Ausgangsleistung und Hifi Verstärker

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Die Ausgangsleistung ist eine wichtige Kenngröße für einen Hifi Verstärker.

Einführung

Verstärker haben eine bestimmte Leistung, die in Watt angegeben wird. Die Leistung ist das Produkt aus Strom und Spannung. In einem Lautsprecher wird die zugeführte elektrische Leistung fast ausschließlich in Wärme umgesetzt. Nur ein Bruchteil der elektrischen Leistung kann von Lautsprechern in Schallenergie umgewandelt werden. Dieses Verhältnis beschreibt den Wirkungsgrad, der in Prozent angegeben wird. Ohne den Nachweis zu führen, z.B. wären 30 Watt Schallleistung unbeschreiblich laut. 

Bei einem Hifi Verstärker wird die Ausgangsleistung mit Hilfe von Wechselspannungen gemessen. Meßtechnisch einfach wäre das Messen mit Gleichspannung. Das Messen mit Gleichspannungen ist jedoch nicht möglich, da (fast alle) Hifi Verstärker keine Gleichspannungen übertragen.. Der Hintergrund dafür ist, daß ein Basslautsprecher durch Gleichspannung leicht zerstört werden kann, deswegen sind die Verstärker so ausgelegt, daß keine Gleichspannung verstärkt werden.

Bedeutung der Leistung für einen Hifi Verstärker

Wieviel Leistung wird benötigt, dazu ein paar Fragen:

  • Wie laut willst Du hören?

  • Wie groß ist der Wirkungsgrad von Deinem Lautsprecher?

  • Wie groß ist Dein Raum und wie weit entfernt sitzt Du von den Lautsprechern?

  • Wie verändert sich der Klirrfaktor Deines Verstärkers mit zunehmender Lautstärke bei Deinem Lautsprecher?

  • Wie gut kann Dein Verstärker die entstehende Wärme an die Umgebung abführen?

Kannst Du diese Fragen eindeutig beantworten? Wahrscheinlich nicht, die tatsächlich benötigte Ausgangsleistung kennst Du nicht. Ich auch nicht. Es ist vollkommen egal wieviel Ausgangsleistung ein Hifi Verstärker hat. Er muß nur die gewünschte Lautstärke in der gewünschten Qualität mit Deinen Lautsprechern liefern. Es ist technisch möglich, einen Verstärker mit nur 30 Watt zu bauen, der er einen 200 Watt Verstärker bei gleicher Zimmerlautstärke klanglich in die Ecke stellt. Das bei hohen Lasten, die mehr als Nennleistung fordern, der "Kleine" natürlich das Handtuch wirft, dürfte logisch sein. Die Frage welcher Verstärker der Bessere ist, der mit 30 Watt oder der mit 200 Watt, sie ist nicht eine Frage der Leistung, sondern alleine eine Frage der Konstruktion, Spezifikation und der elektrischen Sonderausstattung (z.B. Schutzschaltungen für Verstärker und Lautsprecher).

Was hättest Du lieber?

Einen High Tech Formel 1 Motor mit 800 PS oder einen modernen Schiffsdiesel mit 800 PS?

Ich nehme lieber einen modernen Schiffsdiesel. 

Warum? Der Schiffsdiesel hat einen Drehmomentverlauf, von dem träumt der Formel 1 Motor nachts. Der Schiffsdiesel hat eine Standzeit und Vollgasfestigkeit, davon träumt der Formel 1 Motor während des ganzen Rennen. 

Im Vergleich, viele Verstärker müssen nach betriebswirtschaftlichen Überlegungen gebaut werden. Der Bestückungsautomat in den Fertigungshallen, er muß ständig in Bewegung sein. In der Großserie soll die Anzahl der Bauelemente pro Gerät klein sein. Teure Bauelemente sind in vielen Fällen aus Kostengründen nicht einsetzbar. Der durchschnittliche Kundenwunsch verlangt nach bezahlbarer Leistung, verständlicherweise orientiert sich die Großserie daran. Einen guten Verstärker mit hoher Leistung und niedrigen Herstellungskosten zu bauen ist ein Drahtseilakt. Dazu müssen die Bauelemente oftmals bis an ihre zulässigen Grenzwerte belastet werden. Der Hersteller kalkuliert zurecht in seine Entwicklung mit ein, daß der Benutzer nur höchst selten die maximale Leistung fordert. Mit anderen Worten: viele der Konstruktionen sind nicht "vollgasfest". Die Kühlung ist der angegebenen Dauerlast nicht gewachsen, die Transistoren und damit die Kühlkörper, werden sehr heiß (probiere es). Das heizt den Innenraum und andere Bauteile wie z.B. Elektrolyt Kondensatoren, die an Lebensdauer verlieren. Wieviel Prozent der maximalen effektiven Leistung ein Musiksignal  überhaupt in Anspruch nimmt, ist eine berechtigte andere Frage, deren Antwort das Leben der meisten Verstärker deutlich verlängert.

Ende der Diskussion: die Antwort ist, daß die meisten Verstärker für einen realistischen Musikbetrieb ausreichend gekühlt sind, jedoch nur wenige mit der angegebenen Nennleistung auf Dauer zurecht kommen. Der vollgasfeste gut gekühlte 30 Watt Verstärker erreicht eine ähnliche Baugröße und noch höhere Kosten wie der 200 Watt Papiertiger. Der kleinere Hunger nach Leistung ermöglicht jedoch schaltungstechnisch bessere Ergebnisse. Den kleinen teuren exclusiv beschalteten Verstärker würden jedoch nur wenige Kunden kaufen, deswegen baut ihn ein Großteil der Inustrie erst gar nicht, nur Liebhaber.. Ich will damit niemals sagen die Industrie baut schlechte Verstärker, die Industrie baut sehr gute Verstärker in einem sehr guten Preis Leistungsverhältnis. Nur wer fest behauptet, das bisher dagewesene läßt sich nicht noch deutlich in allen Disziplinen qualitativ verbessern, der hat keine Ahnung.

Mathematik zur Leistung

Simulierter Zeitbereich, 2 Ohm Lastwiderstand

2 kHz Signalfrequenz mit 5 Volt

Strom nach Ohmschen Gesetz

Leistung (t) = Spannung (t) * Strom (t)

Bild 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung in schwarz. Als Signal wurde eine sinusförmige Spannung angelegt. Bei ohmscher Last ist der Strom auch sinusförmig. Die Leistung ist das Produkt aus Strom und Spannung im Zeitbereich miteinander multipliziert. Die Leistung ist hier immer positiv, sie wird nie kleiner null. In der Praxis bedeuted dies, die Last liefert zu keinem Zeitpunkt Energie an den Verstärker zurück. In Nulldurch der Spannung ist auch die Leistung Null, im Maximum der Spannung ist auch die Leistung maximal.

Die Ausgangsleistung erreicht in diesem Fall bei 125 Millisekunden ihr Maximum von 12,5 Watt.

Die mittlere Leistung, die Effektivspannung und der Effektivstrom lassen sich berechnen. T ist die Periodendauer. Der Effektivstrom oder die Effektivspannung sind die zeitlich quadratischen Mittelwerte. der die gleiche Wärmearbeit erzeugt wie ein gleich großer Gleichstrom. Die effektive Leistung läßt sich für ohmsche Lasten auch so berechnen:

Dies sind die Gleichungen zur Berechnung der Leistung eines Verstärkers, gültig für ohmsche Lasten.

Der Widerstand "R" wird mit einer Leistung von 6,25 Watt beheizt. Dies entspricht genau dem linearen Mittelwert "meanpower" des zeitlichen Verlaufs der Leistung "power(t)". Von "power(t)" nochmal den Effektivwert zu bilden wäre falsch, da für Leistungen keine Effektivewerte existieren, sondern nur Mittelwerte. Die Berechnung eines Effektivwertes ergibt nur einen Sinn für Ströme und Spannungen, nicht für Leistungen. Die oft benutzte Bezeichnung "RMSpower" entspricht genau genommen dem zeitlich linearen Mittelwert der Leistung "meanpower".

Die Gleichung auf der linken Seite ergibt physikalisch keinen Sinn. Effektivwerte lassen sich nur für Ströme oder Spannungen bilden, nicht für Leistungen.

Wichtige Gleichung (rechts) für sinusförmige Spannungen oder Ströme, die bei ohmschen Lasten die Berechnungen vereinfacht.

Wie kann die Leistung am Verstärker gemessen werden?

Du mußt diese Gleichung lösen. sie ist allgemein gültig für alle Kurvenformen der Eingangsspannung als auch für komplexe Lasten.

Geeignete Meßgeräte und häufige Meßmethoden:

  • Leistungsmesser, speziell dazu konstruiertes Gerät, das den RMS Power direkt anzeigt.

  • Digitale Speicher Oszilloskope z.B. TDS 5054 mit der Möglichkeit von mathematischen Operationen. Dazu werden zwei Kanäle benutzt. Kanal 1 mißt die Ausgangsspannung mit einem Tastkopf. Kanal 2 mißt den Strom mit einer ausreichend schnellen Stromzange z.B. Tektronix P6042 , P6019 / 134, oder AM503. Kanal 1 ist mit Kanal 2 im Rechner des Oszilloskopes zu multipizieren und für dieses Produkt ist über eine Periode das Integral zu bilden. Moderne digitale Speicher Osziloskope beherschen diese Operation mit wenigen Tastendrücken. Stehen keine Stromzangen zur Verfügung, kann zur Strommessung ein Shunt Widerstand benutzt werden. Der Spannungsabfall am Shunt Widerstand in Serie mit dem Lastwiderstand kann verrechnet werden.

  • Analoge Oszilloskope z.B. Tektronix 475, 2465B oder 2445A, erfordern eine andere Messung. Als Eingangssignal für den Verstärker sollte ein sinusförmiges Signal und nach Möglichkeit eine rein ohmsche Last verwendet werden. Messe die Ausgangsspannung und notiere die Amplitude. Dividiere sie durch Wurzel 2, damit bekommst Du den Effektivwert der Spannung. Der zeitlich lineare Mittelwert der Leistung ist dann (Effektivwert der Spannung)²/ Widerstand. Der Stromkanal kann auch zur Bestimmung herangezogen werden (p=i²*R). 

  • Digitale Multimeter mit "True RMS" z.B. HP 3457A, HP 34401A. Sie messen in vielen Fällen entweder die True RMS Spannung oder den True RMS Strom. Bei Verwendung einer ohmschen Last gilt auch hier: der zeitlich lineare Mittelwert der Leistung ist dann (Effektivwert der Spannung)²/ Widerstand. Der Stromkanal kann auch zur Bestimmung herangezogen werden (p=i²*R). Auf jeden Fall ist beim Messen mit dem Multimeter ein Blick in die Bedienungsanleitung des Multimeter zu empfehlen, da diese nicht immer für alle Meßfrequenzen geeignet sind. Auch hier empfiehlt es sich sinusförmige Testsignale zu verwenden. Dies ist prinzipiell für alle True RMS Multimeter zu empfehlen, auch wenn diese die RMS Werte noch korrekt ermitteln können.

  • Digitale Multimeter ohne die Bezeichnung "True RMS" (oftmals günstige Kleingeräte). Sie sind in ihren AC Bereichen geeicht auf sinusförmige Spannungen und Ströme. Die Verwendung von sinunsförmigen Eingangsspannungen ist zwingend erforderlich, um ohne Korrektur die RMS Spannung abzulesen.

  • Dreheisenmeßwerke stellen sich bei genügender Trägheit des Meßwerke auf den Effektivwert der Wechselgröße ein. Die Anziehungskraft der Eisenteile hängt ab vom Quadrat der magnetischen Induktion und ist somit vom Quadrat des erregten Stromes abhängig.

  • Drehspulmeßwerke z.B. das Ballantine 3015A oder HP 410C. Sie zeigen den linearen Mittelwert an, sobald sie der Frequenz mechanisch nicht mehr folgen können. Für reine Wechselgrößen ist dieser Null. Deswegen wird diesem Instrumenten Typ z.B. intern ein aktiver Vollbrückengleichrichter vorgeschaltet. Das Instrument zeigt dann den Gleichrichtwert. Dieser steht bei sinunsförmigen Spannungen jedoch in einem festen Verhältnis zum Effektivwert. Die Skala des Meßgerätes wurde umskaliert auf sinusförmige Größen und ist auch nur für diese gültig. Für andere Signalformen z.B. Dreieck, Rechteck usw. lassen sich Umrechnungsfaktoren berechnen.

  • Spezialinstrumente mit "Effektivwertumformer" z.B. HP 3400 oder das HP 3403C. Es sind konventionelle Drehspulmeßwerke oder digitale Anzeigen, denen ein besonderer Effektivwertumformer vorgeschaltet ist.

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