Es tauchen immer wieder Fragen zur elektrischen Leistung in Bezug auf Subwoofer oder generell Lautsprecher auf. Leider ist das Thema durchaus komplex und ohne E-Technik-Studium nur schwer verständlich (selbst mit ). Ich möchte daher mal beispielhaft zeigen, wie die Belastung an einer Endstufe an verschiedenen Tieftönern und Gehäusen aussieht.
Grundlagen
Zu allererst: Leistung (P) ist gleich Spannung zum Quadrat geteilt durch die Lastimpedanz (Z). Also:
P = U² / Z
oder über den Strom (I):
P = I² * Z
Wichtig ist hierbei sind folgende Sachverhalte, die laienhaft fast immer falsch verstanden werden:
Eine Endstufe kann näherungsweise als Konstantspannungsquelle angesehen werden. Das heißt, es liegt an den Klemmen unabhängig von der Last eine konstante Spannung an. Die Leistungsaufnahme ist also nur von der Impedanz des Lautsprechers abhängig. Wenn man sich so einen Impedanzgang mal anschaut, ist ersichtlich, dass die Leistungsaufnahme nicht überall gleich sein kann. Daher funktioniert auch das Rechnen mit Re oder der vereinfachten Nennimpedanz aus dem Datenblatt nicht. Je niedriger die Impedanz, desto höher die Leistungsaufnahme.
Impedanz eines geschlossenen Subwoofers:
Leistung Impedanz.PNG
Simulation
In WinISD kann man sich unter "Amplifier apparent load power (VA)" die von der Endstufe abgegebene Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz anschauen. Unter "Signal" -> "System Input Power" kann die Leistung bezogen auf die Nennimpedanz oder direkt eine Klemmenspannung eingegeben werden. Der Leistungsfrequenzgang passt sich dann demenstprechend an.
leistung 4.PNG
Leistungsfrequenzgang einer Endstufe an einem geschlossenen Subwoofer:
Leistung 1.PNG
In diesem Beispiel war die Klemmenspannung 50 V. Das führt einer niedrigen Leistungsabgabe von gerade mal 90 W bei der Resonanzfrequenz (45 Hz) und einer deutlich höheren (>400 W) unter- und oberhalb davon.
Der Leistungsfrequenzgang bezieht sich immer auf den Amplitudengang, der unter "SPL" dargestellt wird. Das ist ganz wichtig, da Filter, Gehäusegröße usw. alle mit einfließen.
Sinnvoll ist bei einem Subwoofer z.B., den Tiefpass der Vorstufe gleich mit zu simulieren. Dafür wurde im Folgenden ein Tiefpass 4. Ordnung (Linkwitz-Riley) bei 100 Hz gesetzt. Weiterhin wurde noch ein flacher Hochpass bei 15 Hz gesetzt. Zum einen um die Belastbarkeit zu erhöhen (untenrum limitiert der Subwoofer mechanisch früher) und zum anderen fallen viele elektronische Geräte selbst im Bereich von 5 - 15 Hz deutlich ab. Der Amplitudengang ändert sich natürlich entsprechend, aber das tut er ja in der Realität auch. Hier könnte man auch gleich den Druckkammereffekt mit einrechnen und Filter setzen, die man im Raum auch setzen würde.
Die Filter sind auch ganz wichtig, weil sie in die Auslenkung eingehen. Es nützt nichts, einen Subwoofer auf 5 Hz zu dimensionieren, wenn die Endstufe einen Hochpass bei 10 Hz setzt und die Auslenkung damit in einem anderen Frequenzbereich maximal ist.
Amplitudengang mit Hoch- und Tiefpass:
leistung 3.PNG
Auslenkung der Membran mit Hoch- und Tiefpass:
leistung 5.PNG
Leistungsfrequenzgang mit Hoch- und Tiefpass:
Leistung 2.PNG
Bei einem Bassreflexsystem ist es übrigens so, dass die Leistungsaufnahme im Bereich der Abstimmfrequenz sehr hoch ist. Der Treiber nimmt also sehr viel Leistung auf, die Membran steht aber nahezu still. Das hat zur Folge, dass die Kühlung der Schwingspule bei dieser Frequenz extrem schlecht ist. Das nur nebenbei.
Verschiedene Gehäusegrößen erzeugen verschiedene Leistungsfrequenzgänge. Im Folgenden wurde das Volumen verdreifacht. Die Leistungsaufnahme im unteren Frequenzbereich verringert sich, im oberen erhöht sie sich dagegen. Der Amplitudengang ändert sich dementsprechend auch (hier nicht gezeigt).
Leistungsfrequenzgang mit großem Gehäusevolumen:
leistung 6.PNG
Leider unterstützt WinISD keine komplexeren Verschaltungen. Alle Treiber werden immer parallel angeschlossen angenommen. Das heißt, für die spätere Verschaltung muss man sich die Impedanz und damit die Leistungsaufnahme selbst ausrechnen. In der Regel gilt (in gewissen Grenzen), dass eine Endstufe bei halber Lastimpedanz ihre Leistungsabgabe verdoppelt. Wenn man also Beispielsweise im Datenblatt die Werte für 4 Ohm zur Verfügung hat und die Verschaltung der Treiber 6 Ohm ergibt, rechnet es sich wie folgt:
P6 Ohm = 4 / 6 * P4 Ohm
Ausgehend von 8 Ohm dann entsprechend mit dem Faktor 8 / 6. Für die Gesamzimpedanz der Verschaltung würde ich immer die niedrigste des Impedanzganges hernehmen, die noch im Nutzbereich liegt und bei der der Amplitudengang nicht schon um einige dB abgefallen ist (100 Hz wäre bei einem Subwoofer z.B. Blödsinn). Damit rechnet man also die höchstmögliche Belastung für die Endstufe aus.
Jetzt kommt natürlich noch dazu, dass Endstufen selten ihre Leistungswerte aus dem Datenblatt erreichen. Aber das ist ein anderes Thema und soll hier nicht besprochen werden.
So, ich denke, das reicht erst mal für den Anfang. Bei Fragen, nur zu!
Grundlagen
Zu allererst: Leistung (P) ist gleich Spannung zum Quadrat geteilt durch die Lastimpedanz (Z). Also:
P = U² / Z
oder über den Strom (I):
P = I² * Z
Wichtig ist hierbei sind folgende Sachverhalte, die laienhaft fast immer falsch verstanden werden:
- P, U und Z sind komplex. Komplex bedeutet, dass die Werte in einen Realteil und einen Imaginärteil aufgeteilt werden. Das hat mit komplexen Zahlen (Wurzel aus -1) zu tun und muss hier nicht verstanden werden. Wichtig ist, dass Z nicht Re (also der Gleichstromwiderstand) ist! Die Impedanz setzt sich aus dem ohmschen Widerstand, der frequenzabhängigen Kapazität und Induktivität zusammen.
- Z ist stark frequenzabhängig! Bei der Resonanzfrequenz ist die Impedanz z.B. um ein Vielfaches höher als bei anderen Frequenzen. Wie man in der Formel oben sieht, bedeutet eine höhere Impedanz eine niedrigere Leistungsaufnahme.
Eine Endstufe kann näherungsweise als Konstantspannungsquelle angesehen werden. Das heißt, es liegt an den Klemmen unabhängig von der Last eine konstante Spannung an. Die Leistungsaufnahme ist also nur von der Impedanz des Lautsprechers abhängig. Wenn man sich so einen Impedanzgang mal anschaut, ist ersichtlich, dass die Leistungsaufnahme nicht überall gleich sein kann. Daher funktioniert auch das Rechnen mit Re oder der vereinfachten Nennimpedanz aus dem Datenblatt nicht. Je niedriger die Impedanz, desto höher die Leistungsaufnahme.
Impedanz eines geschlossenen Subwoofers:
Leistung Impedanz.PNG
Simulation
In WinISD kann man sich unter "Amplifier apparent load power (VA)" die von der Endstufe abgegebene Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz anschauen. Unter "Signal" -> "System Input Power" kann die Leistung bezogen auf die Nennimpedanz oder direkt eine Klemmenspannung eingegeben werden. Der Leistungsfrequenzgang passt sich dann demenstprechend an.
leistung 4.PNG
Leistungsfrequenzgang einer Endstufe an einem geschlossenen Subwoofer:
Leistung 1.PNG
In diesem Beispiel war die Klemmenspannung 50 V. Das führt einer niedrigen Leistungsabgabe von gerade mal 90 W bei der Resonanzfrequenz (45 Hz) und einer deutlich höheren (>400 W) unter- und oberhalb davon.
Der Leistungsfrequenzgang bezieht sich immer auf den Amplitudengang, der unter "SPL" dargestellt wird. Das ist ganz wichtig, da Filter, Gehäusegröße usw. alle mit einfließen.
Sinnvoll ist bei einem Subwoofer z.B., den Tiefpass der Vorstufe gleich mit zu simulieren. Dafür wurde im Folgenden ein Tiefpass 4. Ordnung (Linkwitz-Riley) bei 100 Hz gesetzt. Weiterhin wurde noch ein flacher Hochpass bei 15 Hz gesetzt. Zum einen um die Belastbarkeit zu erhöhen (untenrum limitiert der Subwoofer mechanisch früher) und zum anderen fallen viele elektronische Geräte selbst im Bereich von 5 - 15 Hz deutlich ab. Der Amplitudengang ändert sich natürlich entsprechend, aber das tut er ja in der Realität auch. Hier könnte man auch gleich den Druckkammereffekt mit einrechnen und Filter setzen, die man im Raum auch setzen würde.
Die Filter sind auch ganz wichtig, weil sie in die Auslenkung eingehen. Es nützt nichts, einen Subwoofer auf 5 Hz zu dimensionieren, wenn die Endstufe einen Hochpass bei 10 Hz setzt und die Auslenkung damit in einem anderen Frequenzbereich maximal ist.
Amplitudengang mit Hoch- und Tiefpass:
leistung 3.PNG
Auslenkung der Membran mit Hoch- und Tiefpass:
leistung 5.PNG
Leistungsfrequenzgang mit Hoch- und Tiefpass:
Leistung 2.PNG
Bei einem Bassreflexsystem ist es übrigens so, dass die Leistungsaufnahme im Bereich der Abstimmfrequenz sehr hoch ist. Der Treiber nimmt also sehr viel Leistung auf, die Membran steht aber nahezu still. Das hat zur Folge, dass die Kühlung der Schwingspule bei dieser Frequenz extrem schlecht ist. Das nur nebenbei.
Verschiedene Gehäusegrößen erzeugen verschiedene Leistungsfrequenzgänge. Im Folgenden wurde das Volumen verdreifacht. Die Leistungsaufnahme im unteren Frequenzbereich verringert sich, im oberen erhöht sie sich dagegen. Der Amplitudengang ändert sich dementsprechend auch (hier nicht gezeigt).
Leistungsfrequenzgang mit großem Gehäusevolumen:
leistung 6.PNG
Leider unterstützt WinISD keine komplexeren Verschaltungen. Alle Treiber werden immer parallel angeschlossen angenommen. Das heißt, für die spätere Verschaltung muss man sich die Impedanz und damit die Leistungsaufnahme selbst ausrechnen. In der Regel gilt (in gewissen Grenzen), dass eine Endstufe bei halber Lastimpedanz ihre Leistungsabgabe verdoppelt. Wenn man also Beispielsweise im Datenblatt die Werte für 4 Ohm zur Verfügung hat und die Verschaltung der Treiber 6 Ohm ergibt, rechnet es sich wie folgt:
P6 Ohm = 4 / 6 * P4 Ohm
Ausgehend von 8 Ohm dann entsprechend mit dem Faktor 8 / 6. Für die Gesamzimpedanz der Verschaltung würde ich immer die niedrigste des Impedanzganges hernehmen, die noch im Nutzbereich liegt und bei der der Amplitudengang nicht schon um einige dB abgefallen ist (100 Hz wäre bei einem Subwoofer z.B. Blödsinn). Damit rechnet man also die höchstmögliche Belastung für die Endstufe aus.
Jetzt kommt natürlich noch dazu, dass Endstufen selten ihre Leistungswerte aus dem Datenblatt erreichen. Aber das ist ein anderes Thema und soll hier nicht besprochen werden.
So, ich denke, das reicht erst mal für den Anfang. Bei Fragen, nur zu!
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