Endstufe richtig einpegeln?

Hallo zusammen,

ich habe mich in letzter Zeit mit dem richtigen Einpegeln von Endstufen beschäftigt und habe irgendwie nicht die Informationen zusammenbekommen, die ich mir erwünscht hatte. Aus diesem Grund habe ich mir heute mal die Zeit genommen und eine kleine Versuchsreihe durchgeführt, in der Hoffnung, mir die Informationen selber ermitteln zu können. Doch zurück zum Anfang:

Was macht eine Endstufe?
Wenn man zunächst der Einfachheit halber davon ausgeht, dass die Schwingspule eines Lautsprechers ein rein ohmscher Widerstand ist, der elektrische Leistung in akustische Leistung (bewegte Luft) umwandelt, lässt sich das Ohmsche Gesetz anwenden:
U = R * I mit der Spannung U, dem Widerstand R und dem fließenden Strom I (Gleichung 1)
Die Elektrische Leistung wiederum berechnet sich folgendermaßen:
P = U * I mit der elektrischen Leistung, und den bereits bekannten U und I (Gleichung 2)
Möchte man also eine höhere Leistung umsetzen, kann man entweder den Strom oder die Spannung erhöhen. Da wir aber einen festen Widerstand haben, hängt der fließende Strom gemäß dem Ohmschen Gesetz (Gleichung 1) direkt von der anliegenden Spannung ab:
I = U / R (Gleichung 3)
Setzt man Gleichung 3 in Gleichung 2 ein, so sieht man, dass man zur Erhöhung der umgesetzten Leistung an einem gegebenen Widerstand die Spannung erhöhen muss:
P = U² / R (Gleichung 4)
An dieser Stelle könnte ich jetzt noch weiter ausführen, wie viel Leistung man theoretisch aus den 12V Bordspannung gewinnen könnte, das würde meiner Meinung nach aber den Rahmen sprengen, deswegen hier die Kurzfassung: Möchte man mehr Leistung, als sich aus den 12V gewinnen lassen, muss man die Spannung erhöhen. Genau das ist die Aufgabe einer Endstufe: Sie erzeugt aus den 12V Bordspannung ein Signal mit einer höheren Spannung, die in einem festen Verhältnis zur Spannung des eingeführten Musiksignals steht und so die umgesetzte Leistung am Lautsprecher erhöht. Dabei muss die Endstufe natürlich gleichzeitig in der Lage sein, den entsprechend des angeschlossenen Widerstandes fließenden Strom zu liefern (siehe Gleichung 3).

Der Gain-Regler
Alle (mir bekannten) Endstufen haben nun einen sogenannten Gain-Regler, der das Verhältnis zwischen dem hineingeführten Musiksignal und dem von der Endstufe ausgegebenen Signal (genauer: das Spannungsverhältnis), das sogenannte Gain, einstellt. Wozu braucht man den denn jetzt?
Der Grund für diesen Regler liegt in erster Linie in der Tatsache, dass Radios unterschiedlich hohe Ausgangsspannungen an die Endstufe liefern, wobei die wahrscheinlich häufigsten Ausführungen 2V bzw. 4V maximale Ausgangsspannung erzeugen. Aber eben nicht exakt, manche liegen etwas drüber, etwas drunter oder auf einer anderen Spannungsebene, wobei z. B. auch die Musikquelle (USB-Stick, CD, Bluetooth-Stream, etc.) eine Rolle spielen kann. Eine Endstufe ist nun idealerweise so konzipiert, dass sie bei dem Radio, dass unter allen das niedrigste Ausgangssignal liefert, trotzdem die ihrerseits höchstmögliche Spannung (und somit Leistung) ausgibt. Wenn man nun aber ein Radio mit einer höheren Ausgangsspannung anschließt, müsste die Endstufe bei voll aufgedrehtem Radio eine noch höhere Spannung erzeugen, da der Gain ja fest ist. Dazu ist sie aber nicht in der Lage und der Gain ist nicht mehr konstant. Mit dem Gain-Regler kann man nun aber den Gain wieder herabsetzen, sodass bei der maximalen Ausgangsspannung des Radios auch die maximale Ausgangsspannung der Endstufe anliegt.

Clipping
Nun muss die einfache Welt der Gleichspannung leider verlassen werden, um den Begriff Clipping zu erläutern. Betrachtet man ein sauberes Signal mit einer Sinusform, so sieht dieses folgendermaßen aus (man muss sich das Ganze noch nach unten gespiegelt vorstellen, habe leider nicht mehr auf das Display bekommen):



Das Ausgangssignal des Radios steigt periodisch langsam an und fällt auch langsam wieder ab. Am Ausgang der Endstufe liegt derselbe Signalverlauf an, jedoch multipliziert mit dem Gain. Wenn die Endstufe nun theoretisch ein höheres Signal erzeugen soll, als sie kann, wird das Signal im Maximum abgeschnitten, das nennt man Clipping:



Clipping kann dabei aus verschiedenen Gründen auftreten:
1. Die Endstufe kann grundsätzlich keine so hohe Spannung erzeugen (die intern vom Netzteil erzeugte Spannung ist niedriger).
2. Die Endstufe kann auf Grund des inneren Aufbaus den entnommenen Strom nicht liefern, in Folge dessen bricht die Spannung ein.
3. Die Stromquelle für die Endstufe selbst, also die Bordspannung des Fahrzeugs kann den geforderten Strom nicht liefern, hier bricht dann bereits vor der Endstufe die Spannung ein.

In dem Fall folgt die Ausgangsspannung der Endstufe nicht mehr dem Musiksignal und der vom Lautsprecher abgegebene Schall wird verzerrt. Ich möchte an diese Stelle keine Diskussion darüber führen, ob und wie stark Clipping eventuell Bauteile schädigt, dazu gibt es schon genug Threads. Was man aber mit Sicherheit sagen kann, ist, dass das vom Lautsprecher ausgegebene Signal mit zunehmendem Clipping weniger mit dem Signal der Quelle zu tun hat. Hier ist jeder unterschiedlich empfindlich, aber ab einem gewissen Grad sollte sich der Effekt für jeden störend bemerkbar machen. Somit sollte es allgemein (aus Qualitätsgründen) das Ziel sein, den Gain-Regler so einzustellen, dass die Endstufe jederzeit das Signal des Radios mit dem festgelegten Gain verstärken kann.

Richtiges Einpegeln
Nun gibt es unterschiedliche Ansätze, mit welchen Methoden man den Gain einstellt. Hier im Forum bin ich auf die Methode "nach Gehör" gestoßen:
Man dreht das Radio voll auf und regelt den Gain dann soweit hoch, bis sich der Klang für einen verzerrt anhört, dann wieder ein Stück zurück, und man ist fertig. Zumindest für das persönlich Klangempfinden halte ich das so auch für nachvollziehbar. Aber kann auch jeder wirklich heraushören, ob Teile der Anlage an ihrer Leistungsgrenze arbeiten?
Eine andere Methode verwendet Steve Meade (stark bei Youtube vertreten): Er hat ein Messgerät entwickeln lassen, dass an die Ausgangsklemmen der Endstufe angeschlossen wird und über einfache LED anzeigt, wann die Endstufe clippt. Dafür kann man natürlich auch ein Oszilloskop verwenden. Auch hier wird wieder solange der Gain erhöht, bis das Signal verzerrt ist und anschließend wieder etwas zurück. Der entscheidende Unterschied ist hierbei jedoch, dass keine Lautsprecher angeschlossen sind. Ich bezweifle, dass im Messgerät Lastwiderstände vorhanden sind, somit wird das reine Vermögen der Endstufe, eine hohe Spannung zu erzeugen, berücksichtigt. Die Stromlieferfähigkeit wird nicht beachtet.
Ich persönlich bin mit beiden Methoden nicht sonderlich zufrieden, einerseits weil ich gerne messbare Ergebnisse verwende, andererseits weil ich der Meinung bin, dass die angeschlossene Last das Ergebnis beeinflusst. Aus diesem Grund habe ich mir heute ein paar Messgeräte geschnappt, bin an eine abgelegene Stelle gefahren und habe mal ein wenig rumprobiert.

Versuchsaufbau
Getestet habe ich natürlich mit meinem bestehenden System:
Fahrzeug: Golf 3 Variant
Batterie: 70 AH No-Name
LiMa: 120A
Verkabelung: Separate Leitungen in 70mm² für Spannung und Masse von vorne nach hinten (sollte nicht ausschlaggebend für Einbrüche sein )
HU: Alpine CDE-178BT (4V Ausgänge)
Endstufe: Emphaser EA1600D (2000W RMS @1 Ohm)
Subwoofer: B2 Audio Riot10 in einem Bassreflexgehäuse an 1 Ohm (750W RMS, 1500W Spitzenbelastbarkeit)
Quelle: Smartphone über Bluetooth mit einer Frequenzgenerator-App



Durchführung
Da ich fast ausschließlich beim Fahren Musik höre und auch die Batterie schonen wollte, habe ich mich dazu entschieden, die Tests bei laufendem Motor zu machen. Weiterhin habe ich alle unnötigen Verbraucher, wie Lüftung, Scheinwerfer und auch die Endstufe für die Lautsprecher ausgeschaltet, sodass die Emphaser möglichst der einzige Verbraucher ist. Gemessen habe ich dann mit einem Zangenamperemeter den Strom in der Zuleitung zum Potentialverteiler im Kofferraum, die Bordspannung mit einem einfachen Multimeter, ebenfalls am Potentialverteiler, und mit einem Oszilloskop die Ausgangsspannung der Endstufe.

Zunächst habe ich die Cinch-Kabel von der Emphaser abgenommen und das Radio selbst, die Subwoofer-Pegeleinstellung am Radio und die Lautstärke am Smartphone aufgedreht, und das Ausgangssignal vom Radio mit dem Oszilloskop betrachtet. Wäre hier bereits Clipping zu sehen, wären die weiteren Tests sinnlos. War aber alles okay. Also habe ich das Radio wieder ausgeschaltet, das Cinch-Kabel wieder angeschlossen und alles wieder eingeschaltet. Die Bordspannung lag bei 13.8V (bisschen niedrig, oder? ), der Leerlaufstrom der Emphaser bei 3.4A. Dann habe ich einen 50Hz-Ton erzeugt und den Gain aufgedreht, bis das Signal verzerrt aussah - dabei ist mir aufgefallen, dass die Endstufe bereits etwas vorher anfängt, Piep-Geräusche von sich zu geben, ich habe den Gain dann sicherheitshalber so weit zurückgedreht, dass auch die Geräusche nicht auftreten. Die nun anliegende Leerlaufspannung habe ich leider vergessen zu dokumentieren.

Im nächsten Schritt habe ich dann einen Lastwiderstand angeschlossen, bzw. 2 Stück 2.2 Ohm Widerstände parallel auf einem großen Kühlkörper montiert, also eine rein ohmsche Last mit 1.1 Ohm, was den 1 Ohm in meinen Augen nahe genug kommt. So konnte ich erstmal die Leistung der Endstufe ohne die störenden Faktoren eine bewegten Induktivität in einem Magnetfeld betrachten. Um ein sauberes Signal zu erhalten, musste ich den Gain soweit zurückdrehen, dass die Leerlaufspannung (damit meine ich auch im Folgenden die Ausgangsspannung der Endstufe ohne Last, immer V-Spitze-Spitze) ca. 38V betrug. Dann lag die Stromaufnahme bei 120A und die Bordspannung bei 12.1 Volt.
Das waren schonmal zwei Erkenntnisse auf einmal: Zum einen beeinflusst die angehängte Last durchaus, wie weit man den Gain für ein sauberes Signal höchstens aufdrehen darf. Zum anderen muss ich dringend an meiner Stromversorgung arbeiten. Leider habe ich dabei versäumt, mal vorne an der Batterie zu messen, aber ich gehe mal davon aus, dass der Spannungsfall über die Kabel nicht der ausschlaggebende Faktor war...

Anschließend habe ich dann den Widerstand gegen den Subwoofer ausgetauscht und weiterhin mit zunächst 50 Hz getestet. Hier konnte ich den Gain nun wieder ohne Probleme soweit aufdrehen, dass die Leerlaufspannung bei 56V lag, ohne ein verzerrtes Signal zu erhalten. Anschließend habe ich dann mit dieser Einstellung noch weitere Frequenzen getestet, wobei herauskam, dass die Leerlaufspannung und der aufgenommene Strom stark varriierten. Am interessantesten fand ich dabei, dass je nach Frequenz die Ausgangsspannung der Endstufe sogar gegenüber der Leerlaufspannung anstieg - ich vermute mal, dass hier in der Schwingspule des Subwoofers Gegeninduktion stattfindet und die Spannung so noch erhöht wird, bin mir da aber zu unsicher um für der Vermutung gerade zu stehen. Was für mich jedoch wichtig war, ist, dass bei allen Frequenzen ein sauberes Ausgangssignal zu sehen war.

Messergebnisse
Ich möchte euch hier nochmal die Messergebnisse vorstellen:



Die erste genannte Leistung stellt die Leistungsaufnahme der Endstufe nach Gleichung 2 dar. Als Messwert für die Ausgangsspannung habe ich stets Vpp genommen, da Vrms scheinbar immer nur den Maximalwert speichert und ich auf die Schnelle nicht wusste, wie man diesen zurückgesetzt. Wenn mein Wissen stimmt, müsste dementsprechend bei einem reinen Sinussignal gelten:
Vrms = Vpp / Wurzel(2) (Gleichung 5)
Mit dieser Gleichung habe ich dann die nächste Spalte berechnet. In der letzten Spalte ist dann die theoretische Abgabeleistung der Endstufe an einem Widerstand mit 1 Ohm nach Gleichung 4 eingetragen. Diese Werte sind für den Subwoofer natürlich mehr oder weniger Mist, da es sich nicht um eine rein ohmsche Last handelt. Hier hätte ich einen Aufbau benötigt, bei dem ich Strom und Spannung messen könnte, inklusive Phasenversatz. Interessant finde ich jedenfalls, dass der Wirkungsgrad der Endstufe richtig in den Keller geht, wenn die Versorgungsspannung einbricht.

Fazit
Was ich für mich aus dem Versuch erkennen konnte, ist, dass die angeschlossene Last sehr wohl einen Einfluss auf das Clipping-Verhalten hat. Vermutlich werde ich in Zukunft auch mit angeschlossenem Oszilloskop und angeschlossener Last einpegeln. Wobei ich jedoch auch zugeben muss, dass ich beim anschließenden Musikhören den Gain wieder weiter aufgedreht habe, ohne nochmal nachzumessen, schlichtweg, weil mir das Verhältnis Musik/Bass so noch nicht gefallen hat, und die Gains der Endstufe für die Lautsprecher sind bereits am Minimum
Dazu muss ich halt auch sagen, dass zum einen Musik nicht mit einem dauerhaften Sinuston vergleichbar ist, hier sind die Bässe pulsartig und nicht permanent da. Zum anderen höre ich so gut wie gar nicht auf maximaler Lautstärke, höchstens mal kurz für eine Basspassage, die mir richtig gut gefällt. Dabei konnte ich dann auch keine Verzerrungen im Bass warnehmen, eher Störgeräusche von umliegenden Teilen, um die ich mich mal kümmern sollte
Ich habe jedenfalls für mich eine Methode gefunden, um zumindest grob zu ermitteln, wo ich bei der Auslastung der Endstufe liege.
Wenn ich mich dann um meine Stromversorgung gekümmert habe, werde ich das ganze wahrscheinlich nochmal wiederholen, nur um sicher zu gehen.

Das war es dann soweit von meiner Seite, über Anregungen, Kritik und auch andere Erfahrungen würde ich mich sehr freuen.

Liebe Grüße,
Tobi

Edit:
Ich habe mir über die Ergebnisse nocheinmal Gedanken gemacht und bin zu dem Schluss gekommen, dass ich einige Fehler gemacht habe.
Zum einen ist Gleichung 5 falsch, sie müsste richtig lauten (also nur Amplitude, nicht Spitze-Spitze):
Vrms = Vp / Wurzel(2) (siehe auch Effektivwert (Elektronik Kompendium)
Als nächstes bin ich mir inzwischen sicher, dass die vom Oszilloskop abgelesenen Werte falsch sind. Ich hatte wie beschrieben den Wert Vpp im oberen rechten Bereich abgelesen. Jedoch deckt dieser sich nicht mit der grafischen Darstellung. Laut der Einstellung (im Bild nicht clippend) unten links sollte ein Kästchen 20V entsprechen, demnach entspräche hier allein der sichtbare Bereich 80V, während Vpp mit etwa 20V angegeben wird. Außerdem habe ich noch einmal in die Bedienungsanleitung geschaut und dort wurde eine maximale Spitzenspannung (Amplitude) von 50V angegeben, womit ich hier wahrscheinlich auch öfter den zugelassenen Bereich verlassen habe - ich müsste mir also noch einen Tastkopf mit Untersetzung besorgen. Außerdem müsste ich das Oszilloskop mal mit einem "richtigen" Gerät gegentesten.

Somit sind alle Aussagen bezüglich der Ausgangsspannung der Endstufe in Bezug auf gemessene Werte, inklusive der Leistung und der Anmerkung zum Wirkungsgrad, als falsch anzusehen. Ich denke jedoch, dass der qualitative Verlauf (clippt oder clippt nicht) trotzdem korrekt ermittelt wurde.

Liebe Grüße,
Tobi