Lineare Impedanz vs. Amp-Stabilität

Nimm eine Feder (Federwaage) und ein Gewicht. Häng das Gewicht an und beginne, die Federwaage mit der Hand nach oben und unten zu bewegen. Irgendwann kommst Du in den Bereich der Resonanz und obwohl Deine Hand nach oben geht, geht das Gewicht nach unten. Dabei ist der Ausschlag des Gewichtes viel grösser als Deine Handbewegung.
Du hast da einen mechanischen Schwingkreis gebildet. Und genau so ist es mit dem Lautsprecher. Bei seiner Grundresonanz bilden die Membraneinspannung und allenfalls die eingeschlossene Luft der Box die Feder und die Membranmasse das Gewicht. Wenn man nun schaut, wie hoch die zugeführte Energie im Resonanzfall für eine bestimmte Membranauslenkung sein muss, so stellt man fest, dass sie im Resonanzfall am geringsten ist.
Und weiter ist beim elektrischen Nachmessen eine Phasendrehung zwischen Strom und Spannung feststellbar. Dies gilt für eine Lautsprecherbox nicht nur im Bereich der Grundresonanz, sondern das Phänomen tritt bei jedem Frequenzübergang der Weiche auf. Und da ein Lautsprecher nicht nur eine Grundresonanz hat, sondern noch viele weitere dazu kommen, entstehen laufend Phasendifferenzen zwischen Strom und Spannung.

Nun kann ein Verstärker so ausgelegt sein, dass ihn dies wenig juckt. Es ist aber auch möglich, dass diese Phasendrehungen über die Gegenkopplung die ganze Schaltung in "Unordnung" bringen. Der vorher geringe Klirr, der grosse Dämpfungsfaktor, das geringe TIM und was es sonst noch gibt, ist plötzlich schlecht. Dies als Folge dieser Phasenprobleme, mit denen der Verstärker nicht klar kommt.
Daher kommt es vor, dass ein Verstärker mit bestimmten Boxen nicht gut arbeitet, während er mit anderen keine Probleme hat.

Das Problem ist, dass solche abenteuerlichen Impedanzkurven nicht genormt sind und sich auch nicht normen lassen, denn im Extremfall fürht schon eine bestimmte Aufstellung der Box zu Kurvenveränderungen. Wenn also ein Verstärkerhersteller seine Dinger nur mit dem Messwiderstand belastet und in dieser praxisfremden, aber reproduzierbaren Anwendung optimiert, wird er an vielen Boxen ein miserables Ergebnis liefern.
Wenn er aber Verstärker mit unterschiedlichen Boxen betreibt und unter diesen Bedingungen Messungen und Optimierungen vornimmt, bekommt er zwar letztlcih schlechtere Messdaten, aber einen besseren Klang.

Dass bisweilen Röhren gutmütiger sind, liegt an der Tatsache, dass man Röhrengeräten einen viel höheren Klirr zugesteht als Transistorverstärkern. Folglich kann man Röhrenverstärker ohne Überalles-Gegenkopplung bauen. Dies ist bei Transistorverstärkern weniger einfach möglich (ich weiss, es ist machbar). Daher läuft ein Röhrenverstärker mit solchen Lasten stabil. Aber er hat einen sehr geringen Dämpfungsfaktor, was gerade Boxen mit solchen Impedanzkurven nicht mögen.

Die Tatsache, dass ein Transistorverstärker bei halber Impedanz doppelte Leistung liefert, liegt daran, dass er ein Netzteil hat, das die Spannung auch bei höheren Strömen noch liefert und daran, dass die Transistoren diese Ströme vertragen.
Bei Röhren bleibt zwar meist die Betriebsspannung erhalten, aber erstens kann die Röhre den höheren Strom nicht ohne bleibende Schäden liefern oder zweitens ist eine nur schwache Gegenkopplung vorhanden, sodass sich die Ansteuerung der Endröhren nur wenig anpassen und drittens ist der dynamische innere Widerstand (nicht das Ri des Datenblattes) anders, sodass die höheren Ströme gar nicht machbar sind.

Ich versuche die komplexen Zusammenhänge, die man anhand von Kurven erklären könnte, relativ laienfreundlich zu erklären. Daher kann ich nicht alle sso genau erklären, wie es sich wirklich verhält.

Hallo richi44,
Danke schon mal für die Erklärungen.

Ok, die Frage der Laststabilität kann nicht allein auf reine Impedanzbetrachtungen reduziert werden. Da kommen noch die Phasendrehungen zu. Korrekt. Das ist ja immer schön z.B. an den Leistungs-Würfeln von "Audio" (? glaube ich) abzulesen.

Die Problematik des Dämpfungsfaktors würde ich hier gerne ausklammern (wenn das inhaltlich geht, mir scheint es so).

Ein Beispiel:
Ein fiktiver LS stellt über das FreqBand eine gleichmäßig Last von 8 Ohm dar, nur im Bereich um 200Hz sackt er auf 4 Ohm ab.

Ein guter Transistor-Amp würde das 'merken' und um 1kHz die doppelte Spannung liefern (verglichen mit einem LS, der auch dort 8-ohmig ist).
Ergebnis ist ein aalglatter Frequenzgang.
Wäre der Amp den 4 Ohm nicht gewachsen, bräche der Frequenzgang um 1kHz entsprechend ein.

Alles berachtet mit einem schönen Rauschton oder einem gleitenden Sinus als Testsignal (um hier mal die komplexen Signale raus zu halten).
Und zwar ist das Verhalten jeweils in etwa gleich bei geringer Last und Volllast.

Korrekt soweit?

Ein typischer Röhrig kann keine (wesentlich) erhöhte Leistung aufrund gesunkener Impedanz liefern (die technichen Gründe hast Du erklärt).
Kann so ein Verstärker als 4Ohm-stabil bezeichnet werden? Bricht hier nicht der FqGang ein?

Mein Punkt ist:
Es gibt anerkannt 4- oder auch 2Ohm-stabile Röhrenverstärker.
Liefern diese dann (wie die Transen) doch proportional mehr Leistung und meine anfängliche Ausgangsaussage "Röhren tun das prinzipiell nicht" ist falsch?

Oder habe ich da noch was übersehen?

Gruß

Jetzt liegst Du aber ganz falsch!

Ein fiktiver LS stellt über das FreqBand eine gleichmäßig Last von 8 Ohm dar, nur im Bereich um 200Hz sackt er auf 4 Ohm ab. Ein guter Transistor-Amp würde das 'merken' und um 1kHz die doppelte Spannung liefern (verglichen mit einem LS, der auch dort 8-ohmig ist).

Ein Transisotverstärker liefert unabhängig (zumindest theoretisch) von seiner Lastimpedanz immer die selbe Spannung. Wenn die Impedanz also bei 1kHz 8 Ohm ist und bei 200 Hz 4 Ohm, so ist die Spannung immer die gleiche, aber die Ausgangsleistung steigt bei den 4 Ohm auf das Doppelte an, weil jetzt durch den halbierten Widerstand der doppelte Strom (an der gleichen Spannung) fliesst, was eine Leistungsverdoppelung bedeutet.
Ausserdem werden Lautsprecher nicht mit konstanter Leistung gemessen und auch nicht mit konstantem Strom, sondern mit konstanter Spannung. Und auf diese Betriebsart werden sie optimiert. Also bekommst Du den aalglatten Frequenzgang nicht durch eine Überhöhung bei 1kHz, sondern nur durch eine konstante Ausgangsspannung.
Und daher spielt der Ri des Verstärkers (1: Dämpfungsfaktor) ab einer gewissen Grösse eine Rolle. Ist dieser Ri gross, so liefert der Verstärker keine konstante Spannung mehr, sondern allenfalls eine konstante Leistung. Und damit wird der Lautsprecher auf eine Art und Weise betrieben, für die er nicht optimiert ist.

Wäre der Amp den 4 Ohm nicht gewachsen, bräche der Frequenzgang um 1kHz entsprechend ein.

Also, die 4 Ohm nimmst Du ja bei 200 Hz an. Also müsste da und nicht bei 1kHz der Pegel einbrechen. Aber ein Transistorverstärker lässt den Pegel nicht einbrechen, auch nicht bei 2 Ohm.
Aber bei zu tiefen Lastimpedanzen steigt der Strom an. Und das wird ein Problem.
Nun können wir eine Rechnung anstellen. Angenommen, wir hätten eine Verstärker, der an 4 Ohm 20V liefert. Damit haben wir einen Strom von 5A und eine Ausgangsleistung von 100W.
Jetzt fällt die Impedanz auf 2 Ohm. Wenn die Ausgangsspannung nun nur 10V beträgt, weil wir nicht ganz aufgedreht haben, ist der Strom auch nur 5A. Es gibt also im Moment noch kein Problem. Die Transistoren müssen ja die 5A liefern können.
Aber weil die Ausgangsspannung nur 10V statt 20V ist, bleibt eine höhere Restspannung an den Transistoren stehen (die Ausgangsleistung ist übrigens nur noch 50W). Und damit steigt die Leistung über den Transistoren und diese werden heiss.

Damit in der Praxis nichts passiert, muss ein Überstromschutz vorhanden sein, der dann abschaltet, wenn die Stromgrenze der Transistoren langsam erreicht wird.
Und weiter muss eine Thermoüberwachung zur Abschaltung führen, damit die Transis nicht verheizt werden. Aber das ist dann "ein" oder "aus". Da geht keine Ausgangsspannung in die Knie. Sonst hätten wir ja einen grossen Ri, also einen sehr schlechten Dämpfungsfaktor, also etwas, was wir sicher nicht wollen.

Wenn ein Verstärker eine Überalles-Gegenkopplung hat, also von der Lautsprecherbuche zurück in den Endstufen-Eingang, wird immer das Signal aus dem Vorverstärker mit dem Ausgangssignal verglichen. Und damit wird das Steuersignal der eigentlichen Endstufe so lange verändert und angepasst, bis die Rechnung stimmt. Das bedeutet, dass auch ein Röhrenverstärker mit dieser Gegenkopplung bei halber Impedanz die höhere Leistung bringt, sofern der maximal zulässig Strom und die maximal zulässige Steuerspannung an der Röhre nicht überschritten werden.

Da es aber keine Transistorverstärker ohne Gegenkopplung gibt (irgendwo ist sie immer drin!), sehr wohl aber solche Röhrenverstärker, kann man das nicht generell mit so oder so beantworten. Mit dem Frequenzgang hat es aber in erster Linie nichts zu tun. Da wird es erst problematisch, wenn bei tiefen Frequenzen durch den höheren Strom bei der kleineren Impedanz der Ausgangstrafo in die Sättigung geht.

Zunächst: Im Beispiel sollte eingentlich einheitlich "1kHz" gelten (die "200Hz"-Angabe war ein Versehen, mein Fehler).
Dieser Wert und auch die verwendeten Ohm-Werte sind nur beispielhaft, ohne allzuhohen Anspruch auf praxisrelevanz (wobei es ja angeblich einfache Transistoramps geben soll, die tatsächlich keine 4 Ohm-Lasten vertragen).
Meinetwegen können wir auch 1 und 2 Ohm statt 4 und 8 nehmen.
Und ich beziehe mich der Einfachheit halber immer nur auf Röhrengeräte, die Laststabilität und lineraren FqGang überhaupt anstreben, also gegengekoppelte.

richi44 schrieb:

Ein Transisotverstärker liefert unabhängig (zumindest theoretisch) von seiner Lastimpedanz immer die selbe Spannung. (...) aber die Ausgangsleistung steigt bei den 4 Ohm auf das Doppelte an

Ok. So hatte ich das auch verstanden.
"Merken" war hier wohl ein unpassender Begriff, weil es keine bewußte/explizite Regelung ist.

richi44 schrieb:

Ausserdem werden Lautsprecher (...) mit konstanter Spannung (gemessen). (...) Also bekommst Du den aalglatten Frequenzgang (...) durch eine konstante Ausgangsspannung.

Konstant über den FqGang? Der LS ist (idealerweise) so ausgelegt, dass er bei konstanter Spannung einen glatten FqGang produziert? Also mit x Volt immer (annähernd) y dB schafft, einheitlich bei 50Hz und 15kHz?
Bei gleichbleibdender Impedanz würde dann ein Bass ebensoviele Watt brauchen wie ein (unbewertet) gleich lauter Hochton?
Die 'Volksweisheit', dass man für die Bässe im Vergleich ewig viele Watt braucht, hat demnach nur mit unserem ungleichmäßigem Gehör (Stichwort dBA) und evtl. typischen Impedanzsenken in diesem Bereich zu tun?

Hat der LS dann einen nichtlineraren Impedanzverlauf, spiegelt sich das eben in den mal mehr, mal weniger fleißenden Watt wieder. Und solange die benötigten Watt geliefert werden können, kann die Spannung gehalten werden und alles ist i.O.
Und auch Röhren-Amps können dies im Teillastbereich. Sie haben im Grenzbereich nur nicht die Möglichkeit, die max-Spannung(!) bei jeder Impedanz zu liefern?

Um nochmal meine Motivation für diesen Thread zu erklären:

In dem erwähnten Artikel (den ich selber nicht gelesen habe) ging es u.a. darum, dass (ein bestimmter Beispiel-)Röhren-Amp im Bass einbrach und somit den FqGang verbog. Mir stellte sich das (gefiltert) dar, als würde das vom Autor als recht typisch für Röhren-Amps angesehen. Es war aber eben nur ein(!) Beispiel an einem(!) LS.

Auf der anderen Seite gibt es, wie gesagt, auch anerkannt stabile Röhrenverstärker.
Und es gibt mitunter auch allgemein als unkritisch angesehene Impedanzschwankungen bei LS (z.B. Spitzen vom 16 Ohm im MT/HT-Bereich u.ä.).

Und dann gibt es Hersteller, die explizit versuchen, den Impedanzverlauf ihrer LS zu linearisieren (wobei ich annehme, dass hier nicht nur kritische Senken glattgebügelt werden).

Fazit:
Ich wüßte gerne, ob bzw. wie weit ein z.B. 4Ohm-stabiler Röhren-Amp auch von einem linearisierten LS profitiert ggü. einem LS mit zwar schwankender, aber immer über 4Ohm liegender Impedanz.
Insbesonsdere, aber nicht nur, für den Fall, dass ich für meinen angeblich 2Ohm-(und phasendrehungs-)stabilen Verstärker (auch von "Audio" gemessen) irgendwann mal neue LS suchen sollte.

Gruß

Hallo Axel
Im Prinzip ist ein grosses klassisches Orchester musikalische Referenz. Bei ihm ist die Leistungsverteilung über die Dauer eines Musikstücks gerechnet ideal. Das bedeutet, dass die Schallleistung pro Oktave gleich bleibt. Es ist also leistungsmässig gleich wie rosa Rauschen.
Das Hörspektrum umfasst rund 10 Oktaven. Also beispielsweise 80 bis 160 Hz oder 2500 bis 5000 Hz. Jeder dieser Oktaven hat die gleiche Leistung. Wenn wir also einen Verstärker mit 100W haben, so ist in der Praxis im Maximum 10W pro Oktave realistisch. Das widerspricht der Ansicht, dass Bass Leistung brauche. Er braucht so viel oder so wenig Leistung wie jeder aneder Bereich auch.
Was hier aber zu berücksichtigen ist, ist die Unsitte, den Bass voll aufzudrehen und die Loudness einzuschalten. Das hebt natürlich den Bass im Verhältnis zu den Mitten um bis zu Faktor 1000 an. Soll der Bassw nicht verzerren, bleibt für die Mitten praktisch nichts mehr übrig.

Richtig ist und bleibt, dass Musik im Grunde in keinem Bereich des Frequenzspektrums eine höhere Leistung verlangt.
Es gibt natürlich neben der genannten Unsitte bei der Wiedergabe die Unsitte bei der Aufnahme, einzelne Bereiche mit Filtern anzuheben und so eine höhere Leistung zu fordern. Aber das sind keine erstrebenswerten Aufnahmen.
Soviel zur geforderten Leistung.
Es wäre noch anzumerken, dass bisweilen Boxen mit speziellen Equalizern auf den Markt kommen, die bassschwach sind (frühere Bose) und bei denen durch diese Elektronik der Bass aufgepeppt wird. Das ist aber im Grunde genau so bescheuert wie die "überfilterte" Musik.

Zum Impedanzverlauf ist folgendes zu sagen:
Jeder Lautsprecher hat eine mehr oder weniger ausgeprägte Bassresonanz. An diesem Punkt steigt die Impedanz deutlich an. Da werden aus 8 Ohm plötzlich 50 Ohm. Dieser Anstieg führt zu elektrischen Phasendrehungen, die den Verstärker "nervös" machen können, aber nicht müssen.
Nach diesem einmaligen Ereignis auf der Impedanzkurve würde eigentlich Ruhe einkehren. Erst ab den Mitten steigt die Impedanzkurve allmählich an. Dies als Folge der Schwingspulen-Induktivität.
Wenn wir nun eine Mehrwegbox haben, so kann man die nötige Weiche berechnen. Wenn man dies tut, bekommt man einen recht ausgegelichenen Impedanzverlauf. Jedesmal, wenn ein Lautsprecher "ausgeblendet" wird, steigt seine Impedanz (oder besser jene der Weiche), dafür kommt der nächste Lautsprecher ins Spiel und reduziert damit die Impedanz wieder.
Wenn allerdings einfach mal frei nach Ohr eine Weiche zusammengeschustert wird, bis alles gut klingt, kann der Impedanzverlauf abenteuerlich werden und den Verstärker extrem belasten. Dass es solche Dinger gibt, ist Tatsache und wie frühetr schon erwähnt sind viele Verstärker nicht darauf getrimmt, sowas zu verdauen.

Nehmen wir nun mal an, wir hätten eine Box, die aus drei idealen Lautsprechern zusammengesetzt ist, so ist deren Impedanzverlauf (von der Bassresonanz abgesehen) gerade. Wenn der Frequenzgang ebenfalls gerade ist, kann man diese Box mit einer konstanten Spannung über den ganzen Frequenzbereich betreiben. Und konstante Spannung an konstanter Impedanz bedeutet auch (allfällige kleine Phasendrehungen nicht berücksichtigt) konstante Leistung. Das heistt so ganz nebenbei, dass diese Box für einen Bass bestimmter Lautstärke, für Mitten mit gleicher Lautstärke und auch für solche Höhen immer die gleiche Leistung benötigt, also nix mit Power im Bass.
Wenn die Impedanz unregelmässig ist, kann es sein, dass beispielsweise der Mitteltöner zu laut wäre und einfach mit einem Widerstand angepasst wurde. Dann ist in diesem Bereich die Impedanz höher und damit die zugeführte Leistung kleiner. Aber dies immer bei konstanter Spannung
(Logisch könnte und sollte man einen Spannungsteiler einsetzen, um die Impedanz einigermassen einzuhalten).
Wenn aber eine abstruse Weiche verwendet wird, kommt es zu Impedanzverläufen, die nicht mehr kontrollierbar sind. Da sind plötzlich Impedanzeinbrüche zu verzeichnen, die dem Verstärker vor allem Blindleistung abverlangen, was er meist gar nicht schätzt. Diese Weichen verschlechtern das Impulsverhalten extrem

Jetzt kann man sich vorstellen, dass es ein Leichtes ist, eine konstante Spannung an einen Verbraucher zu liefern, der eine konstante Impedanz hat. Das geht selbst mit schwach gegengekoppelten Röhrenverstärkern. Und solche Lautsprecher liefern an einem derartigen Verstärker recht gute Ergebnisse, obwohl er eigentlich (Bassgenauigkeit) einen höheren Dämpfungsfaktor bevorzugen würde.
Einen Lautsprecher mit abstruser Impedanzkurve kann man nur an einem äusserst laststabilen Transistorverstärker betreiben, weil er an einem nicht so laststabilen (schlechterer Dämpfungsfaktor) Röhrengerät keine konstante Spannung bekommt.

Generell gilt folgendes: Röhrengeräte ohne Gegenkopplung dürfen nicht ohne Last betrieben werden. Es schadet ihnen aber nicht, wenn sie kurzgeschlossen werden.
Röhrengeräte mit stärkerer Gegenkopplung (immer noch um Faktor 10 weniger als die meisten Transistorverstärker) dürfen im Leerlauf betrieben werden, aber sie vertragen keinen Kurzschluss.
Und wenn man am Ausgangstrafo weniger Windungen dickeren Draht am Ausgang verwendet, so kann man ohne weiteres sehr niederohmige Lasten damit betreiben. Man kennt schon seit langem die Induktionsschleifen für spezielle Schwerhörigengeräte. Da ist ein Draht im Boden verlegt, der ein Magnetfeld erzeugt, das mit dem Gerät aufgenommen und verstärkt dem Schwerhörigen zugespielt wird. Solche Dinger gab es schon zu Röhrenzeiten und diese Induktionsschleifen hatten zuweilen nur 1 Ohm.
Nur kann amn an diesem Anschluss keinen normalen Laustprecher vernünftig betreiben, weil die Spannung dann nicht ausreicht.

Abschliessend möchte ich betonen, dass man bei Röhren mit der Leistung eher zurückhaltend ist, weil Leistung teuer wird. Bei Transistorgeräten ist das weit weniger der Fall, weshalb schnell mal kräftigere Transistoren verbaut werden, die den Strom liefern können. Und darum kommt es im Partybetrieb mit einer Heimanlage oftmals zum Abrauchen des Netzteils, weil irgend etaws ist immer zu schwach unfd nicht für diease Betriebsart dimensioniert.

Mann Richi, Du gibst Dir je wirklich Mühe mit mir.

Verstanden habe ich nun, dass der ein Stück ein Bass-Leistungsbedarf ein Mythos ist. Und dass für Röhren und Transistoren die gleichen physikalischen Gesetze herrschen (oh Wunder ).
Impedanzliniarisierungen von LS sind eigentlich immer sinnvoll.

Was ich noch nicht ganz verstanden habe:

Einen Lautsprecher mit abstruser Impedanzkurve kann man nur an einem äusserst laststabilen Transistorverstärker betreiben, weil er an einem nicht so laststabilen (schlechterer Dämpfungsfaktor) Röhrengerät keine konstante Spannung bekommt.

Das würde doch heißen, dass die Laststabilität direkt vom DF abhängt.
Wie kommt es dann aber, dass es laststabile Amps mit geringem DF gibt? Ist die ermittelte "Stabilität" aufgrund praxisfremder Messmethoden attestiert worden?

Gruß

Hallo ihr zwei,

vielleicht ist auch dieser Beitrag von mir zu dem Thema interessant für euch...

@Axel: Laststabilitiät ist keine prinzipielle Frage des DF (aka Innenwiderstand) oder des Grades an Gegenkopplung, sondern eine Schaltungsangelegenheit, also ob das Endstufenkonzept mit extremen Lastwechseln und nicht-ohmschen Lasten ohne Schwingneigung oder Abrauchen der Bauteile oder Eingriff von Schutzschaltungen klarkommt. Viele auf "Ökononie" getrimmte Schaltungen haben oft keine Sicherheitsreserven und sind deswegen nicht ausreichend laststabil.

@Richi: Ich denke (bzw meine Philosophie ist es), dass kleine und breitbandige Entzerrungen lieber elektrisch vor dem Amp gemacht werden sollten, wenn der betroffene Treiber dafür ein besseres Impulsverhalten zeigen kann. Denn mit passiven Entzerrungen (Frequenzgang wie Phase) verändert man auch die äussere Dämpfung des Treiber entprechend. Bei hochwertigen aktiven PA-Lautsprechern geht man diesen Weg ja schon länger mit grossen Erfolg. Einen lausigen Treiber oder eine verhuzte Gehäuse-Abstimmung kann man natürlich nicht wieder geradebiegen, aber in Maßen ist es völlig legitim. Viele High-End-Mikrofone werden auch zu grossen Anteilen elektrisch entzerrt...

Grüße, Klaus

Hallo Klaus,
da gehe ich mit Dir völlig einig. Als nachteilig muss man allenfalls bei der aktiven Lösung ansehen, dass nicht bei allen Hifi-Geräten eine solche Lösung möglich ist. Nach meinem Dafürhalten sollte es mehr Aktivboxen geben, die ähnlich optimerbar sind wie früher Gitarrenverstärker. Obwohl diese ja mit Hifi nichts zu tun haben, würde Lautsprecher und Verstärker möglichst optimal aufeinander abgestimmt. Zu dieser Problematik habe ich Dir auch in Deinem verlinkten Thema geantwortet.
Gruss
Richi