Werners Exkurs in die Welt der Ströme und Spannungen

von Werner, 20.06.05.

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  1. Werner

    Werner Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 20.06.05   #1
    Clipping
    ======

    Stellen wir uns mal eine ideale Spannungsquelle vor, nämlich eine Batterie(!) mit unendlicher Kapazität und 0 Ohm Innenwiderstand.
    Spannug sei 50 Volt, damit lässt sich ein Verstärker bauen, der eine maximale Leistung von 312,5 Watt an 8 Ohm erreicht, frei nach der Formel P = U² / R

    (P = Leistung, U = Spannung, R = Widerstand)

    In Abb. 1 ist eine Sinuswelle dargestellt, die die maximal mögliche Amplitude und damit Pmax hat, da sie bis an die Betriebsspannung heranreicht.
    Gibt man jetzt noch mehr Input auf den Verstärker, dann möchte die Sinuswelle noch höher hinaus, kann das aber nicht, weil die Betriebsspannung dafür nicht ausreicht. Der Verstärker tut nun das Einzige, was ihm in dieser Situation möglich ist: er clippt. D.h. er schneidet für den Zeitraum t den oberen Teil des Signals ab. Für diesen Zeitraum liegt am Lautsprecher quasi eine Gleichspannung an, begleitet von einem sehr hohen Frequenzanteil beim Ein- und beim Austritt, was Lautsprecher, insbesondere Hochtöner, gelinde gesagt saublöd finden.

    Der Bezug zur Versorgungsspannung findet in den meisten Erklärungen IMHO zu wenig Beachtung, darum habe ich die Sache hier noch mal neu aufgerollt.

    Abhilfe: Leiser drehen oder Limiter kaufen!

    Das war Clipping, und das ist nicht zu verwechseln mit einem


    Verstärker, der in die Knie geht.
    =======================

    Im richtigen Leben haben wir leider keine ideale Spannungsquelle, sondern müssen uns mit so grauenhaften Dingen wie Wechselspannung (das was aus der Steckdose kommt) herumplagen. Verstärker werden aber mit Gleichspannung betrieben.

    Also müssen wir die Spannung erstmal umformen. Dass geschieht normalerweise durch einen Brückengleichrichter. (Abb. 5). Dessen Eingangssignal (Abb. 3) sieht hinter dem Gleichrichter so aus wie in Abb.4., die negativen Halbwellen werden also „hochgeklappt“.

    (Nebenbei bemerkt: Durch diese Schaltung verdoppelt sich die Frequenz. Was man also häufig an Brummen hört, ist entgegen landläufiger Meinung meist kein 50 Hz Brummen, sondern ein 100 Hz Brummen, bedingt durch den Brückengleichrichter.)

    Schaltet man jetzt noch einen dieser sagenumwobenen Elkos zwischen Plus und Minus, dann erhält man eine Gleichspannung, die keine Form mehr hat, sondern sich genau an der 50 V Linie bewegt.

    Jetzt wird die Spannung aber natürlich belastet. Dadurch entlädt sich der Elko, wird aber bei der nächsten Phase wieder aufgeladen. Trotzdem ergibt sich ein realer Spannungsverlauf wie in Abb.6. Bei geringer Belastung wird der der Verlauf nahe der Ideallinie sein, bei sehr starker Belastung oder unterdimensionierten Elkos kann der Abfall der Spannung jedoch sehr steil sein.
    Die Zeit, die vergeht, bis der Elko sich wieder vollständig aufladen kann, ist bei 50 Hz Netzfrequenz 10ms (Abb. 4), also eine ziemlich lange Zeit. Je größer der Elko, desto länger kann sich die Endstufe zwischen den Peaks davon bedienen.

    In der Realität sieht es also so aus, dass die Gleichspannung von einer 100Hz Wechselspannung überlagert wird, deren Verlauf so aussieht wie in Abb. 6.

    Des weiteren ist der Verstärker natürlich auch abhängig von der Netzspannung. Wenn die „weich“ ist, dann sinkt auch die bei starker Belastung, was die zur Verfügung stehende Pmax. weiter verringert.
    Ein weiches Netz hat man meist weit entfernt von der nächsten Trafostation. Direkt daneben hat man immer ein knüppelhartes Netz, denn auch auf dem Weg vom Elektrizitätswerk bis zum Veranstaltungsort gilt das ohmsche Gesetz und man hat auch hier Leitungsverluste.
    Ähnlich wie bei der Lautsprecherverkabelung sollte man (hier also die Stromgesellschaft) ein möglichst dickes Kabel verwenden. Aber das ist keine Sache, um die wir uns kümmern sollten/können.


    Schaltnetzteile
    ===========

    Durch trickreiche Schaltungen wird beim Schaltnetzteil eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz um ein Vielfaches höher liegt als die Netzfrequenz von 50 Hz., z.B. 50 KHz. (Ich weiß nicht, ob der Wert realistisch ist, ich habe ihn einfach nur als Beispiel genommen).
    Da bei dieser Frequenz die Zeitspanne von Peak zu Peak nur 20 µs beträgt, braucht man dementsprechend auch nur sehr viel kleinere und damit günstigere Elkos, bzw. man kann sehr viel leichter üppig überdimensionieren.
    Außerdem kann einen Endstufe mit Schaltnetzteil systembedingt nicht brummen, weil die Frequenz (in diesem Fall 50 KHz) außerhalb des hörbaren Bereichs liegt. Ganz schön schlau, gelle?

    Die Kinderkrankheiten von Schaltnetzteilen sind mittlerweile auch größtenteils Geschichte, so dass dies ganz klar die Technik der Wahl ist, so man sie denn hat...



    Was das mit der ursprünglichen Frage zu tun hat? Wenig, aber der Thread ging halt in die Richtung...
    Den Stromverbrauch kannst du am Besten mit Apparaten messen, alles andere ist Spekulation.
     

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