1000 Hz als Referenzsignal
Gemäß ITU-R 468-4 (Messung des Geräuschpegels in der Tonübertragung) beträgt der Frequenzgang bei 1000 Hz 0 dB (siehe Abbildung unten), wodurch er sich als Referenzpegelsignal zur Bewertung der Frequenzgangleistung von Audioverstärkern eignet.
Spitzenantwortfrequenzsignal
Wenn der Hersteller angibt, dass der Audioverstärker nicht für den Betrieb mit 1000 Hz ausgelegt ist, muss die Frequenz der Audiosignalquelle auf die Resonanzfrequenz eingestellt werden. Die Resonanzfrequenz ist die Frequenz der Signalquelle, bei der die maximale Ausgangsleistung an der Nennlastimpedanz (im Folgenden: Lautsprecher) innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs des Audioverstärkers gemessen wird. In der Praxis kann der Tester die Amplitude der Signalquelle fixieren, den Frequenzbereich variieren und anschließend die Frequenz der Signalquelle ermitteln, bei der die maximale Effektivspannung am Lautsprecher anliegt – dies ist die Resonanzfrequenz.
Ausgangsleistungsarten und -einstellung — Maximale Ausgangsleistung
Die maximale Ausgangsleistung ist die maximale Leistung, die an den Lautsprecher abgegeben werden kann und der maximalen Effektivspannung entspricht. Gängige Audioverstärker verwenden häufig OTL- oder OCL-Schaltungen, die auf dem Prinzip der AB-Verstärker basieren. Wenn ein 1000-Hz-Sinussignal in den Audioverstärker eingespeist wird und vom Verstärkungsbereich in den Sättigungsbereich eintritt, kann die Signalamplitude nicht weiter ansteigen, die Spitzenspannung ist begrenzt und es treten Verzerrungen an den Wellenformspitzen auf.
Durch die Überwachung des Ausgangssignals am Lautsprecher mit einem Oszilloskop lässt sich beobachten, dass bei Erreichen des Maximums der Effektivwertamplitude des Signals Verzerrungen auftreten (siehe Abbildung 2). An diesem Punkt gilt die maximale Ausgangsleistung als erreicht. Beim Auftreten von Verzerrungen sinkt der Scheitelfaktor des Ausgangssignals unter den Scheitelfaktor einer Sinuswelle von 1.414 (siehe Abbildung 2: Scheitelfaktor = Spitzenspannung / Effektivspannung = 8.00 / 5.82 ≈ 1.375 < 1.414).
Ausgangsleistungsarten und -einstellung — Ausgangsleistung ohne Verzerrung
Die verzerrungsfreie Ausgangsleistung ist diejenige, die durch Reduzierung der Verstärkung (Absenkung des Signals) auf die Grenze zwischen Sättigung und Verstärkung erreicht wird, während der Lautsprecher mit maximaler Ausgangsleistung und maximaler Verzerrung arbeitet (Arbeitspunkt im Verstärkungsbereich). Die Audioausgangswellenform stellt eine vollständige 1000-Hz-Sinuswelle ohne maximale Verzerrung oder Übersteuerung dar, und ihre Effektivspannung ist ebenfalls niedriger als bei maximaler Ausgangsleistung (siehe Abbildung 3).
Da ein Audioverstärker, der genau an der Grenze zwischen Verstärkungs- und Sättigungsbereich arbeitet, instabil ist und Amplitudenschwankungen (ungleiche Spitzenwerte) verursachen kann, werden 50 % der Spitze-Spitze-Spannung als Spitzenspannung zur Berechnung des Crestfaktors verwendet. In Abbildung 3 gilt: Spitzenspannung = 0.5 × 13.10 V = 6.550 V, Effektivspannung = 4.632 V, Crestfaktor = Spitzenspannung / Effektivspannung = 6.550 / 4.632 ≈ 1.414.
Ausgangsleistungsarten und -einstellung — Leistungseinstellungsmethode
Audioverstärker empfangen ein kleines Eingangssignal, verstärken es und geben es an den Lautsprecher aus. Die Verstärkung wird üblicherweise in feinen Schritten über den Lautstärkeregler eingestellt (z. B. kann die Lautstärke eines Fernsehers in 30- bis 100-stufigen Schritten geregelt werden). Die Anpassung der Signalamplitude zur Änderung der Verstärkung führt zu einer deutlich gröberen Regelung, da selbst eine geringe Reduzierung der Quellamplitude nach starker Verstärkung einen signifikanten Abfall der Lautsprecherausgangsleistung verursacht (siehe Abbildung 4).
In Abbildung 3 wird durch Anpassen der Lautstärke die Ausgangsleistung des Lautsprechers von maximal auf verzerrungsfreie Ausgangsleistung reduziert, wobei die Effektivspannung 4.632 V beträgt. In Abbildung 4 erreicht die Effektivspannung bei Reduzierung der Ausgangsleistung auf verzerrungsfreie Werte durch Anpassen der Signalquellenamplitude hingegen nur 4.066 V. Gemäß der Leistungsformel:
Ausgangsleistung = (Effektivspannung)² / Lautsprecherimpedanz
Die Ausgangsleistung ohne Verzerrung in Abbildung 3 ist etwa 30 % höher als in Abbildung 4, daher stellt Abbildung 4 nicht wirklich einen Zustand ohne Verzerrung dar.
Der richtige Weg, um von der maximalen Ausgangsleistung auf eine nicht übersteuernde Ausgangsleistung zurückzufahren, besteht also darin, die Amplitude der Signalquelle festzulegen und die Verstärkung des Audioverstärkers anzupassen (d. h. die Lautstärke anzupassen), anstatt die Amplitude der Signalquelle zu ändern.
Ausgangsleistungsarten und -einstellung — 1/8 Nicht-Clipping-Ausgangsleistung
Der normale Betriebszustand eines Audioverstärkers soll den optimalen realen Betriebszustand des Lautsprechers simulieren. Obwohl die realen Klangeigenschaften stark variieren, weisen die meisten Klänge einen Crestfaktor innerhalb von 4 auf (siehe Abbildung 5).
Am Beispiel der Schallwellenform in Abbildung 5 ergibt sich der Scheitelfaktor = Spitzenspannung / Effektivspannung = 3.490 / 0.8718 ≈ 4. Um den gewünschten Ton verzerrungsfrei auszugeben, muss der Audioverstärker sicherstellen, dass seine Spitzenwerte nicht abgeschnitten werden. Verwendet man eine 1000-Hz-Sinuswelle als Referenz, um Verzerrungen zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Spitze von 3.490 V nicht begrenzt wird, sollte die Effektivspannung des Signals 3.490 V / 1.414 = 2.468 V betragen. Da die Effektivspannung des gewünschten Tons jedoch nur 0.8718 V beträgt, ergibt sich ein Reduktionsverhältnis der Effektivspannung relativ zur 1000-Hz-Sinuswelle von 0.8718 / 2.468 = 0.3532. Gemäß der Leistungsformel entspricht ein Spannungs-RMS-Reduktionsverhältnis von 0.3532 einem Leistungsreduktionsverhältnis von 0.3532² ≈ 0.125 = 1/8.
Durch die Anpassung der Lautsprecherausgangsleistung auf 1/8 der verzerrungsfreien Ausgangsleistung, die dem 1000-Hz-Sinussignal entspricht, lässt sich ein Zielton mit einem Crestfaktor von 4 verzerrungsfrei wiedergeben. Anders ausgedrückt: Die verzerrungsfreie Ausgangsleistung von 1/8 für eine 1000-Hz-Sinuswelle ist der optimale Betriebszustand für den Audioverstärker, um einen Zielton mit einem Crestfaktor von 4 ohne Beschädigung auszugeben.
Stellen Sie den Betriebszustand des Audioverstärkers so ein, dass 1/8 der Ausgangsleistung ohne Verzerrung an den Lautsprecher abgegeben wird. Im verzerrungsfreien Zustand regeln Sie die Lautstärke so, dass die Effektivspannung auf etwa 35.32 % des Wertes absinkt – dies entspricht 1/8 der Ausgangsleistung ohne Verzerrung. Da rosa Rauschen realen Klängen ähnlicher ist, wechseln Sie nach Erreichen der verzerrungsfreien Ausgangsleistung mit einem 1000-Hz-Sinussignal zu rosa Rauschen als Signalquelle. Verwenden Sie bei rosa Rauschen einen Bandpassfilter (siehe Abbildung unten), um die Bandbreite des Rauschens zu begrenzen.
Normale und anormale Betriebsbedingungen — Normale Betriebsbedingungen
Bei der Festlegung der normalen Betriebsbedingungen für verschiedene Arten von Audioverstärkergeräten sollten Sie Folgendes berücksichtigen:
- Der Ausgang des Audioverstärkers wird an die ungünstigste Nennlastimpedanz oder an den eigentlichen Lautsprecher (falls vorhanden) angeschlossen.
- Alle Audioverstärkerkanäle arbeiten gleichzeitig;
- Bei Orgeln oder ähnlichen Instrumenten mit Tongeneratoren sollte keine 1000-Hz-Sinuswelle verwendet werden; stattdessen sollte beliebig das Drücken zweier Basspedale (falls vorhanden) und zehn Manualtasten kombiniert werden. Alle Register und Tasten, die die Ausgangsleistung erhöhen, sollten aktiviert und das Instrument auf 1/8 der maximalen Ausgangsleistung eingestellt werden.
- Wenn die beabsichtigte Funktion des Audioverstärkers von der Phasendifferenz zwischen zwei Kanälen abhängt, muss eine Phasendifferenz von 90° zwischen den Signalen der beiden Kanäle angelegt werden.
- Bei Mehrkanal-Audioverstärkern, bei denen einige Kanäle nicht unabhängig voneinander betrieben werden können, schließen Sie die Nennlastimpedanz an und stellen Sie die Ausgangsleistung auf die für den Verstärker ausgelegte 1/8-Ausgangsleistung ohne Clipping ein;
- Ist ein Dauerbetrieb nicht möglich, betreiben Sie den Audioverstärker mit der maximal zulässigen Ausgangsleistung für den Dauerbetrieb.
Normale und anormale Betriebsbedingungen — Anormale Betriebsbedingungen
Die Simulation anormaler Betriebsbedingungen für Audioverstärker basiert auf normalen Bedingungen, simuliert aber die ungünstigsten möglichen Situationen, wie z. B. die Einstellung der Lautstärke, um den Lautsprecher am ungünstigsten Punkt zwischen Null- und Maximalausgangsleistung zu betreiben, oder die Erzeugung von Kurzschlussbedingungen am Lautsprecher usw.
Normale und anormale Betriebsbedingungen – Platzierung des Temperaturanstiegstests
Bei Temperaturerhöhungstests von Audioverstärkern ist das Gerät gemäß den Herstellerangaben aufzustellen. Falls keine abweichenden Angaben vorliegen, ist das Gerät in einer nach vorn offenen Holzbox zu platzieren. Dabei ist ein Abstand von 5 cm zur Vorderkante der Box, 1 cm Freiraum an den Seiten und oben sowie 5 cm Abstand von der Rückseite der Box zur Geräterückseite einzuhalten – die Aufstellung sollte insgesamt einem typischen TV-Schrank entsprechen.
Normale und anormale Betriebsbedingungen – Rauschfilterung und Rückgewinnung der Grundwelle
Manche Digitalverstärker übertragen Rauschen zusammen mit dem Audiosignal an den Lautsprecher, was zu Störungen auf dem Oszilloskop führt, wenn die Lautsprecherausgangswellenform überwacht wird. Es wird empfohlen, die unten dargestellte einfache Signalfilterschaltung zu verwenden (Anschluss: Punkte A und C an die Lautsprecherausgangsklemmen, Punkt B an die Masse des Audioverstärkers, Punkte D und E an die Oszilloskopsonde). Dadurch lassen sich die meisten Störungen herausfiltern und die 1000-Hz-Sinus-Grundwelle weitgehend wiederherstellen (Hinweis: Die Angabe 1000F in der Abbildung ist ein Tippfehler und sollte 1000pF lauten).
Bei einigen Hochleistungs-Audioverstärkern, die Verzerrungsspitzen eliminieren und somit auch bei maximaler Ausgangsleistung keine sichtbaren Verzerrungen oder Übersteuerungen zulassen, entspricht die Ausgangsleistung ohne Übersteuerung der maximalen Ausgangsleistung. Wenn keine sichtbare Übersteuerung festgestellt werden kann, sollte die maximale Ausgangsleistung als Ausgangsleistung ohne Übersteuerung betrachtet werden.
[IMAGE_PLACEHOLDER: Einfache Signalfilterschaltung]
Klassifizierung und Sicherheitsschutz elektrischer Energiequellen für Audiosignale
Audioverstärker können Hochspannungs-Audiosignale verstärken und ausgeben. Daher muss das Audiosignal als elektrische Energiequelle eingestuft und entsprechend geschützt werden. Stellen Sie bei der Einstufung die Klangregler auf „Ausgewogen“, sodass der Audioverstärker die maximale, verzerrungsfreie Ausgangsleistung an den Lautsprecher abgibt. Entfernen Sie anschließend den Lautsprecher und messen Sie die Leerlaufspannung. Die folgende Tabelle zeigt die Einstufung elektrischer Energiequellen für Audiosignale und die entsprechenden Schutzmaßnahmen:
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Klassifizierung und Sicherheitsschutz elektrischer Energiequellen |
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|---|---|---|---|
| Energiequellenklasse | Effektivspannung des Audiosignals (V) | Beispiele für Sicherheitsvorkehrungen zwischen Energiequelle und Normalpersonen | Beispiele für Sicherheitsvorkehrungen zwischen Energiequelle und unterwiesenen Personen |
| ES1 | ≤ 71 | Keine Sicherheitsvorkehrungen erforderlich | Keine Sicherheitsvorkehrungen erforderlich |
| ES2 | >71 und ≤120 | Anschlüsse isoliert (zugängliche Teile nichtleitend): Mit dem ISO 7000-Symbol 0434a oder 0434b kennzeichnen. | Keine Sicherheitsvorkehrungen erforderlich |
| Nicht isolierte Anschlüsse (leitfähige Anschlüsse oder blanke Drähte): Mit einem entsprechenden Sicherheitshinweis kennzeichnen, z. B. „Der Kontakt mit unisolierten Anschlüssen oder Drähten kann zu Beschwerden führen“. | |||
| ES3 | > 120 | Verwenden Sie Steckverbinder, die der Norm IEC 61984 entsprechen, und kennzeichnen Sie diese mit dem Symbol 6042 gemäß IEC 60417. |
Häufig gestellte Fragen – IEC 62368-1 Prüfanforderungen für Audioverstärker – Häufig gestellte Fragen und Antworten
F1: Warum muss 1000 Hz als Referenzsignal verwendet werden? Was ist, wenn der Verstärker bei 1000 Hz ein schlechtes Ansprechverhalten aufweist? A: Gemäß ITU-R 468-4 ist der Frequenzgang bei 1000 Hz als 0 dB definiert. Dies macht ihn zum Standardreferenzpunkt für die Messung von Audiorauschen und den konsistenten Vergleich des Frequenzgangs von Verstärkern. Wenn der Hersteller angibt, dass der Verstärker „nicht für den Betrieb bei 1000 Hz vorgesehen ist“ (z. B. bei einigen professionellen Musikinstrumentenverstärkern oder für bestimmte Frequenzbänder optimierten Konstruktionen), kann stattdessen die Frequenz des maximalen Ansprechverhaltens verwendet werden: Die Amplitude der Signalquelle wird fixiert, der Frequenzbereich wird durchlaufen und die Frequenz ausgewählt, bei der die maximale Effektivspannung an der Nennlast (Lautsprecher) auftritt. Dies dient dann als Ersatzreferenzsignal.
F2: Wie genau unterscheiden wir zwischen maximaler Ausgangsleistung und Ausgangsleistung ohne Clipping? A:
- Maximale AusgangsleistungLegen Sie eine 1000-Hz-Sinuswelle an; der Verstärker gerät in den Sättigungsbereich, die Ausgangswellenform zeigt ein flaches Clipping, und der Crestfaktor sinkt unter 1.414 (typischerweise 1.37–1.38). Überprüfen Sie die Lautsprecheranschlüsse mit einem Oszilloskop, um das Clipping zu bestätigen.
- Ausgangsleistung ohne ClippingAusgehend vom Zustand maximaler Ausgangsleistung, zieh dich zurück (Verstärkung reduzieren), bis der Verstärker an der Grenze zwischen Verstärkungs- und Sättigungsbereich arbeitet. Die Wellenform wird zu einer sauberen Sinuswelle ohne sichtbare Verzerrungen, und der Crestfaktor kehrt zu ≈1.414 zurück. (Bei geringfügigen Amplitudenschwankungen genau an der Grenze verwenden Sie 50 % der Spitze-Spitze-Spannung als Spitzenwert für die Crestfaktor-Berechnung.) Die Effektivspannung ist an diesem Punkt niedriger als bei maximaler Ausgangsleistung. Dies sind zwei aufeinanderfolgende Zustände im selben Testverfahren. Die Ausgangsleistung ohne Verzerrungen ist der am häufigsten verwendete Referenzwert für „normale Betriebsbedingungen“ bei Sicherheitsprüfungen.
F3: Warum wird beim Reduzieren der Ausgangsleistung von maximaler auf übersteuerte Ausgangsleistung die Lautstärke (Verstärkung) anstatt der Signalquellenamplitude angepasst? A: Die Anpassung der Signalquellenamplitude ermöglicht eine grobe Steuerung. Aufgrund der hohen Verstärkung des Verstärkers führt selbst eine geringe Änderung der Quellamplitude zu einem starken Anstieg der Ausgangsleistung (z. B. erreicht man in Abbildung 4 beim Reduzieren der Quellamplitude nur 4.066 V<sub>RMS</sub>, während die Lautstärkeanpassung 4.632 V<sub>RMS</sub> ergibt – ein Leistungsunterschied von ca. 30 %). Korrekte Vorgehensweise : Die Signalquellenamplitude fixieren und die Lautstärke/Verstärkung des Geräts so lange anpassen, bis die Übersteuerung gerade verschwindet. Dies entspricht der realen Nutzung und den Vorgaben von Anhang E.1.
Frage 4: Woher kommt die 1/8-Ausgangsleistung ohne Übersteuerung? Warum 1/8 und nicht ein anderes Verhältnis? Antwort: Reale Musik- und Sprachsignale haben typischerweise einen Crestfaktor ≤ 4 (das Beispiel in Abbildung 5 zeigt ≈ 4). Um ein Signal mit Crestfaktor = 4 verzerrungsfrei wiederzugeben, muss der Verstärker den Spitzenwert ohne Übersteuerung verarbeiten. Bei Verwendung einer 1000-Hz-Sinuswelle (Crestfaktor = 1.414) als Referenz: Beträgt der Zielsignal-Spitzenwert 3.490 V, so wäre der erforderliche Effektivwert der Sinuswelle zur Vermeidung von Spitzenwertübersteuerung 3.490 / 1.414 ≈ 2.468 V. Der tatsächliche Effektivwert des Zielsignals beträgt jedoch nur 0.8718 V. Das Spannungsverhältnis ist ≈ 0.3532, und das entsprechende Leistungsverhältnis ist 0.3532² ≈ 0.125 = 1/8 . Die Einstellung des Verstärkers auf 1/8 der verzerrungsfreien Ausgangsleistung (basierend auf der 1000-Hz-Sinusreferenz) entspricht dem optimalen Betriebspunkt für die verzerrungsfreie Wiedergabe eines typischen realen Signals mit einem Crestfaktor von ≈4. In der Praxis: Zuerst mit einer Sinuswelle auf 1/8 der verzerrungsfreien Ausgangsleistung einstellen (Effektivwert ≈ 35.32 % des maximalen Effektivwerts bei verzerrungsfreier Ausgangsleistung), dann auf rosa Rauschen + Bandpassfilter umschalten.
F5: Warum ist bei der Verwendung von rosa Rauschen ein Bandpassfilter erforderlich? A: Rosa Rauschen hat ein sehr breites Frequenzspektrum (20 Hz–20 kHz). Die direkte Zufuhr kann den Verstärker bei bestimmten Frequenzen übersteuern oder übermäßiges hochfrequentes Rauschen verursachen, wodurch das Oszilloskopsignal chaotisch erscheint und die Beurteilung von Clipping erschwert wird. Durch Hinzufügen eines Bandpassfilters (der typischerweise auf den effektiven Audiobereich begrenzt ist, wie im Originalschaltkreis dargestellt) werden die Störungen außerhalb des Frequenzbandes entfernt. Dadurch wird das Signal sauberer und ähnelt dem realen Audiosignal, was eine genaue RMS-Messung und Clipping-Beurteilung ermöglicht.
Frage 6: Wie sollten die normalen Betriebsbedingungen für Mehrkanalverstärker oder Kanäle, die nicht unabhängig voneinander betrieben werden können, eingestellt werden? Antwort:
- Schließen Sie die ungünstigste Nennlastimpedanz an alle Kanäle an;
- Alle Kanäle gleichzeitig betreiben;
- Bei Kanälen, die von anderen Kanälen abhängig sind (z. B. interne Verknüpfung in einem Leistungs-IC), schließen Sie dennoch die Nennlasten an und stellen Sie die vorgesehene 1/8-Ausgangsleistung ohne Clipping ein.
- Bei Geräten, die nicht dauerhaft mit voller Leistung betrieben werden können (z. B. einige professionelle Verstärker mit Überhitzungsschutz), sollte die vom Hersteller angegebene maximale Dauerbetriebsleistung als Normalzustand verwendet werden.
F7: Welche Worst-Case-Szenarien werden durch anormale Betriebsbedingungen simuliert? A: Anormale Bedingungen bauen auf normalen Bedingungen auf, führen aber die schwerwiegendsten plausiblen Einzelfehler ein, wie zum Beispiel:
- Die Lautstärke auf einen beliebigen Wert zwischen 0 und dem Maximalwert einstellen (insbesondere auf die Position, die den größten Temperaturanstieg verursacht);
- Lautsprecher kurzgeschlossen;
- Lautsprecher offener Stromkreis;
- Anomale Signalquelle (z. B. Gleichstromanteil);
- Weitere Fehler, die zu Überhitzung, Überlastung oder unkontrollierter Energiefreisetzung führen könnten. Diese dienen der Überprüfung, ob Temperatur, Isolierung und Schutz weiterhin den Sicherheitsanforderungen entsprechen (siehe Anhang E.2, B.3, B.4).
F8: Wie sollte das Gerät bei Temperaturanstiegstests positioniert werden? A: Positionieren Sie das Gerät gemäß den Installationsangaben des Herstellers. Falls keine spezifischen Angaben vorliegen, verwenden Sie die typische Simulation eines TV-Schranks für den Heimgebrauch.
- Nach vorne zu öffnender hölzerner Testkasten;
- Vorderkante des Geräts 5 cm von der Vorderkante des Kartons entfernt;
- 1 cm Freiraum an den Seiten und oben;
- Zwischen der Rückseite des Geräts und der Rückwand des Gehäuses muss ein Abstand von 5 cm eingehalten werden. Diese Anordnung entspricht gängigen Installationsbedingungen in Privathaushalten.
Frage 9: Digitale Verstärker liefern unsaubere Signalformen mit starkem Schaltrauschen – wie lässt sich Clipping auf dem Oszilloskop eindeutig erkennen? Antwort: Verwenden Sie die im Originalartikel empfohlene einfache Filterschaltung (Punkte A und C an Lautsprecheranschlüsse, B an Masse, D und E an die Oszilloskopsonde, einschließlich des 1000-pF-Kondensators usw.). Dadurch werden die meisten hochfrequenten Schaltgeräusche entfernt, sodass die 1000-Hz-Grundwelle klar zur Beurteilung des Clippings sichtbar wird. Hinweis: Die Angabe „1000F“ im Originaldiagramm ist ein Tippfehler und sollte 1000 pF lauten.
F10: Was ist zu tun, wenn der Verstärker selbst bei maximaler Ausgangsleistung keine sichtbare Verzerrung aufweist? A: Einige leistungsstarke Class-D-Verstärker oder andere gut konstruierte Verstärker bleiben selbst bei ihrer maximalen Nennausgangsleistung frei von sichtbarer Verzerrung. In solchen Fällen kann die gemessene maximale Ausgangsleistung als die verzerrungsfreie Ausgangsleistung betrachtet werden – eine weitere Reduzierung der Ausgangsleistung ist nicht erforderlich – und die nachfolgenden Tests (1/8 Leistung, Temperaturanstieg usw.) können mit diesem Wert durchgeführt werden.
