Der ANALOGE Verstärker  - einfach erklärt (1/2)

23.10.2005 (hr/cr)

Schaffen Sie die Komponenten Ihrer neuen Hi-Fi- oder Heimkinoanlage selbst nach Hause, fällt Ihnen gewiss auf, dass ausgerechnet der Verstärker – wenn er, wie heute noch in den meisten Fällen üblich, analog arbeitet - ein unangenehm hohes Gewicht hat. Ist das in einem Zeitalter noch notwendig, in dem gerade elektronische Bausteine immer kleiner und leichter werden?

Um dies zu verstehen, müssen wir uns darüber klar werden, was unser Verstärker tun muss. Er soll die verschiedenen Boxen in unserem Wohnzimmer so mit Leistung versorgen, dass wir - bequem im Sessel sitzend - ein Forte einer Beethovensymphonie oder das Geräusch eines explodierenden Autos akustisch so treu mitbekommen, als säßen wir im Konzertsaal oder wären wir Augen- und Ohrenzeuge eines grausigen Bombenattentats.

Auch ohne die Formel für die physikalische Größe Leistung zu kennen, können wir uns ganz anschaulich vorstellen, dass unser DVD-Player schlicht überfordert wäre, unsere bis zu acht Lautsprecher gleichzeitig zu bedienen, die zudem jeweils aus mehreren Lautsprechern bestehen. Ja, wenn er nur unseren dynamischen Kopfhörer versorgen müsste, den wir am späten Abend aufsetzen, um unsere Nachbarn nicht zu stören, dann würden 100 mW völlig ausreichen. Das könnte wohl unser Player alleine schaffen.

Der Tiefbassbereich verlangt nach viel Leistung. Darum kommt für den entsprechenden Tiefbass-Support oftmals ein eigener aktiver Subwoofer zum Einsatz. Besonders Heimkinoliebhaber, die viel Wert auf extrem hohe Pegel legen, sollten sich einen sehr leistungsstarken aktiven Subwoofer wie den oben im Bild gezeigten Teufel M12000 "Uncle Doc" zulegen

Aber um einen leistungsfähigen Tieftonlautsprecher, wie er in einen Subwoofer eingebaut ist so richtig in Gang zu setzen, braucht es z.B. bis zu 500 W, also das 5000-fache an Leistung. Deshalb besitzt gerade der Subwoofer auch noch einen eigenen Verstärker, ist also eine "aktive" Box. Allgemein kommt es bei Lautsprechern auf die Höhe der Ströme, nicht die Höhe der Spannungen an: Die Auslenkung der Membran ist nämlich umso größer, je größer der Strom ist, der durch die Spule des Lautsprechers fließt. Also brauchen wir Lautsprechersysteme im Niedrigvoltbereich, aber mit hohen Strömen.

Der "Job" des Verstärkers

Zurück zu unserem zentralen Verstärker. Er muss als Leistungsverstärker die relativ kleine Ausgangsleistung unseres DVD-Spielers im Milliwattbereich so "verstärken", dass zumindest die passiven Boxen ihre Aufgabe so gut erfüllen, dass wir - schließen wir die Augen - glauben müssen, im Konzertsaal zu sitzen oder die Filmhandlung live mit zu erleben. Über Tieftonlautsprecher haben wir bereits gesprochen. Aber auch ein dynamischer Hochtonlautsprecher braucht immerhin bis zu 80 W. Nun wechselt bei Lautsprechern verständlicherweise dauernd die Lautstärke. Deshalb muss der Verstärker bei keinem Lautsprecher stets die höchste Leistung durch Lieferung der bauartmäßig größten Ströme erbringen. 

Für exorbitante Leistungsfähigkeit elementar wichtig ist, dass der Verstärker hohe Ströme handhaben kann - dies ist in der Praxis von höherer Bedeutung als die Wattzahl. Besonders Harman Kardon hebt daher immer wieder die Hochstromfähigkeit seiner AV-Verstärker hervor. Der Harman Kardon AVR-635 ist im Umgang mit hohen Stromstärken trotz seines moderaten Kaufpreises sehr begabt

Hochwertige AV-Verstärker und -Receiver sowie Vor-Endstufenkombinationen verfügen über sehr leistungsfähige Transformatoren, die dann meist als Ringkerntrafo ausgelegt sind. Im Bild der Trafo des AV-Verstärker-Masterpieces Denon AVC-A11XV

Der Transformator (Trafo)

Die Energie zu seinem Kraftakt entnimmt der Verstärker dem Netz mit 220 V Wechselstrom. Mit solch hohen Spannungen fangen, wie wir gesehen haben, Lautsprecher aber nichts an: Sie benötigen hohe Ströme im Niedrigvoltbereich. Also muss die hohe Netzspannung in die für die Lautsprecher geeignete niedrigere Spannung umgewandelt, "transformiert" werden. Dies leistet ein Transformator im Netzteil des Verstärkers. Er besteht aus einem geschlossenen Eisenkern und zwei Spulen, die um seine Schenkel gewickelt sind. Auf der Netzseite sind es viele Windungen eines dünneren, auf der Niedervoltseite weit weniger Wicklungen eines dickeren Kupferdrahtes. 

Die eingangsseitige Wicklung wird Primärseite genannt, an dieser liegt die Netzspannung an, die ein Magnetfeld erzeugt, das mit Hilfe des Kerns zur ausgangsseitigen Wicklung, der Sekundärseite, geleitet wird. Dieses Feld erzeugt (induziert) hier wiederum eine Spannung. Deren Höhe kann über das Verhältnis der Windungszahlen von Primär- und Sekundärwicklung eingestellt werden. 

Die Leistungsfähigkeit eines Transformators wird in VA (Volt x Ampere) gemessen. Bereits ohne großen weiteren technischen Sachverstand kann man schon an der Größe des Trafos erkennen, wie es um die Leistungsfähigkeit bestellt ist. Nur große Modelle mit schwerem Kern (daher sind diese Trafos auch richtig schwer und können leicht mehrere kg wiegen) sind im Niedervoltbereich (der bei Leistungsverstärkern der Unterhaltungselektronikindustrie entscheidend ist) zur Lieferung der erforderlichen hohen Stromstärken fähig, wenn man entsprechend groß dimensionierte und folglich leistungshungrige Lautsprecher (mit üppig dimensionierten Basschassis) einsetzt.

Wichtig für das Bereitstellen hoher Stromstärken ist nicht die Anzahl der Wicklungen (die Anzahl der Wicklungen auf den unterschiedlichen Seiten des Trafos sagt nur etwas über das Spannungsverhältnis bei Ein- und Ausgangsspannung aus, wenn z.B. 220 Volt am Eingang anliegen und 110 Volt am Ausgang anliegen sollen, sind auf der Eingangsseite doppelt so viele Wicklungen erforderlich), sondern die Dicke der Wicklungen und der Querschnitt des Kerns. Umso größer der Kernquerschnitt (Kraftfluss!) ist, umso größer ist der induzierte Strom und damit die Fähigkeit, hohe Stromstärken bereit zu stellen. 

Ein Qualitätsmerkmal hochwertiger, für den Audiobetrieb vorgesehener Transformatoren ist aber auch die Abschirmung, da gerade in leistungsfähigen Trafos ein beträchtliches Magnetfeld erzeugt wird, welches sich bei unzureichender Abschirmung (sozusagen ein Mantel rund um den eigentlichen Trafo) negativ auf die übrigen Elemente der Verstärkerschaltung auswirkt. Eine entsprechende Abschirmung ist ebenfalls ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor. Auch muss der große, schwere Trafo aufwändig befestigt werden, um Vibrationen zu minimieren.  

die Anzahl der Wicklungen auf den unterschiedlichen Seiten des Trafos sagt nur etwas über das Spannungsverhältnis bei Ein- und Ausgangsspannung aus, wenn z.B. 220 Volt am Eingang anliegen und 110 Volt am Ausgang anliegen sollen, sind auf der Eingangsseite doppelt so viele Wicklungen erforderlich

Die Kühlung

Große AV-Boliden wie der Mega-Test: Pioneer VSA-AX10Ai-S haben üppige Aluminium-Kühlkörper (die schwarzen geriffelten Objekte ca. im Zentrum des Bildes) für eine effiziente Wärmeableitung

Noch etwas ist gerade beim analogen Verstärker sehr wichtig und neben der Trafo-/Netzteilsektion mit fürs hohe Gewicht verantwortlich: Die passive Kühlung. Bei einem analogen Verstärker geht während des Verstärkungsprozesses ein großer Teil der Energie in Form von Wärme verloren (Verlustwärme). Das ist übrigens ein Grund, der für Digitalverstärker spricht. Hier ist die Effizienz extrem hoch, es entsteht praktisch kein Energieverlust durch Wärme. 

Durch das Arbeitsprinzip des analogen Verstärkers ist es normal, dass sich die am Verstärkungsprozess beteiligten Komponenten erwärmen, das ist nichts Beängstigendes - auch ein Mensch, der körperliche Arbeit verrichtet, beginnt zu schwitzen, das ist nichts Außergewöhnliches und bedeutet nicht, dass dieser Mensch krank ist. Aber auch ein gesunder Mensch beginnt sehr schnell und über Gebühr zu schwitzen, wenn er z.B. bei 30 Grad Außentemperatur Pflastersteine schleppt und eine Ski-Daunenjacke anhat.

Genauso verhält es sich mit dem Verstärker. Auch ein eigentlich leistungsfähiger Verstärker kann sich nicht voll entfalten und ist schnell "am Ende", wenn die Kühlung nicht stimmig konstruiert ist. Wir unterscheiden zwei Arten der Kühlung:

1. Die aktive Kühlung durch einen Ventilator

2. Die passive Kühlung durch spezielle Kühlelemente. Diese sind bei preiswerten Verstärkern oft aus Blech, bei höherwertigen und hochwertigen Modellen hingegen ausschließlich aus speziell gepresstem Aluminium, das eine bessere Wärmeableitfähigkeit mitbringt.

Verschiedene AV-Verstärker und -Receiver verwenden auch eine gemischt-aktiv-passive Kühlung. Das heißt, bei extremer Belastung greift zusätzlich der Ventilator ein. Die aktive Kühlung sollte unserer Meinung nach aber entweder gar nicht oder wirklich nur in Extremfällen zum Einsatz kommen, da ansonsten deutliche Beeinträchtigungen durch Geräuschverschmutzung entstehen.  Das wissen auch viele Hersteller, darum werden große Kühlkörper eingesetzt, um entweder gar keinen Ventilator verbauen zu müssen oder nur im Notfall auf einen sehr leise Laufenden Hochleistungsventilator für sehr kurze Zeit zurückgreifen zu müssen. 

Der Transistor

Nun kommen wir zurück zum Verstärkungsprozess. In den Eingangsteil unseres vom Niedrigvoltteil des Transformators gespeisten Verstärkers gelangen die Ausgangssignale unseres DVD-Players. Diese Signale kommen wegen des digitalen Speichermediums DVD aus einem Digital-Analog-Wandler (bei digitaler Verbindung DVD-Player-Mehrkanalverstärker) und werden durch kleine Ströme und Spannungen dargestellt. Herzstück des Verstärkers bilden Transistorschaltungen. Sie machen aus kleineren Ströme größere, so wie wir sie für unsere Lautsprechersysteme brauchen. Transistoren selbst sind mikroelektronische Bauelemente und deshalb klein und leicht. 

Um bei Transistoren die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, werden immer wieder neue Technologien eingesetzt. So z.B. bei Pioneer die "Advanced Direct Energy MOS FET" (A.D.E. MOS FET, MOS FET ist die Abkürzung für Metal Oxide Semiconductor ) Transistoren. Die Vorteile liegen in höherer Stabilität bei niedrigen Impedanzen und geringerer Verlustleistung. Durch ebenfalls neu entwickelte Treiberstufen erzielt der A.D.E. MOS FET-Transistor eine stabile Raumabbildung sowie ein klares, detailliertes Klangbild bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit auch an niedrigen Impedanzen. Die eingebaute Temperaturkontrolle des Schaltkreises stabilisiert den Arbeitspunkt des Transistors, was sehr wichtig ist in Bezug auf eine verzerrungsfreie Wiedergabe, da ein Abdriften des Arbeitspunktes das Auftreten von Verzerrungen nach sich zieht. Genau aus diesem Grund setzt z.B. auch Denon Transistoren mit Arbeitspunkt-Stabilisierung bei den höherwertigen Modellen ein.

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