Audioverstärker

Audioverstärker von NAD aus den 1990er Jahren

Ein Audioverstärker ist ein breitbandiger und möglichst verzerrungsarmer Verstärker für Wechselspannungen im hörbaren Niederfrequenz-Bereich von 20 Hz bis 20.000 Hz oder höher. Audioverstärker enthalten eine aus elektronischen Bauelementen konstruierte elektronische Schaltung, die geringe Spannungen (beispielsweise das schwache Audiosignal von einem Tonabnehmer, Tuner oder CD-Spieler) in höhere Spannungen verstärkt, um diese dann mit meistens stufenlos einstellbarer Lautstärke über einen Lautsprecher wiedergeben zu können.

Grundlagen

Audioverstärker sind Spannungsverstärker. Sie sind Bestandteil einer elektrischen Übertragungskette, an deren Anfang und Ende ein Schallereignis steht.

Ein Audio-Verstärker kann als elektrischer Vierpol betrachtet werden, dessen Ausgangsspannung U_a größer als die Steuerspannung U_e am Eingang ist. Eine Betriebsspannungsquelle (Netzteil oder Batterie) stellt die Energie zur Verfügung.

Zwischen Aus- und Eingangsspannung (Pegel und Momentanwert) besteht meistens ein linearer Zusammenhang. Bei dem Spannungsverstärkungsfaktor v wird das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung als Faktor angegeben.

$V = \frac{U_\mathrm a}{U_\mathrm e}$

In der Regel wird die Verstärkung aber als Verstärkungsmaß angegeben. Also mit der Einheit Bel. Da die Werte in Bel zu klein werden, wird das Verstärkungsmaß mit "10" multipliziert. (Dezibel)

$G = 20 \lg \frac{U_\mathrm a}{U_\mathrm e} \,$.

Hergeleitet aus:

$G = 10 \lg \frac{U_\mathrm {a}^2 \, R}{U_\mathrm{e}^2 \,R} \,$.

Gliederung nach Funktion

Audioverstärker können nach ihrer Funktion in einer elektroakustischen Übertragungskette unterschieden werden:

• Vorverstärker bereiten ein sehr kleines Eingangssignal so auf, dass dessen Weiterverarbeitung oder Fortleitung aufgrund eines höheren Spannungspegels und/oder einer günstigeren Ausgangsimpedanz vereinfacht oder erst möglich wird.

• Verzerrer/Entzerrer sind Verstärker mit gezielten Abweichungen vom linearen Frequenzgang (z. B. Emphasis, also Preemphasis und Deemphasis, RIAA-Entzerrer) oder der Linearität (Verzerrer). Im Bereich der Musikinstrumente kann auch ein Effektgerät nichtlineare Verzerrungen erwünschterweise erzeugen.

• Mischpulte bestehen aus einer Anzahl von Vorverstärkern mit verstellbarer Verstärkung und verstellbarem Frequenzgang für mehrere Audiosignale, deren Ausgangssignale additiv zusammengeführt werden. Das Summensignal kann ebenfalls in seinem Pegel beeinflusst werden und dient zum Beispiel zur Speisung eines Endverstärkers oder eines Aufzeichnungsgerätes.

• Zwischenverstärker erhöhen einen durch Fortleitung abgesenkten Pegel oder dienen der Anpassung des Pegels oder der Impedanz zwischen verschiedenen Elementen der Übertragungskette.

• Steuerverstärker enthalten Steuerglieder, die den Pegel, den Frequenzgang, die Stereobalance usw. einstellen lassen oder regeln. Meistens sind diese funktioniell mit dem Vorverstärker identisch.

• Schneidverstärker, Aufsprechverstärker, Modulationsverstärker u. Ä. sind das zwischenzeitliche Endglied einer Übertragungskette vor einer Aufzeichnung oder Aussendung. Je nach Erfordernis besitzen sie Eigenschaften von Endverstärkern (z. B. Modulationsverstärker für die Anodenmodulation in Mittelwellen-Sendern).

• Leistungsverstärker oder Endverstärker sind Verstärker, die oft einen relativ hohen Eingangspegel zur Aussteuerung benötigen und ihrerseits keine oder wenige Steuerglieder besitzen. Sie stellen mit möglichst niedriger Ausgangsimpedanz die Spannung für Lautsprecher, Schneidapparaturen (für die Schallplattenaufzeichnung) oder den Modulationsweg (für Sender) bereit.

Mischformen sind z. B. der Mischverstärker und der Vollverstärker.

Gliederung nach Anwendungsgebieten

Innenansicht eines Endverstärkers für den Einsatz im Auto

Heimelektronik

Ziel ist die Wiedergabe von übertragenen oder gespeicherten Audiosignalen. Im Vordergrund stehen wirtschaftliche Herstellung, Design und häufig höchste Verzerrungsfreiheit. Audioverstärker für den Heimgebrauch besitzen wenige Einstellmöglichkeiten, zum Beispiel Quellenwahl, Lautstärke, Balance, Frequenzgang.

Studiotechnik

Bei Tonstudios stehen Betriebssicherheit, Dauerhaftigkeit, generelle Robustheit, Unempfindlichkeit gegen elektrische und magnetische Einstreuungen, Rauscharmut, geringe Verzerrungen, eine große Übertragungsbandbreite und Impulstreue im Vordergrund. Weiterhin sind gegenüber der Heimelektronik wesentlich umfangreichere Steuermöglichkeiten üblich.

Modulationsverstärker

Zur Aussendung von Audiosignalen als elektromagnetische Welle werden Hochfrequenzsender verwendet, denen das zu sendende Signal aufmoduliert werden muss. Hierfür werden Modulationsverstärker verwendet, welche die Spannung des Audiosignals so verstärken, dass sie bei Amplitudenmodulation den Hochfrequenzpegel des Senders im Signaltakt beeinflussen können. Oft erfolgt diese Modulation gegen Ende des Hochfrequenzsignales, sodass erhebliche Leistungen erforderlich sein können. Modulationsverstärker sind zuverlässig, verzerrungsarm, gegen elektrische Einstreuungen geschützt und besitzen eine definierte Bandbreite.

Verstärker für Musiker und Bühne

Bei Musikern kommen Audioverstärker zum Einsatz, um den Schall der Musikinstrumente zu verstärken. Sie haben oft charakteristische Besonderheiten (z. B. Gitarrenverstärker, teilweise als Röhrenverstärker) oder sind Teil einer Rückkopplungsschleife, die den ursprünglichen Klang des Instrumentes gezielt verändert. Solche Verstärker sind statt an ein Mikrofon oft an einen Tonabnehmer angeschlossen.

Monitorverstärker sind häufig in Monitorboxen integriert (Aktivboxen). Musiker benötigen solche Lautsprecher bei Auftritten, um sich selbst zu hören. Teilweise sind Monitorverstärker in Mischpulten integriert – sie besitzen eine geringere Leistung als die eigentlichen Endverstärker.

Endverstärker für große Bühnen und Diskotheken wandeln oft elektrische Leistungen im Kilowattbereich. Es sind Transistorverstärker in Gegentakt- oder Vollbrücken-Schaltung (siehe Verstärker (Elektrotechnik)). Klasse-D-Verstärker setzen sich im PA-Bereich (noch) nicht durch, da klassische AB-Verstärker mit gestockter Betriebsspannung bzw. Längsvorregler in den Betriebsspannungszweigen einen Wirkungsgrad von bis zu 80 % erreichen. Eine weitere Wirkungsgradverbesserung (unterer einstelliger Prozentbereich) durch den D-Betrieb ist mit erheblichen Nachteilen verbunden, die hauptsächlich in der Störaussendung und den Intermodulationsverzerrungen liegen. Des Weiteren übersteigen die Schaltverluste (Treiberstufe) im D-Verstärker die Treiber- und Ruhestromverluste von AB-Verstärkern.

Kommunikation/Beschallung

Die Übertragung menschlicher Sprache erfordert nur einen eingeschränkten Übertragungsbereich (z. B. 160 Hz bis 5 kHz). Dieses betrifft z. B. den Bündel- und den Zellularfunk und die drahtgebundene Telefonie. Zur Speisung mehrerer verteilter Lautsprecher in elektroakustischen Anlagen (z. B. in einem gesamten Gebäude) werden die Ausgangssignale mit hoher Impedanz (z. B. 600 Ohm) oder hoher Spannung (z. B. 100 V) übertragen und bei jedem Lautsprecher heruntertransformiert.

Gliederung nach Schaltungsart

Eintaktverstärker

Diese Schaltung hat die längste Geschichte. Es wird nur eine Betriebsspannung verwendet, sowie nur ein aktives Bauteil in der Endstufe benötigt. Geringe bis mittlere Gegenkopplungsfaktoren sind üblich, daher ist eine geringe oder mittlere Anzahl von Verstärkerstufen nötig. Besteht die Notwendigkeit symmetrischer Ein- bzw. Ausgänge, werden diese mit speziellen Transformatoren symmetriert oder entsymmetriert. Als Endverstärker sind nur Röhrenverstärker bekannt. Eintakt-Endverstärker haben einen geringen Wirkungsgrad.

Gegentaktverstärker

Dieser Aufbau ist charakteristisch für Verstärker in Halbleitertechnik, es werden jedoch auch Gegentakt-Röhrenverstärker gebaut. Verschiedene Topologien benutzen entweder

• eine Betriebsspannung mit einem symmetrischen Ausgangsübertrager (Röhrentechnik, frühe Transistorverstärker) oder einem Ausgangs-Koppelkondensator (moderne Transistorendstufen)
• zwei Betriebsspannungsquellen mit gegensätzlicher Polarität (nur bei Transistorverstärkern möglich) Hierbei kann der Ausgangs-Koppelkondensator entfallen.

Bei modernen Transistorstufen werden zahlreiche Verstärkerstufen verwendet, die zumeist als Differenzverstärker aufgebaut und direkt (galvanisch) gekoppelt sind. Die hohe Verstärkung der offenen Schleife erlaubt eine starke, stabilisierende und linearisierende Gegenkopplung. Unsymmetrische und symmetrische Ein- und Ausgänge können mit galvanischer Kopplung realisiert werden, so dass eine untere Grenzfrequenz von 0 Hz möglich ist (siehe Gegentakt-Endstufe). Gegentaktverstärker besitzen einen höheren Wirkungsgrad als Eintaktverstärker.

Zu den weiteren Typen

• Klasse-D-Verstärker
• Brückenverstärker

siehe Kapitel Analogverstärker unter Verstärker (Elektrotechnik) sowie Artikel Endstufe).

Gliederung nach aktiven Bauelementen

Es werden Transistoren oder Elektronenröhren verwendet. Transistorverstärker werden häufig als monolithischer Integrierter Schaltkreis oder als Modul in Dickschichttechnik realisiert.

Transistorverstärker

Transistorverstärker haben durch ihren niedrigen Preis, ihre geringen Abmessungen, ihre Integrierbarkeit, die Möglichkeit, zwei unterschiedliche Polaritäten von Transistoren (npn, pnp, n-Kanal, p-Kanal) einsetzen zu können, den Betrieb mit vergleichsweise geringen Betriebsspannungen und den Entfall aufwändiger Hilfsspannungsquellen einen weiten Einsatzbereich erlangt. Es kommen Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren zum Einsatz. Häufig werden beide Transistorarten kombiniert.

Integrierte Schaltkreise

Speziell für Audioanwendungen ausgelegte monolithische integrierte Schaltkreise finden sich insbesondere in Endstufen von wenigen Watt bis etwa 100 Watt Ausgangsleistung. Bei höheren Leistungen sind sie auf einen Kupfer-Kühlflansch montiert. Mit ihnen lassen sich gegenüber diskret aufgebauten Endverstärkern hohe Stabilität des Arbeitspunktes und eine drastische Reduzierung des Bauteilaufwandes erreichen. Die Leistungs-IC beinhalten meistens Schutzschaltungen gegen Überhitzung und Kurzschluss. Sie werden oft zweikanalig gefertigt, um sie als Stereoverstärker oder Brückenverstärker verwenden zu können.
Für kleine Spannungsverstärker (Vorverstärker, Ohrhörer-Verstärker) gibt es rauscharme Operationsverstärker.

Hybrid-Schaltkreise

Hybrid-Endverstärker umfassen mehrere Transistor-Chips sowie passive Bauelemente auf einem Keramiksubstrat, das gleichzeitig zur Ableitung der Verlustwärme zu einer Kühlfläche dient.

Röhrenverstärker

Audio-Röhrenverstärker

→ Hauptartikel: Röhrenverstärker

Aufgrund verschienener Nachteile sind Elektronenröhren in Audioverstärkern heute meist durch Halbleiter ersetzt worden. Sie haben noch immer einige Bedeutung in Gitarrenverstärkern und High Fidelity-Verstärkern der High-End-Klasse.

Aufgrund der spezifischen Vor- und Nachteile von Halbleiter- und Röhrenverstärker gibt es Kombinationen, sogenannte Hybride. Man verwendet z. B. aufwandsarme Röhrenvorstufen mit vergleichsweise niedriger Betriebsspannung und kombiniert diese mit Halbleiterendstufen.

Literatur

• R. Beckmann: Handbuch der PA-Technik, Grundlagen-Komponenten-Praxis. 2. Auflage, Elektor-Verlag, Aachen, 1990, ISBN 3-921608-66-X
• Roland Enders: Das Homerecording Handbuch. 3. Auflage, Carstensen Verlag, München, 2003, ISBN 3-910098-25-8
• Gustav Büscher, A. Wiegemann: Kleines ABC der Elektroakustik. 6. Auflage, Franzis Verlag, München, 1972, ISBN 3-7723-0296-3
• Fritz Kühne: Niederfrequenz-Verstärker mit Röhren und Transistoren. 13. Auflage, Franzis Verlag, München, 1970, ISBN 3-7723-0119-3
• Siegfried Wirsum: Nf-Tricks für den Audio-Freak. 1. Auflage, Franzis Verlag GmbH, München, 1990, ISBN 3-7723-3321-4

Weblinks

• Übersicht über die Verstärkungsarten Class-A, Class-B und Class-AB
• Erklärung zu Class-D Verstärkern mit Grafiken
• Verstärker-Gerätedatenbank auf Hifi-Wiki.de