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Höchste Kontrolle der Lautsprechermembran und wie hoch sollte der Dämpfungsfaktor des Verstärkers sein?

Peter Strassacker Dr. Peter Strassacker
seit 1977 Lautsprecherbau
Bücher über Materialforschung und Feldtheorie
Boxen wie Lagrange 98, Laplace XT, Pascal, Sub 10-60

Dennis Frank befragte dazu
Peter Strassacker (12/2004).
 

Dennis:
Peter, unsere Kunden schwärmen gerne von hohen Dämpfungsfaktoren beim Verstärker. Wie hoch sollte er nun wirklich sein?

Peter:
Dies ist eine Frage, die sehr kontrovers diskutiert wird. In unsrem Kabel- und Dämpfungsrechner gibt es dazu ja schon Hinweise. Um das Thema richtig zu verstehen, sollten wir uns zuerst überlegen, was der Dämpfungsfaktor eines Verstärkers bedeutet, wozu ich nachfolgend als einfaches Beispiel einen Subwoofer verwenden will.

Um die Zusammenhänge wirklich zu verstehen, ist nachfolgendes Ersatzschaltbild hilfreich: Ersatzschaltbild
Bild 1: Ersatzschaltbild: Verstärker, Kabel und Lautsprecher jeweils durch eine grüne Linie abgetrennt.

Der Dämpfungsfaktor D des Verstärkers gibt an, wie stark sich die Ausgangsspannung des Verstärkers durch die Last des Lautsprecher beeinflussen lässt. Der Dämpfungsfaktor hängt vom Scheinwiderstand oder vereinfacht Nennwiderstand des Lautsprechers RL ab; er ergibt sich aus:

D = RL / Ra, wobei Ra der Ausgangswiderstand des Verstärkers ist.     (Gleichung 1)
Wenn man den Ausgangswiderstand des Verstärkers berechnen will, so ist dies auch möglich:
Dieser ist abhängig von der Schleifenverstärkung Vu, der Emitter-Ausgangsimpedanz Remitter, dem Widerstand Re im Emitterzweig, den Gegenkopplungswiderständen R1 und R2, die die Spannungsverstärkung der Endstufe bestimmen:
Ra = k * (Remitter + Re) * (R1 + R2) / (R1 * VU)     (Gleichung 2)
wobei k ein Koeffizient ist, der bei Class B-Endstufen bei 1 liegt, bei Class A, wo der positive und negative Zweig der Emitterstufen gleichzeitig leitend sind, ist er 0,5.

Dennis:
Nun kann ich den Dämpfungsfaktor berechnen, das steht bei den meisten Verstärkern ja auch bei den technischen Daten; aber was sagt mir das?

Peter:
Man muss es in der Gesamtheit sehen; der Dämpfungsfaktor alleine besagt gar nichts; er berechnet sich ja direkt aus dem Verstärkerausgangswiderstand Ra. Für den Lautsprecher jedoch ist die Gesamtsumme der Widerstände Rges wichtig, die ja noch den Widerstand des Kabels Rk und den Gleichstromwiderstand der Spule des Lautsprechers Rs beinhaltet (Blindwiderstände L vernachlässigen wir der Einfachheit halber):

Rges = Ra + Rk + Rs     (Gleichung 3)
An einem Beispiel ausgedrückt:
--- Eigenschaften des Verstärkers --- -- Eigenschaften Kabel und Spule -- Ergebnis
Dämpfungsfaktor
(auf 8 Ohm bezogen)
Ausgangswiderstand
des Verstärkers
Impedanz
des Kabels
Gleichstromwiderstand
des Lautsprechers
Gesamtwider-
stand Rges
1000 0,008 Ohm 0,1 Ohm 5 Ohm 5,108 Ohm
200 0,04 Ohm 0,1 Ohm 4,968 Ohm 5,108 Ohm

Oder anders gesagt: Wenn in beiden Anordnungen (in Tabelle Zeile 4 und 5) nur die Widerstände unterschiedlich sind (und damit der Dämpfungsfaktor des Verstärkers einmal 1000 und einmal 200 ist und der Gleichstromwiderstand des Lautsprechers dafür knapp 1% anders ist) so gibt es zwischen den beiden Fällen klanglich absolut keinen Unterschied.

Dennis:
Aber wir nehmen doch wahr, dass ein Verstärker mit hoher Dämpfung irgendwie realistischer und lebendiger klingt?

Peter:
Das ist richtig; dies hat jedoch eine ganz andere Ursache, die in der Bandbreite des Verstärkers zu suchen ist. Diese wiederum ist abhängig von der Schleifenverstärkung g. Die Schleifenverstärkung g gibt an, wieviel stärker der Verstärker die Spannung verstärken würde, wenn er nicht über die Widerstände R1 und R2 gegengekoppelt wäre:

g = (R1 * VU) / (R1 + R2)     (Gleichung 4)
Der Ausdruck 1/g ist in Formel 2 enthalten (der grün gefärbte Teil); das heißt dass ein Verstärker mit geringem Ausgangswiderstand (also hoher Dämpfung) ein hohes g hat.

Verstärker mit hohem g haben jedoch auch eine hohe Bandbreite, da ein phasenstabiler Verstärker so gebaut sein muss, dass g bis hin zur Grenzfrequenz des Verstärkers pro Frequenz-Dekade um Faktor 10 (also 20 dB) abnimmt. (Hier als PDF-Datei dazu die etwas schwer verständliche Theorie 1 wo das wesentliche Schaubild (Bild 16) in Theorie 2 zu finden ist).

zusammengefasst:
konstruktionsbedingt haben Verstärker mit hoher Dämpfung auch eine große Bandbreite. Diese sorgt dafür, dass deutlich mehr Obertöne (durch Rauschen und Intermodulationsverzerungen) gebildet werden. Dies wiederum nimmt der Mensch als besonders klaren und frischen Klang wahr, weswegen im Studio der Exciter (ein spezielles Gerät zur Klangabrundung) ebenso Obertöne beimischt, was aber nur in sehr geringem Maße erfolgen darf, da sonst der Klang nur noch scheußlich klingt.

Dennis:
Die hohe Verstärker-Dämpfung über 100 trägt also gar nicht so zum sauberen Klang bei, wie man es generell annimmt?

Peter:
So ist es; die Dämpfung sollte durchaus bei 100 liegen, jedoch sind höhere Werte nicht im Sinne eines realistischen Klangs nützlich. Es sind zusätzliche Obertöne und Rauschen, die Kunden beim direkten Vergleich den Verstärker mit der höheren Dämpfung als authentischer - also frischer, echter, klarer und glaubwürdiger erscheinen lassen.

Dennis:
Und wie kommt man dann zu höchster Kontrolle wenn man alles frei wählen darf?

Peter:
Indem man einen Lautsprecher wählt, wo die elektrische Gesamtgüte Qeges möglichst klein ist. Dazu ist im Wesentlichen ein Lautsprecher mit kleiner Güte Qes zu wählen:

Qeges = Qes * (Ra + Rk + Rs) / Rs     (Gleichung 5)
wobei Ra der Ausgangswiderstand der Verstärkers, Rk der Gleichstromwiderstand des Kabels und Rs der Gleichstromwiderstand der Spule ist. (Rs wird oft auch als Gleichstromwiderstand Re des Lautsprechers genannt; und Ra können wir aus Gleichung 1 berechnen = RL / D)

Dennis:
Worauf achte ich dann und gibt es Lautsprecher-Anwendungen mit kleinem Qeges?

Peter:
Die Güte des Verstärkers sollte 100 betragen, das Kabel sollte nicht viel mehr als 0,1 Ohm Gleichstromwiderstand aufweisen (für 8 Ohm Boxen), ansonsten ist ein kleines Qes beim Mittel- oder Tieftöner wichtig. Dies findet man:
- bei besonderen Treibern im Mitteltonbereich
- in großen Basshörnern
- in speziell abgestimmten Tieftönern, wie Alcone Sub 10-80, Sub 10-150,
 

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