Der ANALOGE Verstärker - einfach erklärt (2/2)

Carsten Rampacher, AREADVD - update: 14.11.2014

Im ersten Teil lasen Sie über Transformator, Kühlung, Transistor ...

Der Arbeitspunkt

Unter dem Arbeitspunkt einer bestimmten Schaltung versteht man den Ruhezustand - es liegt kein Signal an. Der Arbeitspunkt wird durch einen bestimmten Punkt auf der gesamten Kennlinie definiert. Ausgehend von diesem Punkt, ergeben sich Strom- bzw. Spannungsveränderungen, liegt dann ein Signal an. Ist es das Ziel, die Verzerrungen zu minimieren und eine symmetrische Signalübertragung zu gewährleisten, wird der Arbeitspunkt genau in die Mitte der Kennlinie gelegt, also exakt zwischen minimale und maximale Spannung bzw. Stromstärke (A-Betrieb).

Das ist dann auch das Geheimnis der "Class A"-Verstärker, simpel gesprochen: Es treten kaum Verzerrungen auf. Erkauft wird sich dieser für Klangpuristen große Vorteil aber durch eine sehr niedrige Effizienz, bei analogen Verstärker-Einheiten wie bereits beschrieben sowieso ein Problem. Es wird als viel Verlustenergie in Form von Wärme abgeführt.

Bei reinem Class-A-Betrieb ...

... fließt ein hoher Ruhestrom, d.h. die Transistoren erwärmen sich auch, wenn kein Signal anliegt.  Man unterscheidet den Class A-Verstärker, der ab einer gewissen, relativ hohen Ausgangsleistung dann doch in den B-Betrieb (siehe nächster Abschnitt) wechselt, und Pure Class A-Verstärker, die immer im A-Betrieb bleiben, dadurch optimale Verzerrungsfreiheit garantieren, aber wenig Leistung durch die niedrige Effizienz bieten. 

Anders funktioniert es beim Gegentakt-B-Verstärker.

Bei dieser Bauweise werden zwei Transistoren parallel geschaltet, und deren Arbeitspunkt liegt im unteren Drittel ihrer spezifischen Kennlinie. Das hat zur Folge, dass der Ruhestrom deutlich unter dem Ruhestrom eines Eintakt-A-Verstärkers liegt. Der Wirkungsgrad eines solchen Leistungsverstärkers liegt sehr viel höher als bei einem Class-A-Bauteil. Eine B-Betrieb-Endstufe kann auch bei kleinen Betriebsspannungen verwendet werden.

In Bezug auf den Aufbau ist ein solcher Leistungsverstärker aufwändiger, da Eingangs- und Ausgangstransistoren verwendet werden müssen. Auftretente Verschiebungen des Arbeitspunktes nach oben haben zur Folge, dass die Signalsspitzen an die Betriebsspannung anstoßen. Verschiebt sich der Arbeitspunkt nach unten,  passiert das Gleiche am  Massepotenzial.

Verzerrungen bei Übersteuerung

Das Signal wird hierdurch verzerrt. Zu Verzerrungen kommt es ebenfalls, wenn der Verstärker in Folge eines zu hohen Eingangssignals übersteuert wird.  Hier reicht der Bereich zwischen maximaler und minimaler Spannung nicht mehr für das Signal aus. Insgesamt ist die B-Betrieb-Endstufe effizienter, leistet sich aber den Nachteil größerer Verzerrungen. 

Verwendung in gebräuchlichen AV-Receivern und -Verstärkern findet der Gegentakt-AB-Verstärker, der einen Kompromiss aus Class A (sehr geringe Verzerrungen, hohe Verlustenergie) und B (höherer Verzerrung, bessere Effizienz) darstellt. Zunächst, bei geringer Ausgangsleistung, arbeiten sie im verzerrungsarmen A-Betrieb, um dann später bei höherer Ausgangsleistung in den zwar verzerrungsintensiveren, aber effizienteren B-Betrieb zu wechseln.

Ein AB-Leistungsverstärker erwärmt sich auch im Ruhezustand

Der AB-Leistungsverstärker hat einen etwas höheren Ruhestrom als ein reiner Class-B-Leistungsverstärker, was dazu führt, dass sich ein AV-Verstärker auch im Ruhezustand erwärmt. Man benötigt für diese Bauart eine Basisvorspannung für die Endstufentransistoren, um die Übernahmeverzerrung zu beseitigen bzw. auszugleichen.

Möglichkeiten zum Ausgleich sind durch einen Widerstand, oder, praxisnäher, durch eine spezielle Diode gegeben.  Die Diode hat einen wesentlichen Vorteil: Bei steigender Sperrschichttemperatur der Transistoren bleibt der Ruhestrom trotzdem konstant und auf auf einem niedrigen Level. Die Sperrschichttemperatur ergibt sich aus dem von der Verlustleistung produzierten Wärmefluss und dem thermischen Widerstande von der Sperrschicht zur Umgebung. Sie hat einen deutlichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Halbleiters)

Der Kondensator als Kurzzeitspeicher

Zurück zur Verstärkung: In theoretisch optimaler Form erfolgt sie so, dass die Form der Ausgangsignale aus dem Player erhalten bleibt, also z.B. die auf der Blu-ray-Disc ursprünglich digital gespeicherte Musik auch nach der analogen Verstärkung originalgetreu, mit allen Höhen und Tiefen und der natürlichen Klangfarbe und zugleich ohne Verzerrung wiedergegeben wird. In der Praxis wird dies durch qualitativ nicht optimale Bauteile aber oft nicht erreicht.

Oben erwähnten wir bereits, dass Verstärker nicht dauernd unter Höchstlast arbeiten. Deshalb unterscheiden wir die Nennleistung von der Musikleistung. Die zweite ist höher als die erste, der Verstärker kann also kurzzeitig mehr leisten. Er schafft das, indem er kurzzeitig Strom in Kondensatoren zwischenspeichert.

Kondensatoren sind extreme Kurzzeitspeicher ...

... Langzeitspeicher kennen wir bis heute in der ganzen Elektrotechnik leider nicht. Je größer nun die Kondensatoren sind, desto größere Strommengen können kurzzeitig zwischengespeichert und dann auch kurzzeitig abgerufen werden, wenn z. B. die Musik sich zu einem Fortissimo steigert. 

Nun erläutern wir genauer die Funktionsweise des Kondensators. Ein Kondensator besteht aus zwei leitenden, voneinander isolierten Flächen, beispielsweise Metallplatten oder -folien. Als Isolator wird meist ein Luftspalt oder ein Dielektrikum aus Kunststoff eingesetzt. Die Kapazität eines Kondensators ist ein Maß für die Ladung, die er speichern kann, sie hängt von Abstand und Größe der Platten ab. Je größer die Fläche der Platten und/oder je kleiner der Abstand der Platten zueinander, desto größer ist die Kapazität des Kondensators.

Wie wird ein Kondensator geladen?

Elektrische Ladung kann durch einen Kondensator nicht hindurch fließen, wenn man ihn aber an eine Spannungsquelle anschließt, es fließt dennoch solange Strom, bis die Platten elektrisch aufgeladen sind und keine weitere Ladung annehmen. Dies ist dann der Fall ein, wenn die Kondensatorspannung UC genauso groß wie die angelegte Spannung U0 ist. Die eine Platte ist dann elektrisch positiv, die andere negativ geladen. Auf der negativ geladenen Seite herrscht also ein Elektronenüberschuss.

Kapazität eines Kondensators

Wie viel Kapazität der Kondensator hat, hängt von seinen Abmessungen und dem Material ab und wird als Kapazität (Formelzeichen: C) bezeichnet. Die Maßeinheit ist Farad, benannt nach Michael Faraday (auch vom Farady'schen Käfig her bekannt).  Ein Farad (SI-Einheitenzeichen F) ist die Kapazität eines Kondensators, der beim Anlegen einer Spannung U von 1 Volt jeweils eine Ladungsmenge Q von 1 Coulomb auf den beiden Platten speichert. 

Elkos oder Elektrolytkondensatoren

Im Layout von AV-Receivern und -Verstärkern kommen Elektrolytkondensatoren (auch Elkos) zum Einsatz. Bei dieser Bauart besteht der Kondensatorbelag aus einem Elektrolyt. So größer der Kondensator ist, umso höher ist die Speicherkapazität (aber auch umso teurer wird das Bauteil). Darum kommen in Boliden extrem große Kondensatoren zum Einsatz, die locker die drei- bis sechsfache Kapazität von einem Kondensator besitzen, der in einem 600-Euro-Modell zum Einsatz kommt. Noch extremer ist es bei leistungsfähigen separaten Endstufeneinheiten, wo auch 2 x 100.000 Microfarad-Elkos keine Seltenheit sind. 

Ein Elektrolyt ist eine leitende Flüssigkeit und hat beim Kondensatorenbau den Vorteil, dass damit relativ hohe Elektrische Kapazitäten von bis zu 1.000.000 µF erreicht werden können. Das Elektrolyt kann auch im fest verschlossenen Kondensatorgehäuse im Laufe der Jahre eintrocknen oder auslaufen. Besonders schnell trocknen Kondensatoren bei extrem hohen Temperaturen aus.  Die Kondensatoren werden übrigens mit einem Temperaturwert, z.B. 85°C oder 105°C, und einer bei dieser Temperatur zu erwartenden Lebensdauer gekennzeichnet. Je höher die Temperaturangabe, desto besser ist die Lebensdauer bei einer niedrigeren Einsatztemperatur.

Elektrolytkondensatoren haben im Gegensatz zu anderen Kondensatoren eine Polarität, d.h. sie haben einen positiven und einen negativen Pol. Bei der liegenden Bauform wird der positive Pol mit einer umlaufenden Kerbe gekennzeichnet, bei der stehenden Bauform (eingesetzt in AV-Receivern und AV-Verstärkern) verläuft auf der Seite mit dem negativen Pol ein aufgedrucktes Band mit sich wiederholenden „Minuszeichen“.  

Zusammenhang Kondensator - Transformator

Die Größe des Transformators im Netzteil sagt somit etwas über die Größe der Nennleistung eines Verstärkers aus, die Größe der Kondensatoren über seine - kurzzeitig höhere - Musikleistung.

Zu groß sollte allerdings der Unterschied zwischen Nennleistung und Musikleistung nicht sein. Sonst besteht bei vollem Aufdrehen des Verstärkers die Gefahr starker Verzerrungen und eines "harten" Klangbildes. Mit einem etwas kühnen Vergleich. Wenn Sie einen Zwölfzylinder von Null auf Hundert Kilometer maximal beschleunigen, "strengt" dies den Motor nicht an, er säuselt nur. Wenn sie das Selbe bei einem Vierzylinder versuchen, "rächt" dieser sich durch lautes Geheul.

Nun können Sie wenigstens ganz grob verstehen, was ihre Verstärker, sei es zentral oder als Verstärker in einer aktiven Box leisten und warum der Zentralverstärker so schwer sein muss.

Tipps zum Kauf und Betrieb.

• In einem großen Hörraum sollte nur ein sehr leistungsfähiger Verstärker zum Einsatz kommen. Mit "groß" umschreiben wir Raummaße ab ca. 40 Quadratmeter. Ist nicht nur eine gleichmäßige Beschallung bei erhöhter Lautstärke, sondern auch eine hohe Leistungsfähigkeit bei echtem Kino- oder Konzerthallenpegel erwünscht, muss man mindestens zu einem AV-Verstärker-/Receiver der Luxusklasse (ab ca. 2.000,00 €) oder aber, sind die Anforderungen nochmals höher, zu einer Vor-/Endstufenkombination greifen.

• Es ist nicht richtig, dass für kleinere Hörrräume automatisch ein kleiner dimensionierter Verstärker die Ideallösung ist. Vielmehr kann man wieder einmal einen Vergleich aus der Automobilbranche heranziehen. Ein Zwölfzylinder beeindruckt nicht ausschließlich dann, wenn man ihn mit 250 km/h und mehr über die Autobahn jagt. Nein, er schafft schon bei moderaten Geschwindigkeiten (z.B. 160 oder 170 km/h) einen souveränen, gelassenen Eindruck, weil er die Kraft einfach "aus dem Ärmel" schüttelt, samtweich läuft und kaum zu hören ist.
  
  Dieses Gefühl der üppigen Leistung, verbunden mit absoluter Gelassenheit, vermitteln auch hochklassige Verstärkereinheiten, und zwar grundsätzlich, also auch im kleinen Hörraum. Je nach der Dimensionierung der Endstufeneinheit nimmt dieses Gefühl dann ab einer bestimmten Raumgröße, verbunden mit einem bestimmten Pegelwunsch, ab.

• Ist Ihnen höchste Leistungsfähigkeit bei den Verstärker-Einheiten wichtig, dann achten Sie nicht auf Unmengen an Features, sondern kaufen sich lieber eine Vor-/Endstufenkombination. Möchten Sie beides, also Leistung und Features satt, dann kaufen Sie einen voll ausgestatteten Boliden (der sehr viel mehr Ausstattung mitbringt als die Vorstufen zu den entsprechenden Endstufen, gerade die Anschlussauswahl und die Anzahl der elektronischen Zusatzfunktionen/z.B. DSP-Sektion sind bei vielen ansonsten sehr hochwertigen Vorverstärkern stark limitiert) und separat eine leistungsstarke Endstufe, die Sie an die Vorverstärkerausgänge des AV-Verstärkers oder -Receivers anschließen.
• Sorgen Sie während des Betriebs für genügend Kühlluftzufuhr. "Sperren" Sie Ihre Verstärker-Einheiten nicht ins Rack ein. Vor allem nach oben muss etwas Luft vorhanden sein, denn auf der Oberseite befinden sich in den meisten Fällen die Kühlluftöffnungen.

• Ganz wichtig: Ergänzen Sie einen leistungsfähigen Verstärker mit entsprechenden Lautsprechern. Der Klang ist nur so gut wie das schwächste Glied in der Kette, das heißt, dass auch die Lautsprecher von hoher Qualität sein müssen. Umgekehrt ist es auch nicht der richtige Weg, am Verstärker zu sparen. Auch die Kombination aus ausgezeichneten Lautsprechern und unterdurchschnittlichem Verstärker kann sogar zu Schäden beim Equipment führen, indem der Verstärker bei der geforderten Lautstärke nicht mehr in der Lage ist, diese Leistung sauber zu  liefern. Die mit der Leistungslieferung verbundenen heftigen Verzerrungen führen zum berüchtigten "Clipping", das den teuren Hochtöner Ihres Lautsprechersystems zerstören kann. 

Ein leistungsstarker aktiver Subwoofer (im Bild der REL R 528 und der Sunfire HRS 12 ) versorgt

den Bassbereich und entlastet die Endstufen des Mehrkanalverstärkers.

• Gerade preisgünstigere Verstärker für den Mehrkanalbetrieb verlangen oft nach externem Support im leistungsintensiven Bassbereich. Daher unbedingt einen entsprechend dimensionierten aktiven Subwoofer zusätzlich einsetzen.
• Sorgen Sie für eine akkurate Aufstellung aller Komponenten. Durch Aufstellungsfehler bei den Lautsprechern "verpufft" oftmals viel Klangqualität.

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