Basiswissen: Verstärker

Grundsätzlich: Verstärker (oft auch Endstufen genannt), verstärken ein Audiosignal so, dass aus den Lautsprechern der gewünschte Pegel abgegeben wird. Das Audiosignal stammt dabei in der Regel aus einem Mischpult, in dem es vorab bearbeitet wurde oder einem Zuspieler wie z.B. einem CD-Player, Computer.

Ein Verstärker wandelt Leistung in ein Audiosignal. Dabei soll das zur Ansteuerung benutzte Audiosignal nur grösser aber sonst nicht verändert werden.

Grund dafür ist die Komplexität des Lautsprechers. Ein Lautsprecher besteht (ähnlich wie ein dynamisches Mikrofon) aus Magnet, Schwingspule und Membran. Die Schwingspule ist im Magnetfeld montiert und wird, wenn vom Strom des Verstärkers durchflossen, ausgelenkt. Die fest mit der Schwingspule verbundene Membran bewegt dann die Luft und erzeugt so den Schalldruck. Durch die Gewichte von Membran und Spule und durch den elektrischen Widerstand der Schwingspule braucht man sehr viel Leistung um hohe Schalldrücke zu erzeugen. Zudem sorgt die Massenträgheit und Wechselwirkungen des Lautsprechers mit der Luft dafür, dass die Impedanz (=Frequenzabhängiger Widerstand) des Lautsprechers über den Frequenzbereich nicht konstant ist.

Die Nenn-Impedanz eines Lautsprechers beträgt typischerweise 4 oder 8 Ohm. Bei 8 Ohm Impedanz (R) muss ein Verstärker eine Spannung (U) von 8Volt erzeugen, damit ein Strom (I) von einem Amper fließt (U=R*I), was einer Leistung (P) von 8 Watt entspricht (P=U*I).

Durch die oben genannten Effekte ist die Impedanz leider nicht konstant, sie kann sich bei einem 8 Ohm Lautsprecher zwischen etwa 4 – 20 Ohm bewegen. Verstärker müssen daher mit reichlich Reserve ausgestattet sein um mit diesen Schwankungen zurecht zu kommen.

Ausgangsleistung eines Verstärkers

Die Ausgangsleistung des Verstärkers bestimmt unter anderem die erzielbare Lautstärke. Die Empfindlichkeit des verwendeten Lautsprechers, angegeben in dB/Watt in 1 Meter Abstand, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle, dazu aber an anderer Stelle mehr. Ein Verstärker mit 200 W an einem 8 Ohm Lautsprecher, schickt 40 Volt Spannung an den Lautsprecher, was in einem Ausgangsstrom von 5 Ampere resultiert (I = U/R). Umgekehrt ergeben 40 Volt mal 5 Ampere die Ausgangsleistung von 200 Watt (P = U*I).

Wenn wir jetzt die Auslenkung der Membran verdoppeln wollen, müssen wir den Strom ebenfalls verdoppeln, also von 5 auf 10 Ampere. Da die Impedanz des Lautsprechers immer noch 8 Ohm beträgt, müssen wir dazu die doppelte Spannung, also 80 Volt anlegen. Berechnen wir jetzt die Ausgangsleistung des Verstärkers kommen wir auf 80 V * 10 A = 800 W, also eine Vervierfachung! Es ist also nicht verwunderlich, dass große Beschallungsanlagen Verstärker mit zum Teil mehreren kW Leistung benötigen.

Leistungsgrenzen eines Verstärkers

Die Leistung, die ein Verstärker abgeben kann ist begrenzt. So kann z.B. die Spannung, die ein Verstärker abgeben kann, maximal so hoch sein wie die Spannung die das Netzteil abgeben kann. Wenn versucht wird diese Leistung zu überschreiten, wird das Signal abgeschnitten (wobei Verstärker heutzutage Schutzschaltungen haben die ein überschreiten verhindern). Dieses sogenannte „Clipping“ führt zu dem typisch verzerrten Klang einer übersteuerten Endstufe. Netzteile mit höheren Spannungen und Leistungen sind technisch kein Problem, erhöhen aber Kosten und Gewicht der Endstufen. Irgendwann kommt auch die maximale Leistung, die z.B. eine Steckdose abgeben kann (230V/16A) zum Tragen.

Die minimal zulässige Impedanz ist eine weitere, wichtige Kenngröße des Verstärkers. Sie sollte kleiner oder gleich der Impedanz der angeschlossenen Lautsprecher sein. Je niedriger die Impedanz der angeschlossenen Lautsprecher ist desto höher ist der Strom und damit auch die Leistung die vom Verstärker geliefert werden muss. Besonders aufpassen sollte man daher, wenn man mehrere Lautsprecher an einen Verstärkerkanal anschließt. Schaltet man die Lautsprecher parallel verringert sich die Impedanz erheblich. Zwei 8 Ohm Lautsprecher parallel entsprechen 4 Ohm Impedanz, 4x 8 Ohm parallel entsprechen 2 Ohm Gesamtimpedanz, was oft die Grenze ist, die ein Verstärker leisten kann. Wie wir ja bereits wissen, kann die Impedanz eines 8 Ohm Lautsprechers je nach Frequenz zwischen 4 und 20 Ohm schwanken, 4x 4 Ohm parallel entsprechen dann 1 Ohm Gesamtimpedanz! Wird die Gesamtimpedanz zu gering, fließt zu viel Strom im Ausgang und der Verstärker überhitzt und schaltet (hoffentlich) ab.

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