Leistung

Spitzenleistung
Sinusdauerleistung
Rauschleistung
Musikleistung
wirkliche Dauerleistung
PMPO

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Der Verstärker hat das elektrische Eingangssignal in eine proportionale Ausgangsspannung zu wandeln, und dabei das Signal ansonsten so wenig wie möglich zu verändern. Er ist also ein Spannungsverstärker. Die Eingangsspannung beträgt 200 .. 300 mV und die Eingangsimpedanz einige 10 kOhm (typisch 47 kOhm). Am Ausgang sind Lautsprecher mit Widerständen im Bereich von 4 .. 16 Ohm angeschlossen. Um an diesen kleinen Lastwiderständen eine hohe Leistung zu erzeugen, sind recht hohe Ströme von einigen Ampere und Spannungen von einigen 10 V nötig.
 

Der AV-Receiver JVC-RX-701 enthält 7 Verstärkerkanäle. Der Handel bewirbt das Gerät mit "7 x 170W". In den technischen Daten ist angegeben, das jeder der 7 Kanäle immerhin 130W RMS (root mean square) abgeben kann. Die Stromaufnahme des Verstärkers (aus dem Stromnetz) wird aber mit nur 180 W angegeben. Wie schafft es JVC aus nur 180W elektrischer Leistung 1190W bzw. 910W RMS zu erzeugen? Gar nicht.

Es ist ja auch nicht nötig. Es wird nie vorkommen, das im 7-Kanal-Sound eines Films alle 7 Kanäle exakt zur gleichen Zeit ein extrem lautes Geräusch enthalten, für das dann jeder Kanal 130 W abgeben müsste. Das wäre auch für den Zuschauer nicht gerade angenehm. Die von allen Kanälen zusammen und gleichzeitig abzugebende Leistung wird also durch die Stromversorgung des Verstärkers begrenzt.

Ein einzelner Kanal kann aber durchaus eine sehr hohe Leistung abgeben, wenn die anderen Kanäle gerade kein nennenswertes Signal erzeugen müssen, und dem einen Kanal fast die gesamte Netzteilleistung exklusiv zur Verfügung steht.
 

Spitzenleistung (dynamische Ausgangsleistung)
Angenommen, das Netzteil liefert eine Versorgungsspannung von +30V & -30V.  Ein Verstärkerkanal könnte daraus einen Sinus mit maximal 60 Vp-p (Spannung zwischen den Spitzen des Sinussignals) erzeugen. Das ist eine Wechselspannung mit 21,2 VAC.

• An einer 4 Ohm Last ergibt das einen Strom von 5,3 A und eine Leistung von 112,5 W.
• An einer 8 Ohm Last ergibt das einen Strom von 2,65 A und eine Leistung von 56,25 W.
• An einer 16 Ohm Last ergibt das einen Strom von 1,33 A und eine Leistung von 28 W.

Sinusdauerleistung
Wenn ein Verstärkerkanal 50W an den Lautsprecher abgibt, dann erzeugt er dabei auch erhebliche Abwärme. Die muss mit Kühlblechen und natürlicher Luftströmung oder sogar Lüftern aus dem Verstärker abgeführt werden. Gelingt das nicht, dann überhitzt der Verstärker nach kurzer Zeit, und eine Sicherheitsabschaltung deaktiviert (hoffentlich) den Verstärkerkanal. Die Leistung die der Verstärker kontinuierlich abgeben kann, ohne zu überhitzen ist die Sinus-Dauerleistung. Sie liegt deutlich unter der Spitzenleistung.
 

Rauschleistung
Die Rauschleistung entspricht prinzipiell der Sinusdauerleistung. Anstelle eines Sinustones (eine einzelne Frequenz) wird als Testsignal aber rosa Rauschen verwendet, das alle Frequenzen enthält. Damit soll ein der realen Musik näherkommendes Testszenario geschaffen werden.
 

Musikleistung
Nun ist Musik ja zum Glück kein gleichmäßiger Dauerton (oder rosa Rauschen) konstanter Leistung, sondern recht dynamisch. Sie besteht aus recht lauten Tönen, zwischen denen leisere Passagen liegen. Deshalb dürfen die Lautstärkespitzen so hoch sein, dass der Verstärker dabei deutlich mehr als die Musikleistung erzeugen muss (darf aber die Spitzenleistung nicht überschreiten). In den leiseren Passagen kühlt er dann wieder ab.
Als Musikleistung wird das doppelte der Sinusdauerleistung angegeben. Man geht dann davon aus, das der Verstärker bei der Verstärkung von Musik mit Musikleistung im Durchschnitt genausoviel Hitze erzeugt und genausoviel Leistung vom Netzteil benötigt, wie bei Sinusdauerleistung mit einem Sinus-Ton.
 

wirkliche Dauerleistung
Das Netzteil ist nicht dafür ausgelegt, dass der Verstärker längere Zeit  Sinusdauerleistung bzw. Musikleistung abgibt. Transformatoren sind im Verstärkerbau ein erheblicher Kostenfaktor. Sie werden nur für 60% der Last bemessen, die für die Sinusdauerleistung nötig wäre. Wenn also beiden Kanälen eines Stereoverstärkers auf einer Party die Sinusdauerleistung abverlangt wird, dann wird dabei der Trafo des Netzteils überlastet. Das bedeutet, der Trafo entwickelt in seinem Innern mehr Hitze als er an die Umwelt abgeben kann. Er heizt sich auf. Über eine kurze Zeit ist das kein Problem. Nach ca. einer Stunde ist es dann aber so weit: Der Trafo hat die kritische Temperatur erreicht, und eine Thermosicherung mitten im Trafo löst aus. Das ist dann das Ende für den Trafo.
Man sollte einen Verstärker also niemals über einen längeren Zeitraum mit mehr als 50% der angegebenen Musik- bzw. Sinusdauerlast betreiben.
 

PMPO Wir haben gesehen, dass die Musikleistung höher ist als die Sinusleistung, da in der Musik laute Töne jeweils nur kurzzeitig auftreten. Werbestrategen haben das weitergedacht, und überlegen, welche Leistung ein Verstärker ohne Überhitzung abgeben könnte, wenn er nur wenige Millisekunden arbeiten müsste. Dann erhält man Werte, die z.B. der 10-fachen Musikleistung entsprechen (es kann aber auch mal die 50-fache sein), dann werden auch noch alle Verstärkerkanäle zusammenaddiert. Einheitliche Berechnungsverfahren existieren aber nicht. Die so ermittelte PMPO-Leistung ist natürlich Blödsinn, da sich aus Versorgungsspannung und Lautsprecherimpedanz schon eine Spitzenleistung errechnet, die prinzipiell nicht überschritten werden kann, auch nicht kurzfristig. PMPO-Angaben finden man oft auf aktiven Computer-Lautsprechern (wie auf nebenstehender Abbildung zu sehen) und Billig-Audio-Geräten. Man sollte sie einfach ignorieren.

Netzteil

Das typische Verstärkernetzteil besteht aus einem Netzfilter, einem großen Transformator mit zwei Sekundärwicklungen (oder einer Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung), Diodengleichrichtern und großen Siebkondensatoren. Es stellt gleich große, positive und negative Gleichspannungen bereit, deren Höhe von der Spitzenleistung des Verstärkers abhängt. Typisch sind etwa ±30V .. ±40V.
Auf eine Regelung/Stabilisierung wird meist verzichtet.
Der Trafo ist für ca. 60% der Verstärkerdauerleistung ausgelegt.

In letzter Zeit werden auch Schaltnetzteile eingesetzt.  

Frequenzgang

Der Verstärker sollte alle hörbaren Frequenzen genau gleich verstärken. Ein guter Wert wäre z.B. 10 Hz .. 20 kHz  ±0,5dB.
Im Verstärkerdatenblatt findet man aber meist nur den Frequenzgang für 3 dB.
 

Wenn der Drummer auf die Trommel schlägt, dann drückt er das Trommelfell der Trommel ein, und an der Unterseite der Trommel wird eine positive Druckwelle abgegeben. Dieser Klang beginnt also mit einem erhöhten Luftdruck. Um das genau zu reproduzieren, muss die Lautsprechermembran bei diesem Klang mit einer Bewegung auf den Zuhörer zu beginnen.

Erreichbar ist das nur, wenn alle Geräte in der Audiokette die Phase des Signals (wenigstens bei niedrigen Frequenzen) nicht verändern.

Verstärker mit glimmenden Elektronenröhren gelten als besonders edel. Klingen sie auch besser?

Erst einmal hat die Elektronenröhre gegenüber dem normalen Transistor tatsächlich zwei Vorteile:

• der Eingangswiderstand ist extrem hoch
• die Rückwirkung ist extrem klein

• sie müssen geheizt werden
• sie brauchen hohe Anodenspannung (ca. 250V)
• sie können nur wenig Leistung abgeben
• bei Vorverstärkern gäbe es dann auch noch Mikrofonie

Röhren sind nicht in der Lage, große Ströme zu erzeugen. Deshalb ist es (meistens) unmöglich, mit der Röhre einen Lautsprecher direkt anzusteuern. Man benötigt einen Transformator, der als Ausgangsübertrager das Röhrensignal (hohe Spannung, kleiner Strom) in ein lautsprecherkompatibles Signal (kleinere Spannung, großer  Strom) umwandelt. Durch unterschiedliche Abzapfungen für 4-Ohm- und 8-Ohm-Lautsprecher, kann man den Verstärker optimal an die verwendeten Lautsprecher anpassen. Dieser Übertrager muss hohe Leistungen in einem weiten Frequenzband übertragen. Um das mit geringen Verlusten zu schaffen ist spezielles Kernmaterial nötig.

Die unterschiedlichen Ausgangstrafoanzapfungen sind auch dringend nötig, denn die erzielbare Ausgangsleistung ist vergleichsweise gering. Meist werden EL34-Pentodenröhren eingesetzt. Die maximal zulässige Anodenverlustleistung einer EL34 liegt bei 25W. Ein Paar EL34 erlaubt unter normalen Betriebsbedingungen bis zu 60W an 8 Ohm und bis zu 40W an 4 Ohm. Im Extremfall lassen sich bei 800V-Betriebsspannung mit 2 EL34 bis zu 100W erzeugen (bei 5% Verzerrungen).
 

Röhrenklang
Verglichen mit modernen Halbleiterverstärkern ist der Frequenzgang eines Röhrenverstärkers bescheiden, und auch die Verzerrungen liegen höher. Moderne Transistorverstärker sind den Röhrenverstärkern in allen wichtigen Parametern (Linearität, Leistung, Dämpfungsfaktor, Klirrfaktor, Zuverlässigkeit, Sicherheit...) klar überlegen. Der "Röhrenklang" ist aber kein Mythos. Er entsteht im Wesentlichen durch Verzerrungen (in der 2. Oberwelle). Es ist also eine Beschädigung der Musik, die  für das geschulte Ohr hörbar ist. Wer Verzerrungen mag und sich daran gewöhnt hat, der mag auch Röhrenverstärker. Viele Leute finden ja auch eine Harley-Davidson klasse oder pflegen am Wochenende einen Trabant - jeder hat sein Hobby.

Mancher mag einwenden, dass Musiker bei ihren Auftritten Röhrenverstärker benutzen. Und sie schlussfolgern daraus, dass man die so aufgenommene Musik auch am besten mit Röhrenverstärkern wiedergibt. Das ist ungefähr so logisch, wie der Versuch, ein Rembrandtgemälde mit einem in Ölfarbe getränkten Pinsel abzutasten, um die Struktur des Bildes zu erfühlen.
Musiker benutzen Röhrenverstärker in erster Linie als Effektgeräte. Eine E-Gitarre hat allein keinen interessanten Klang. Erst durch die Rückkopplung über Verstärker und Lautsprecher entsteht der Klang, und die Verzerrungen in dieser Schleife sind für den Charakter des Klangs verantwortlich. Der Musiker braucht also einen verzerrenden Verstärker, dessen Verzerrungen er auch noch gezielt einstellen kann. Dafür sind Röhren gut geeignet. Der Röhrenverstärker ist für den Musiker also ein Instrument zur Verfremdung bzw. Gestaltung des Klangs. Es gibt keinen Grund das zu Hause noch mal zu wiederholen, die Musik ist schon fertig gestaltet auf die CD gepresst worden.
 

Sicherheit
In  Röhrenverstärkern gibt es ungesunde Spannungen und Temperaturen. Das Anodenblech der Röhre wird mit einigen 10W (in der EL34 z.B. 25W) aufgeheizt. Konstruktionsbedingt können solche Röhren die Hitze schlecht abführen (Anode im Vakuum von Glas umgeben), so dass für die Konvektionskühlung die Röhrenoberfläche extrem heiß werden muss. Bis zu 250°C sind möglich. Da Röhren nur kleine Ausgangsströme abgeben können (100 .. 150 mA) erfordern große Leistungen auch große Spannungen. Typische Anodenspannungen liegen im Bereich von 100V ... 800V.
Das Gehäuse des Verstärkers muss also berührungssicher aufgebaut sein. In der Regel ist das auch der Fall, aber aus optischen Gründen erlauben die Hersteller oft einen Aufbau mit frei stehenden Röhren ohne Schutzkäfig. So nett das auch aussieht, ist es doch gefährlich. Ein versehentliches Berühren der Röhren kann zu Verbrennungen und zu Schreckreaktionen führen. Geht ein Röhrensockel zu Bruch, dann liegt die Anode mit einigen 100V frei. Aus diesen Gründen sollten die Röhren stets durch einen Schutzkäfig vor Berührung geschützt werden.

Schon ein einzelner Sekt-Spritzer der beim Öffnen der Flasche entweicht und auf den heißen Röhrenkolben trifft, führt zu dessen augenblicklichen Zerstörung.