Statischer Innenwiderstand
Ein
statischer Innenwiderstand bedeutet, der Widerstand ist konstant für alle
Lastbedingungen. Diese Bedingung kommt in der Natur genau genommen nicht
vor, eine Abhängigkeit von der Last ist immer vorhanden, manchmal mehr,
manchmal weniger. Für viele Spannungsquellen, z.B. Batterien darf von
einem statischen Innenwiderstand gesprochen werden, der in vielen
Arbeitspunkten konstant bleibt. Bei Spannungsquellen, die nicht geregelt
sind, läßt sich so ein "statischer" Innenwiderstand definieren.
Dynamischer Innenwiderstand bei einem Verstärker
Hierbei handelt es sich um einem Verstärker mit Gegenkopplung.
Innenwiderstand für den Fall der Gegenkopplung mit geschlossener
Regelschleife
Eine Regelung basiert auf dem
Prinzip der negativen Gegenkopplung der offenen Schleifenverstärkung. Auch
ein Hifi Verstärker hat einen Innenwiderstand. Da eine geschlossene
Regelschleife vorliegt, spreche ich nun von einem dynamischen
Innenwiderstand. Dynamisch deswegen, da der Verstärker aktiv versucht
ungewollte Spannungsverluste wieder auszuregeln, da er kontinuierlich
einen Istwert mit Sollwert Vergleich durchführt. Mit anderen Worten, ein
Verstärker ist eine konstante Quellenspannung mit blitzschnell
verstellbarem Innenwiderstand. Da hier eine ständige kontinuierliche (dem
Signal folgende) dynamische Verstellung des Innenwiderstandes geschieht,
nenne ich diesen Innenwiderstand: dynamischer
Innenwiderstand im jeweiligen Arbeitspunkt. Die Messung des
dynamischen Innenwiderstands erfolgt wie in Bild 4 beschrieben, als
Signalquelle wird eine Wechselspannung an den Verstärker angelegt. Der
dynamische Innenwiderstand hat Gültigkeit für diesen Arbeitspunkt.
In einem Koordinaten System
wird der Innenwiderstand als Y-Achse dargestellt und als X-Achse z.B. der
dazugehörige Arbeitspunkt (z.B. die jeweilige Aussgangsspannung). Von
dieser Funktion könnte noch die erste Ableitung gebildet werden, um
weitere Aussagen zu treffen.
In
der Elektronik und Audio Welt wurden für den Innenwiderstand bisher viele
Namen gefunden.
Dämpfungsfaktor Definition
Im
Prinzip beschreiben alle gelisteten Bezeichnungen den dynamischen
Innenwiderstand in der Einheit Ohm. Eine Sonderstellung nimmt dabei der
Dämpfungsfaktor an, er wird in ein Verhältnis zur Lautsprecherimpedanz (4
Ohm oder 8 Ohm) gesetzt, dabei kürzt sich die Einheit Ohm heraus. Der
Dämpfungsfaktor entspricht daher auch dem Innenwiderstand, nur in
umgeformter Schreibweise.
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Bild 5 zeigt die mathematische Definition des
Dämpfungsfaktors. Quotient der angeschlossenen Lautsprecherimpedanz
und dem Innenwiderstand im jeweiligen Arbeitspunkt des Hifi
Verstärker. Der Dämpfungsfaktor ist keine konstante Größe, wie es
oft angegeben wird. Er steht in Abhängigkeit zum veränderlichen
Innenwiderstand und der Lautsprecherimpedanz. Aus technischer Sicht
ist die Angabe eines Dämpfungsfaktors nur dann sinnvoll, wenn die
Messbedingungen auch angegeben worden sind.
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bei welcher Frequenz wurde der dynamische
Innenwiderstand gemessen
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bei welcher Amplitude wurde der dynamische
Innenwiderstand gemessen
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bei welcher Lastimpedanz wurde der dynamische
Innenwiderstand gemessen
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Es würde
beispielsweise überhaupt keinen Sinn ergeben, es wäre sogar falsch,
einen sehr guten dynamischen Innenwiderstand bei geringer Belastung
zu ermittteln und diesen danach mit 4 Ohm ins Verhältnis zu setzen,
um einen guten Dämpfungsfaktor zu erhalten. Sehr sinnvoll ist es den
Innenwiderstand bei der Belastung zu messen, bei der dann später
auch der Dämpfungsfaktor angegeben wird. Ohne Angaben der
Messbedingungen ist die Angabe eines Dämpfungsfaktors aus
technischer Sicht nicht ausreichend.
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Der
Innenwiderstand eines Verstärkers ist im wesentlichen abhängig von der
Frequenz, Temperatur und der Last. Allgemein läßt sich sagen, ein sehr
niedriger dynamischer Innenwiderstand ist eine gute Vorraussetzung für
einen niedrigen Klirrfaktor.
Der dynamische Innenwiderstand ist zu 100% abhängig von der
Open Loop der Regelschleife. Wenn der dynamische Innenwiderstand bei
sehr hoher Belastung ansteigt, so liegt die Ursache darin, daß in dieser
Betriebsbedingung die Open Loop drastisch reduziert wird.
Der dynamische
Innenwiderstand ist ein "geregelter" Innenwiderstand und kann dadurch sehr
kleine Werte annehmen. Selbstverständlich hat das nur Gültigkeit für den
Bereich der noch regelbaren Last. Somit ist klar, weshalb auch ein kleiner
Operationsverstärker einen kleinen Ausgangswiderstand haben kann.
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Bild 6 zeigt ein etwas ungewohntes Denkmodell für einen
Gegentaktverstärker.
Zu sehen sind zwei
Quellenspannungen, mit jeweils einem verstellbaren Innenwiderstand.
Liegt nun ein positives Eingangssignal am Regler (Control Amp) an,
so wird der obere Innenwiderstand auf einen sehr hochohmigen Wert
gestellt, so daß nur sehr wenig Strom durch die obere Quelle fließen
kann. Zeitgleich dazu wird vom Regler der untere Innenwiderstand
solange verringert bis der gewünschte Strom durch den Lautsprecher
fließt. Genauer gesagt, bis sich die gewünschte Spannung am Ausgang
einstellt. Für negative Spannungen drehen sich die Verhältnisse um.
Die Feedback Leitung
ist ein Teil der ständigen Kontrolle (Regelung), ob die beiden
Innenwiderstände auch richtig eingestellt worden sind. Und je
penibler und kleinlicher die Kontrolle geschieht, desto höher ist
die Open Loop.
Ist die Wunschspannung
Null Volt, so sind bei gleicher Quellenspannung beide
Innenwiderstände auf den gleichen Wert eingestellt. Ja aber auf
welchen Wert? Gute Frage - bis der gewünschte Ruhestrom der Endstufe
erreicht ist.
Die Transistoren im
Verstärker übernehmen die Rolle der einstellbaren Innenwiderstände.
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Große Verstärker kleiner Innenwiderstand? -
kleiner Verstärker großer Innenwiderstand?
Ein großer Hifi Verstärker -
das bedeuted noch lange nicht, daß sein dynamischer Innenwiderstand
automatisch sehr klein muß. Nein, ein sehr gut gemachter kleiner
Verstärker kann durchaus besser sein als ein weniger gut entwickelter
großer Verstärker. Der wesentliche Unterschied ist nur der, ab einer
bestimmten Belastung kapituliert der kleine Verstärker, ihm geht die Luft
aus, sein dynamischer Innenwiderstand steigt stark an. Während
hingegen beim Großen erst bei viel größerer Belastung der dynamische
Innenwiderstand etwas stärker ansteigt.
Folgen eines schlechten Dämpfungsfaktor
Zunächst nochmals die Erinnerung, eine
Angabe eines Dämpfungsfaktors ist technisch nur sinnvoll unter Angabe
der Randbedingungen. Erst wenn für die Prüflinge Dämpfungsfaktoren
vorliegen, die unter ähnlichen Randbedingungen gemessen worden sind,
ist ein Zahlenvergleich vertretbar.
Folgen eines schlechten
Dämpfungsfaktor sind, das Ausgangssignal entspricht weniger dem Idealbild
des verstärkten Eingangssignal. Die Folgen sind lineare und auch
nichtlineare Verzerrungen.
Auch vom Lautsprecher generierte Spannungen kann ein Verstärker mit
niedrigem dynamischen Innenwiderstand besser ausregeln als einer mit
kleinem Dämpfungsfaktor. Lautsprecher generieren ungewollte Spannungen
am ihren Anschlüßen, ähnlich der Funktionsweise eines Mikrophons. Der
Verstärker muß diese unterdrücken. Ein Maß dafür wie generierte
Störungen untedrückt werden, ist z.B. die Load Rejection Ratio. Die
Fähigkeiten einer Regelung Schwankungen der Lastimpedanz
auszugleichen. Wie sich unterschiedliche Dämpfungsfaktoren auf den
Klang auswirken, Lautsprecher Hersteller kennen sich damit gut aus.
Eine relativ lineare
Regelstrecke mindert auch den Effekt der Entstehung von nichtlinearen
Verzerrungen. Womit wir beim nicht gegengekoppelten Verstärker angelangt
sind. Ein nicht gegengekoppelter Verstärker bedeutet, der Verstärker hat
keine Gesamtgegenkopplung des Ausgangssignales. Lediglich einzelne
Verstärkerstufen sind gegengekoppelt, z.B. durch Emitterwiderstände oder
durch Kathodenwiderstände bei einem Röhrenverstärker. Ein nicht
gegengekoppelter Verstärker arbeitet als Steuerung und nicht als Regelung.
Bei direkt vergleichbarer Leistung beider Verstärker Typen, hat der
gesteuerte Typ einen höheren Innenwiderstand als der geregelte Verstärker.
Der Entwickler von einem gesteuerten Verstärker richtet sein
Hauptaugenmerk darauf, die Übertragungsstrecke möglichst zu linearisieren
und versucht auf diesem Weg Verzerrungen gering zu halten.
Dämpfungsfaktor Klasse D Verstärker
Ein
Klasse D Verstärker ist im Prinzip ein Vollbrücken oder Halbbrücken
Schaltnetzteil, daß die Ausgangsspannung sehr schnell ändern kann. Die
Führungsgröße des Regelkreises ist hier keine Gleichspannung wie im
Schaltnetzteil sondern das Musiksignal. Es ist ein pulsweitenmoduliertes
Ansteuersignal mit einer Frequenz, die teilweise schon bei 2-3 MHz liegt.
Ein LC Filter am Ausgang filtert den Träger und hochfrequente Anteile
wieder heraus, übrig bleibt das Musiksignal.
Auch ein Klasse D Verstärker
ist ein regelungstechnisches Gebilde - Teil einer Regelschleife - daher
gelten für ihn die selben Anforderungen wie für einen Linearverstärker
auch. Der Dämpfungsfaktor ist für Klasse D genauso wichtig wie für jeden
anderen Verstärker. Klasse D Verstärker haben (noch) nicht die
hervorragenden regelungstechnischen Eigenschaften, z.B. Dämpfungsfaktor,
wie sie mit Linearverstärker heutzutage erreicht werden können. Die
Ursache dafür ist nicht das Prinzip des Klasse D Verstärkers
selbst, sondern vielmehr die Tatsache, daß mit dem heutigen Stand der
Bauteiletechnik in Kombination mit dem Prinzip Klasse D als Stellglied
einfach keine besseren regelungstechnischen Eigenschaften erreichbar sind!
Das Prinzip ist theoretisch gut - die Realisierbarkeit mit den heutigen
Bauteilen ist eine andere, z.B. die Schaltgeschwindigkeit heutiger
Powertransistoren ist immer noch zu gering, die realisierbaren
Schaltfrequenzen sind noch zu gering. Der Bau von
Leistungsschaltnetzteilen allgemein (auch Klasse D), ist eine Kunst und
hat ihre Grenzen in den Bauteilen und parasitären Effekten. Die nächsten
Jahre werden daran auch nicht viel ändern.
Ausblick Digitalverstärker
Ich
vermute in den nächsten Jahren werden die meisten Verstärker Digital
Verstärker sein. Sie üben einen großen Reiz aus auf die Industrie, mit den
damit verbundenen fertigungstechnischen Vorteilen (Hauptvorteil - weniger
Abwärme, geringere Herstellungskosten). Es wird ein großer Markt werden,
der Verbraucher sehnt sich ständig nach Neuem.
Trotz allem wird ein sehr gut
gemachter analoger Transistorverstärker mit Sicherheit auch in Zukunft dem
Digitalverstärker das Wasser reichen können. Sicher ist, die Stückzahlen
für Analogverstärker werden sich stark reduzieren. Ein Aussterben kann ich
mir beim besten Willen nicht vorstellen, nur ein Ausdünnen, sonst gäbe es
schon lange keine Röhrenverstärker mehr. Die Fangemeinde und einige
technische Vorteile werden "Ihn" am Leben erhalten. Analog lebt.
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