Audio Lastwiderstand mit 4 Ohm

Der Bericht beschäftigt sich mit der Messung des Frequenzgangs eines 4 Ohm Belastungswiderstandes für Hifi Verstärker.

Für Messungen an Hifi Verstärker werden eine Vielzahl von Messungen unter Last durchgeführt. Die Last beträgt in vielen Fällen vier Ohm oder acht Ohm. Für manche Messungen können z.B. auch Kapazitäten parallel geschaltet werden. Die meisten Messungen geschehen unter Last, wie z.B. Amplituden und Phasengänge oder auch für Klirrfaktor Messungen.

Anforderungen an den Lastwiderstand

ausreichende Größe, um problemlos die entstehende Verlustleistung abführen zu können. Die Verlustleistung sollte auch für einen längeren Zeitraum, z.B. 1 Stunde kein Problem darstellen, das ist nützlich für ein stressfreies Messen. Falls doch eine Erwärmung entsteht, sollte die Erwärmung den Widerstandswert nur unwesentlich verändern. 

Die größte Anforderung ist ein möglichst konstanter Frequenzgang über alle getesteten Audio Frequenzen. Ein paar hundert Kilohertz sind dafür eine gute Ausgangsposition. Auch der Phasengang sollte möglichst konstant sein.

Die geeignesten Widerstände hierfür wären z.B. 1 oder 2 Watt Metallschicht Widerstände. Eine Vielzahl solcher Widerstände sollte so verschaltet werden, daß die Verlustleistung abgeführt werden kann. Diese Konstruktion wäre ein recht aufwendiger Sonderbau aus ca. 100 - 200 einzelnen Widerständen.

Eine einfache Lösung sind Drahtwiderstände. Ein geeigneter geschickt gewickelter Drahtwiderstand ist für viele Messungen eine gute Lösung. Hierfür sind mehrere Typen zu probieren. Die Hersteller geben selten einen Frequenzgang für Drahtwiderstände an. Diese Widerstände haben Vorteile, wie hohe Überlastbarkeit ohne irreversive Schäden, geringe Temperaturabhängigkeit und die Möglichkeit der thermischen Kopplung an einen Kühlkörper.

Messung des Amplituden und Phasengang

Als Basis dient eine Serienschaltung aus einem Widerstand mit dem Lastwiderstand. Der Widerstand arbeitet als Strommesswiderstand. Für die Messung wird davon ausgegangen, daß sich der Drahtwiderstand unter geringer als auch unter hoher Last ähnlich verhält. Daher genügt als Quelle ein einfacher Frequenzgenerator. Als Serienwiderstand können beispielsweise 50 Ohm verwendet werden.

Verwendete Messgeräte

Frequenzgenerator HP 3325A. Multimeter zur Widerstandsmessung HP 3457A. Gain Phase Meter HP 3575A und ein externer 50 Ohm Widerstand.

Durchführung der Messung

Gemeinsame Masse der Schaltung an eine Seite des Lastwiderstandes und an die Masse des Generators. Der 50 Ohm Widerstand zwischen den Lastwiderstand und den Ausgang des Generators. Kanal A des HP3575A an den Lastiwderstand und Kanal B an den Generator. Erstelle eine mathematische Gleichung dieser Reihenschaltung und löse sie auf nach dem Betrag und Phase des Lastwiderstandes. Die Schaltung wird angeregt mit einer konstanten Amplitude von 2,76 Volt.

Initial Messungen

Gemessener Widerstand des 4 Ohm Lastwiderstandes bei 21°C beträgt 3,966 Ohm. Gemessener Widerstand des 50 Ohm Serienwiderstandes beträgt 50,1 Ohm.

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Bild 1 zeigt den Betrag der komplexen Impedanz des Lastwiderstandes. Bis ca. 100 kHz hat der Widerstand einen ohmschen Charakter und ist dadurch als Lastwiderstand gut geeignet. Selbst für die Bereiche 200 bis 400 kHz ist noch eingeschränkt zu gebrauchen, darüber hinaus ist es eine unsichere Angelegenheit.

Bild 2 zeigt den Phasengang des komplexen Lastwiderstands. Bis ca. 20 kHz ist der Widerstand noch vorzüglich. Erst danach beginnen seine induktiven Anteile stärker zu erscheinen. In den Bereichen von mehreren hundert Kilohertz ist der induktive Anteile immer dominierender.

Bild 3 zeigt den Betrag der komplexen Lastimpedanz im Bereich 1 MHz bis 13 MHz. Die Resonanzfrequenz des Widerstands ist bei etwa 10 MHz erreicht. Bei dieser Frequenz ist eine Impedanz von ca. 1900 Ohm wirksam. Steigt die Frequenz noch weiter an, dominieren die kapazitiven Anteile des Widerstands und verringern die Impedanz wieder enorm. Als ohmscher Lastwiderstand ist dieses Bauteil in den gezeigten Frequenzbereichen unbrauchbar.

Bild 4 zeigt den Phasengang der komplexen Lastimpedanz im Bereich 1 MHz bis 13 MHz. Deutlich zu sehen bereits bei 1 MHz die hohen induktiven Anteile. Im Bereich 10 MHz rast die Phase in Richtung kapazitiv.

Erkenntnis aus der Messung

Der Lastwiderstand ist bis etwa 10 kHz als sehr gut zu bezeichnen, bis 20 kHz als gut, bis 100 kHz als befriedigend darüber hinaus als ausreichend mit der Steigerung nach ungenügend. (Erinnert mich an die Schule).

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Bild 5 zeigt ein miserables Foto des 4 Ohm Lastwiderstands (ein besseres kommt später). Der Widerstand (Körper) hat eine Länge von ca. 11,5 cm und ist aus Aluminium. Er ist montiert auf einer ca. 7 kg schweren Aluminiumplatte, die als Kühlkörper benutzt wird. Der Widerstand ist nach Hersteller Angaben mit 250 Watt belastbar. Die Wärmeleitpaste und der große Kühlkörper, bewirken, daß sich der Widerstand kaum erwärmt.

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