grund werden Klasse A Verstärker hauptsächlich für sehr kleine Leistungen, meist in Vorverstärkern, eingesetzt.

Klasse B

Diese werden meist für sehr hohe Leistungen eingesetzt. Der Ausgang besteht hier aus 2 Transistoren. Einer für die positive und einer für die negative Halbwelle des Signals. Außerdem fließt bei dieser Anordnung kein Ruhestrom. Ein großer
Vorteil ist daher der relativ hohe Wirkungsgrad von max. 70,7%. Allerdings treten genau deshalb Übergangsverzerrungen im Nulldurchgang auf, in der Phase, bei der das Signal von einem zum anderen Transistor “übergeben” wird. Ein Differenzverstärker ist daher in einem Klasse B Verstärker unvermeidlich.

Klasse AB

Wie der Name vermuten lässt, ist dies eine Zusammensetzung aus Klasse A und B und verbindet beide Vorteile, es ist außerdem die am weitesten verbreitete Verstärkertechnik. Der Ausgang besteht wie bei Klasse B aus 2 Transistoren,
jedoch fließt ein kontrollierter und geringer Ruhestrom durch diese, wodurch Übergangsverzerrungen auf ein minimum reduziert werden. Dennoch besitzt er einen Wirkungsgrad von etwa 60% bis 70%. Aus diesem Grund wird er auch so häufig eingesetzt. Um den durch Erwärmung bedingten Drift des Ruhestroms zu kompensieren, sind Widerstände an den Emittern des Transistoren nötig. Der Ruhestrom wird über eine feste Spannungsdifferenz an den Basen der Transistoren eingestellt.

Klasse D

Fälschlicherweise gerne als “Digitale Endstufe” bezeichnet, funktioniert eine Klasse D Endstufe ganz anders als die üblichen Klasse A / B Endstufen. Die Schaltungsart ähnelt eher einem Schaltnetzteil bzw. einem Spannungswandler (Step Down Wandler), welcher seine Ausgangsspannung sehr schnell ändern kann, so schnell, dass er ein Musiksignal wiedergeben kann.
Durch diese Schaltnetzteil ähnliche Schaltung kann er auch sehr hohe Wirkungsgrade erzielen, bis zu 95% und mehr sind möglich. Allerdings wurde das Musiksignal komplett in eine PWM (Puls-Weiten-Modulation) zerhackt und durch einen Tiefpass, bestehen aus Spule und Kondensator, geleitet, was die Klangqualität stark beeinflusst. Aus diesem Grund finden Klasse D Verstärker hauptsächlich in der PA-Technik Verwendung, bei der es nicht um perfekte Klangqualität, sondern um extrem hohe Ausgangsleistungen geht.

Differenzverstärker / Operationsverstärker

Ein Operationsverstärker, kurz OP, wird in der Analogtechnik häufig für Signalverarbeitungen verwendet und kann durch unterschiedliche Verschaltungen sehr vielseitig eingesetzt werden. Ganz einfach formuliert: Der OP verstärkt die Spannungsdifferenz an den beiden Eingängen IN+ (nicht invertierender Eingang) und IN- (invertierender Eingang) und gibt sie am Ausgang als verstärkten Absolutwert aus. Die Verstärkung ist hierbei extrem hoch, in der Theorie wird mit einer unendlich hohen Verstärkung gerechnet, in echt bewegt sie sich im Millionen- bis Milliarden-Bereich.

Der OP wird normalerweise so verschaltet, das er mit seinem Ausgang auf den invertierenden Eingang zurückwirkt. Dadurch lässt sich mit einem einfachen Spannungsteiler eine feste Verstärkung einstellen und die Spannungsdifferenz an den Eingängen wird vom OP Ausgang immer auf Null geregelt. Dadurch können auch ungewollte Übergänge, wie in Klasse B, kompensiert werden, da der OP solange die Spannung erhöht bzw. verringert, bis die Differenz seiner Eingänge auf Null ist.

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