Von Pat H. Quilter, Mitbegründer und Chefentwickler von QSC Audio
Überarbeitung durch Marcus Bäumler, Produktmanager für QSC bei Shure Distribution

Was machen eigentlich Verstärker? Verstärker treiben Lautsprecher an. Nachdem ein Audiosignal komprimiert, gegated, durch die Klangregelung manipuliert, gemischt und auf einen Linepegel gebracht wurde, wird es zum Verstärker geschickt. Sein Job ist es nun, dieses Signal soweit zu verstärken damit der gewünschte Pegel aus den Lautsprechern kommt ohne die Signalform in irgendeiner Weise zu verändern.

Lasst uns kurz über Lautsprecher reden. Ein Lautsprecher ist ein elektro-mechanisches „Gerät“ das elektrischen Strom in mechanische Bewegung umwandelt. Durch das Eigengewicht der Membran sowie die unvermeidlichen Verluste durch den Widerstand der Schwingspule wird sehr viel Leistung benötigt um hohe Schalldrücke zu erzeugen.

Es ist sicher bekannt, dass Leistung das Produkt von Strom und Spannung ist (P=U*I). Die Bewegung bzw. Auslenkung des Lautsprechers ist proportional zum Strom durch die Schwingspule. Auf der anderen Seite ist die Wärmeentwicklung innerhalb des Verstärkers ebenfalls proportional zu Stromstärke. Und um einen Strom fließen zu lassen benötigt man eine angelegte Spannung, d.h. ein Verstärker muss sowohl eine hohe Spannung als auch Strom liefern. Die meisten Lautsprecher haben eine Nenn-Impedanz von 8 Ohm, daher muss ein Verstärker also eine Spannung von 8 Volt erzeugen, damit durch die Schwingspule ein Strom von einem Ampere fließt (U=R*I). Dies ist eine idealisierte Darstellung der Wirkungsweise.

Unglücklicherweise stellt sich die Impedanz eines Lautsprechers in der realen Welt weitaus komplexer dar. Durch die Bewegung der Membran und der Schwingspule bzw. durch die Trägheit von beiden wird eine Gegenwirkung erzeugt, die den Stromfluss erhöhen oder verkleinern kann. Durch die frequenzabhängige Wechselwirkung des Lautsprechers mit der Luft verändert sich ebenfalls der notwendige Hub (die Auslenkung) der Membran; besonders im Bassbereich. Dadurch ergibt sich eine frequenzabhängige Impedanz des Lautsprechers, die sich bei einem 8 Ohm Chassis im Bereich von 4 bis 20 Ohm bewegen kann. In der Praxis kommt es natürlich auch vor, dass mehr als nur ein 8 Ohm Lausprecher an einen Verstärkerkanal angeschlossen wird. Daher sind die meisten professionellen Verstärker so ausgelegt, dass sie auch mit Impedanzen von 2 Ohm zurecht kommen, was einen viermal höheren Strom zur Folge hat.

Ausgangsleistung des Verstärkers

Wir wissen alle, dass die Angabe der Ausgangsleistung des Verstärkers die letztendlich erzielbare Lautstärke mit bestimmt. Eine weitere Kenngröße ist dabei die Empfindlichkeit des Lautsprechers, angegeben in dB/Watt in 1 Meter, die aber im Rahmen dieses Artikels nicht weiter betrachtet werden soll. Ein Verstärker mit 200 W an 8 Ohm ist so designed, dass er 40 Volt Spannung an den 8 Ohm Lautsprecher anlegt, 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 von 5 auf 10 Ampere verdoppeln. Da die Impedanz des Lautsprechers immer noch 8 Ohm beträgt, müssen wir dazu eine Spannung von 80 Volt anlegen. Berechnen wir jetzt die Ausgangsleistung des Verstärkers kommen wir auf 80 V * 10 A = 800 W, also eine Vervierfachung! Dies verdeutlicht, dass Anforderungen an die Ausgangsleistung eines Verstärkers in Hochleistungs-Beschallungsanlagen sehr schnell ansteigen.

Wie funktioniert ein Leistungsverstärker?

Ein Verstärker konvertiert die aus der Steckdose entnommene Leistung (konstante Frequenz und Spannung) in ein Audiosignal (wechselnde Frequenzen und Spannungen). Dabei soll das zur Ansteuerung benutzte Line-Pegel Signal nur grösser aber sonst nicht verändert werden.

Schauen wir uns jetzt mal die wichtigsten Bestandteile eines Verstärkers an. Diese werden etwas später noch genauer erklärt.

Zunächst benötigen wir ein Netzteil. Diese Baugruppe nimmt die Leistung aus der Steckdose auf, isoliert die Audioschaltung vor gefährlicher Spannung, erhöht oder verringert die Wechselspannung je nach der angepeilten Ausgangsleistung, nimmt eine Gleichrichtung von Wechselspannung in Gleichspannung vor und speichert die Energie zwischen.

Eine weitere wichtige Baugruppe ist die Ausgangssektion. Diese elektronische Schaltung verarbeitet das Line-Pegel Audiosignal und benutzt die Information des Signales um Hochleistungstransistoren anzusteuern. Diese benutzen wiederum zwischengespeicherte Energie des Netzteiles zur Erzeugung eines Hochleistungs-Ausgangsignales, das eine verstärkte Kopie des Eingangssignales ist.

Leistungsgrenzen eines Verstärkers

Alle Verstärker haben eine maximale Ausgangsleistung. Die Spannung am Ausgang des Verstärkers kann höchstens so hoch wie die gleichgerichtete Spannung im Netzteil sein. Wenn das Audiosignal versucht diese Grenze zu überschreiten erreicht man die Austeuerungsgrenze und das Signal wird abgeschnitten. Dieses Problem, auch Clipping genannt führt zu dem typisch verzerrten Klang einer übersteuerten Endstufe. Die maximale Ausgangsspannung und damit die Ausgangsleistung zu erhöhen erhöht natürlich den Aufwand und damit den Preis eines Leistungsverstärkers und resultiert auch, bei gleicher Schaltungsart, in einem höheren Gewicht.

Eine weitere Kenngröße des Verstärkers ist die minimal zulässige Impedanz, welche kleiner oder gleich der Impedanz der angeschlossenen Lautsprecher sein sollte. Je niedriger die Impedanz der angeschlossenen Lautsprecher ist desto höhe ist der Strom der vom Verstärker geliefert werden muss. Das ist der Grund, warum die Ausgangsleistung, jedenfalls bis zu einer gewissen Grenze, bei kleiner werdenden Lastimpedanzen immer grösser wird. Dieser erhöhte Ausgangsstrom stellt jedoch eine immer höhere Belastung für die Bauteile des Verstärkers und des Netzteiles dar. Bei einem bestimmten Impedanzwert wird die Belastung dann so hoch, dass die Versorgungsspannung einbricht oder die Leistungstransistoren überhitzen. Dies führt dann zu verminderter Ausgangsleistung oder sogar Ausfall des Verstärkers.

Verstärker müssen in der Lage sein alle Frequenzen des Audiospektrums wiederzugeben, und das bei gleichem Pegel. Sie sollen also eine lineare Übertragung bzw. Verstärkung des Audiosignales gewährleisten.

Wenn die Verstärkung zu tiefen Frequenzen hin abfällt, wird der Gesamtsound sehr dünn und es fehlt an Druck. Wenn die Verstärkung zu hohen Frequenzen hin abfällt, klingt es sehr matt bzw. dumpf. Die meisten professionellen Verstärker haben heutzutage eine lineare Übertragung, werden allerdings absichtlich außerhalb des Hörbereiches begrenzt um die angeschlossenen Lautsprecher zu schützen.

Weitere Details zum Netzteil

Warum müssen wir überhaupt Wechselspannung in Gleichspannung und wieder zurück in Wechselspannung (das Audiosignal) umwandeln? Die Spannungsversorgung aus der Steckdose besitzt eine feste Spannung und Frequenz. Bei dem Versuch die Netzspannung direkt als Spannungsversorgung zu benutzen könnten wir nur einen sehr kleinen Teil des Audiospektrums wiedergeben.

Wir müssen die Wechselspannung in eine stabile Gleichspannung umwandeln und dabei genügend Energie speichern für den Zeitraum, in der die Wechselspannung 0 V beträgt: im Nulldurchgang von positiver Spannung zu negativer und umgekehrt. Dadurch hat die Ausgangssektion des Verstärkers immer genügend Energie zur Verfügung um das Audiosignal originalgetreu wiederzugeben.

Schauen wir uns das Netzteil einmal genauer an.

Die Netzspannung gelangt durch das Netzkabel in den Verstärker, wird durch den Netzschalter ein- oder ausgeschaltet und gelangt dann zu einer Sicherung bzw. einem Sicherungsautomaten. Diese unterbrechen die Spannungsversorgung im Falle extremer Überlast oder anderen Problemen.

(Anmerkung: sollte eine Sicherung durchbrennen oder der Automat auslösen, ist es empfehlenswert zunächst den Grund dafür zu erforschen bevor man die Sicherung ersetzt oder den Automat wieder einschaltet.)

Die nächste Komponente im Netzteil ist der Transformator oder auch Trafo. Er ist das Herz des Netzteiles. Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die um einen gemeinsamen magnetischen Kern gewickelt sind. Die Netzspannung liegt auf der Primärseite (Eingang des Transformators) an und induziert einen Magnetischen Fluss im Magnetkern des Transformators, d.h. die elektrische Energie wird in magnetische Energie umgewandelt. Diese magnetische Energie wiederum erzeugt in der Sekundärspule (Ausgang des Transformators) eine Wechselspannung.

Und warum betreiben wir diesen Aufwand? Zunächst sind die beiden Spulen voneinander isoliert, was die Gefahr eines Stromschlages reduziert. Viel wichtiger ist aber, das man mit Hilfe eines Transformators eine Wechselspannung hoch- oder runter-transformieren kann. Dieses geschieht in Abhängigkeit des Wicklungsverhältnisses. Hat z.B. die Primärseite 100 Wicklungen und die Sekundärseite 50 Wicklungen so wird die 230 V Netzspannung auf 115 V heruntertransformiert.

Eine weit verbreitete Trafo-Bauform ist der EI-Trafo. Dieser ist einfach aufgebaut und deshalb auch sehr günstig, hat aber den Nachteil dass er elektromagnetische Einstreuungen in die restliche Schaltung abgibt. Dies macht sich oft als Brummen bemerkbar.

Eine für Verstärker besser geeignete Trafobauform ist der Ringkerntransformator. Hier sitzen die Wicklungen auf einem ringförmigen Metallkern, der alleine durch seine Form bessere magnetische Eigenschaften hat. Die Vorteile eines Ringkerntrafos liegen in eine flacheren möglichen Bauform sowie weit weniger Streuverlusten.

Nachdem die Eingangsspannung durch den Transformator isoliert und auf den benötigten Wert transformiert wurde, muss diese nun in eine Gleichspannung umgewandelt werden. Das erledigt der Gleichrichter zusammen mit den Filterkondensatoren.

Der Gleichrichter arbeitet ähnlich wie ein Rückschlagventil und lässt den Strom nur in eine Richtung durch, im elektrischen Sinne geschieht das durch Dioden. In unsren Netzteilen wird ein sogenannter Brückengleichrichter benutzt. Durch die besondere Verschaltung von vier Dioden wird erreicht, dass die negative Halbwelle des Wechselstroms bzw. der Wechselspannung nach oben geklappt wird. Damit sind wir dem Ziel einer sauberen Gleichspannung schon ein gutes Stück näher, es müssen nur noch die tiefen Täler in der hochgeklappten Wechselspannung ausgeglichen werden. Dazu benutzt man die Filterkondensatoren.

Kondensatoren sind Speicher für elektrische Energie, die sich allerdings mit der Zeit wieder entladen. Der Kondensator wird jetzt an den Ausgang des Brückengleichrichters angeschlossen und lädt sich mit der ansteigenden Spannung bis zum maximalen Spannungswert der gleichgerichteten Eingangsspannung auf. Wenn der Kondensator groß genug ist, kann er die Spannung so lange halten bis die nächste Spitze der gleichgerichteten Spannung kommt. Dadurch erhalten wir eine fast perfekte Gleichspannung. Die Höhe der Kapazität des Kondensators bestimmt wie klein die Restwelligkeit der Gleichspannung ist. In der Praxis werden mehrere Kondensatoren zu diesem Zweck parallel geschaltet.