Lautsprecher Basics #5: Elektronik

In diesem Teil unseres Lautsprecher Workshops wollen wir uns dem Thema Elektrik widmen. Dazu gehören Frequenzweichen, Endstufen und Kabel.

Frequenzweichen

Weichen werden bei Mehrwegeboxen eingesetzt um die Treiber in verschiedene Frequenzbereiche aufzusplitten. Zum Beispiel wird bei einer 2-Wegebox in Tief-/Mittelton und Hochton unterteilt, bei einer 3-Wegebox in Tiefton, Mittelton und Hochton. Dabei sorgen Lowpassfilter, Bandpassfilter und Highpassfilter dafür, dass der jeweilige Treiber nur in seinem optimalen Frequenzbereich arbeitet. Dies kann sowohl analog als auch digital umgesetzt werden.

Bei analogen Weichen werden für solche Schaltungen Widerstände, Spulen und Kondensatoren verwendet. Beispielsweise lässt sich ein Lowpassfilter 1. Ordnung (6dB Flankensteilheit) realisieren, indem ein Widerstand vor einen Kondensator geschaltet wird. Ein Highpassfilter funktioniert genau anders herum und ein Bandpassfilter kann durch eine Reihenschaltung der beiden vorherigen Filter erzeugt werden. Spulen werden eingesetzt um eine höhere Flankensteilheit zu erzielen.

Aber wo befinden sich Frequenzweichen eigentlich? Außerhalb oder innerhalb einer Box? Vor oder nach der Endstufe? Es gibt verschiedene Möglichkeiten, welche ich nun einmal erläutere.

Passive Frequenzweiche

Eine passive Weiche braucht keinen Operationsverstärker und darum benötigt sie auch keinen Strom. Das Signal wird in der Endstufe verstärkt und läuft dann durch die Weiche, welche das Signal in die verschiedenen Frequenzbereiche aufteilt und anschließend an die Treiber weitergibt. Eine solche Weiche sitzt in der Box.

Aktive Frequenzweiche

Diese Weiche arbeitet mit Operationsverstärkern und braucht deshalb Strom. Das Signal wird gesplittet und an die jeweilige Endstufe des Treibers geschickt. Daraus ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad. Bei Studiomonitoren sitzen Weiche und Endstufen innerhalb einer Box. In der Veranstaltungstechnik kommt es auch vor, dass beides ausgelagert wird.

Passiv/Aktiv Weiche

Es gibt auch eine Kombination aus aktiver und passiver Frequenzweiche. Zum Beispiel könnte eine aktive Frequenzweiche das Signal in Tiefton und Mittel-/Hochton aufsplitten. Eine Endstufe verstärkt das Signal für den Subwoofer. Das restliche Signal wird in einer anderen Endstufe angehoben und durchläuft darauf eine weitere Frequenzweiche (passiv). Diese splittet das Signal nochmals auf und gibt es an Hochtöner und Mitteltöner weiter.

Digitale Frequenzweiche

Wie schon erwähnt, lässt sich eine Weiche auch digital umsetzen. Ein Vorteil ist, dass Phasenverschiebungen korrigiert werden können. Auch lassen sich Presets abrufen und es kann mit verschiedenen Filtercharakteristiken gearbeitet werden. Jedoch verursachen digitale Frequenzweichen eine kleine Verzögerung.

 

Endstufen

Eine Endstufe wird als Leistungsverstärker eingesetzt. Dabei werden Strom und Spannung verstärkt. Im Gegensatz dazu hebt der Vorverstärker nur die Spannung an. Es gibt Vollverstärker, in denen die Vorstufe und Endstufe in einem Gerät sitzen. Im Studiobetrieb übernimmt die Vorstufe meist ein Mischpult oder Audiointerface. Die Endstufe ist entweder ein eigenes Gerät oder in einer Lautsprecherbox verbaut.

Eine Endstufe zeichnet sich durch eine gute Sinus- oder RMS-Leistung aus. In der Regel hat die Spitzenleistung keine Aussagekraft. Die Leistungsangabe einer Endstufe bezieht sich immer auf die Nennimpedanz einer Box und wird in Ohm angegeben. Meistens liegen die Werte bei 4, 8 oder 16 Ohm. Die Impedanz muss mindestens so groß sein, wie die Angabe einer Endstufe. Ist sie größer, kann nicht die volle Leistung generiert werden. Es schadet aber weder dem Lautsprecher noch der Endstufe. Ist die Impedanz einer Box geringer, kann dies der Endstufe schaden oder sie schaltet sich einfach aus.

Wenn ein Lautsprecher eine Nennimpedanz von 4 Ohm hat, die Endstufe aber 8 Ohm verlangt, kann man zwei Speaker in Serie schalten und erhält wieder die geforderten 8 Ohm. Genauso können zwei Speaker mit jeweils 16 Ohm parallel an eine 8 Ohm Endstufe gehangen werden, da sich die Last auf die Endstufe halbiert.

Ein qualitativ besseres Ergebnis erzielt man immer bei einer parallelen Schaltung. Der Grund dafür ist, dass die Spule einer Weiche als induktiver Widerstand das Signal verändert. In einer seriellen Schaltung würde dies an die nächste Box weitergegeben werden.

Um mehr Leistung zu erzielen, können Endstufen auch über eine Brückenschaltung verbunden werden. Dies geht aber nur mit identischen Endstufen, weil der schwächere Verstärker sonst Schaden davon trägt. Durch die Verdopplung der Ausgangsspannung wird die Leistung vervierfacht. Die Nennimpedanz des Lautsprechers muss mindestens doppelt so groß sein, wie die geforderte Last einer Endstufe. Ein Speaker wird an die beiden Pluspole der Endstufen angeschlossen, der andere Speaker kommt an beide Minuspole. Es gibt auch Stereo-Endstufen, welche einen Schalter „Bridge“ haben. Dieser brückt im gedrückten Zustand die Kanäle intern zusammen.

Das Verhältnis zwischen Endstufe und Lautsprecher sollten bei einer Mehrwegebox so gewählt werden, dass die Endstufe mehr Watt abgeben kann, als der Lautsprecher verträgt. Wenn zu viel Leistung auf die Speaker gegeben wird, hört man ein Zerren und kann den Pegel zurück drehen. Hat die Endstufe weniger Leistung als der Speaker aufnehmen kann, kann es bei zu lautem aufdrehen zu Verzerrungen der Endstufe kommen. Dann wird ein sehr obertonreiches Signal auf die Speaker gegeben, was dem Hochtöner schaden kann.

Kabel

Lautsprecherkabel brauchen je nach Leistung einen gewissen Durchschnitt um den hohen Strom leiten zu können. Durch den Eigenwiderstand des Kabels kann bei längeren Strecken ein hörbarer Leistungsverlust auftreten. Deshalb sollten sie immer so kurz wie nötig sein.

Author: Christian Nelles

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