PA Basics Teil 4: Endstufe & Signalverarbeitung

27. Januar 2018

Endstufen & Signalverarbeitung

In diesem vierten Teil der PA Basics wollen wir eigentlich nur noch eins: unseren Mix laut kriegen. Aber das ist nicht so einfach wie es scheint. Unser Signal muss dazu noch einiges durchmachen. Vom Mixerausgang geht es nochmal durch einen Haufen Elektronik, danach ab in die Endstufe und dann endlich zum Lautsprecher. Und schließlich kristallklar ans Ohr der begeisterten Zuhörerschaft. Signalverabeitung und Endstufen sind heute dran – im fünften und letzten Teil unserer Serie wird es dann um Lautsprecher und aktive Systeme gehen. Alle folgenden Betrachtungen sind in erster Linie für den PA-Bereich relevant. Für den HiFi- und Studio-Bereich gelten aufgrund der räumlichen Begrenzung und sonstigen abweichenden Voraussetzungen andere Anforderungen. Daher unterscheiden sich auch die technischen Details und Hersteller-Philosophien.

Signalverarbeitung

Die gesamte Signalverarbeitungskette ist glücklicherweise auch in einem kompakten Gerät erhältlich. Das Ganze nennt sich dann Speaker Management System. Diese multifunktionalen Kisten arbeiten mit einem DSP (Digitaler Signalprozessor), der alle analogen Bauteile ersetzt, und enthalten einen Equalizer, um Auswirkungen ungünstiger Raumakustik zu kompensieren, einen Limiter, Delays und frei einstellbare Frequenzweichen. Lautsprecher Management Systeme sind zwar nicht ganz billig,  man wird aber bei Herstellern wie dbx für 500-1000 Euro fündig und sogar glücklich. Der große Vorteil solcher Systeme ist der geringe Platzbedarf (oft nur eine Höheneinheit) bei einfacher Bedienung (zumindest mit Werks-Presets) und nahezu unbegrenzten Möglichkeiten.

All in One: Lautsprecher Management System

Trotzdem halte ich es für wichtig, die nötigen Gerätschaften im einzelnen durchzugehen. Im einfachsten Fall (Proberaum oder kleine Bühne mit zwei Lautsprechern) schließen wir mit zwei XLR-Kabeln den Master Output des Mixers an eine Endstufe an. Diese soll, einfach ausgedrückt, das schwache Line-Signal möglichst linear verstärken, so dass damit ein Lautsprecher angetrieben werden kann. Es handelt sich also um einen Leistungsverstärker. Aber selbst in dieser einfachen Variante durchläuft das Mixersignal noch eine weitere elektronische Schaltung – nach der Verstärkung folgt in jeder Mehrwegbox eine passive Frequenzweiche.

Frequenzweiche

Für die folgenden Überlegungen ist hauptsächlich der Bereich der Niederfrequenz interessant – es handelt sich hierbei um die für den Menschen hörbaren Schallwellen. Ein Kleinkind hört im Bereich von 20Hz bis 20kHz, die Obergrenze senkt sich jedoch mit fortschreitendem Alter relativ schnell herab. Jeder Lautsprecher kann abhängig von seiner Größe nur einen bestimmten Frequenzbereich wiedergeben (Aufbau eines Lautsprecher-Chassis im nächsten Teil). Kein Wandlersystem, auch nicht ein sogenannter Breitbandlautsprecher, kann den kompletten hörbaren Bereich in wirklich guter Qualität abstrahlen. Bei einer Mehrwegbox überlappen sich die Frequenzbereiche der Einzellautsprecher, um wirklich das gesamte Hörspektrum abbilden zu können. Daher muss das Signal aufgesplittet werden, um jedem Weg „seinen“ Frequenzbereich zuzuordnen und eventuelle Auslöschungen zu vermeiden. Passive Weichen werden nach der Endstufe eingesetzt und bestehen aus Spulen, Kondensatoren und Widerständen.

Einfach: Passive Frequenzweiche

Einfach: Passive Frequenzweiche

Der große Nachteil von passiven Weichen ist der hohe Anteil von Verlustwärme, der den Wirkungsgrad des Gesamtsystems aus Endstufe und Weiche negativ beeinflusst. Eine bessere Lösung ist der Einsatz aktiver Weichen vor dem Leistungsverstärker. Diese gibt es in analoger Ausführung (z.B. dbx 223xl) und in digitalen Varianten, dann meist innerhalb eines Speaker-Management-Systems oder in aktiven Lautsprecherboxen. Hier ein Beispiel für ein einfaches Speaker-Konzept mit aktiver Weiche: Zur Verfügung stehen zwei 2-Wege-Boxen, zwei Subwoofer und zwei Stereoendstufen. Für dieses Setup wird einfach eine aktive Frequenzweiche mit einer Trennfrequenz bei 180 Hz (abhängig vom Subwoofer) zwischen Mixer und Endstufen geschaltet, wobei je eine der Endstufen die Subs und die andere die Satelliten befeuert. Ohne die Weiche würde der Sound schwammig, weil sich die Frequenzbereiche der Lautsprecher im Bassbereich überlappen. Die verwendeten 2-Wege-Boxen arbeiten intern natürlich trotzdem mit fest eingebauten passiven Weichen.

Limiter

Um die Endstufe vor Verzerrungen (Clipping), Überlastung oder sogar Zerstörung zu schützen, sollte immer ein Limiter vorgeschaltet sein. Der Limiter wird zum einen zur Begrenzung des kurzzeitigen Spitzenpegels auf einen bestimmten Wert (Peak Limiter) benötigt. Viele Endstufen besitzen solche internen Begrenzer. Die Einstellparameter ergeben sich aus der Spitzen-Belastbarkeit des Lautsprechers und dem Verstärkungsfaktor der Endstufe. Um den Lautsprecher zusätzlich vor thermischer Überlastung zu schützen, ist eine Begrenzung des Durchschnittpegels nötig. Deshalb darf dieser Kollege auch in Speaker Management Systemen nicht fehlen.

Delay und Phase

Bei größeren Veranstaltungen reicht unser Zwei-Lautsprecher-Konzept nicht mehr aus. Wir brauchen mehr Lautstärke, und die erreichen wir nur, wenn wir mehr Lautsprecher aufstellen. Bis zu einer gewissen Größe reicht es aus, mehrere Speaker direkt vor der Bühne aufzustellen (Stacking). Um jedoch überall im Raum eine möglichst gleichbleibende Lautstärke zu fahren, ist es sinnvoll, weiter hinten sogenannte Delaylines, also weitere Lautsprecher mit entsprechenden Endstufen zu platzieren. Das Problem dabei ist, dass Schallwellen sich relativ langsam ausbreiten. 340m/s sind zwar kein Pappenstiel, aber in einem Abstand von 20m zur Bühne ergibt sich dadurch schon ein deutlich hörbarer Laufzeitunterschied von 62,5 Millisekunden. Wenn wir jetzt einmal an Großveranstaltungen mit vielen Tausend Zuschauern denken, stehen die Boxen teilweise sogar 50 oder 100 Meter voneinander entfernt. Bei solchen Abständen kommt es zu Verzögerungen, die selbst der unbedarfteste Laie noch als störend wahrnimmt. Das Signal für die Delayline muss also seinerseits verzögert (daher der Name) werden, damit der Schall zeitgleich mit dem Schall der Bühnenlautsprecher bei den Zuhörern ankommt, die an diesem zweiten Boxenturm stehen. Zu diesem Zweck gibt es spezielle Delayprozessoren, die zwar prinzipiell mit den bekannten Bodentretern für die Gitarre vergleichbar sind, aber wesentlich genauere Zeit-Einstellungen und Delay-Werte bis 3 Sekunden zulassen.

Stehen zwei Lautsprecher in der Front nur geringfügig versetzt zueinander, ergeben sich durch die Laufzeitunterschiede Phasenauslöschungen, die den Klang verschlechtern. Außerdem sorgen Schallreflexionen an den Wänden geschlossener Räume für weitere Auslöschungen. Zur Anpassung der Phasenlage (Berg und Tal der Schallwelle) gibt es weitere Tools, die als Short Delay und/oder Phase Correction bezeichnet werden und oft in Speaker Management Systemen zu finden sind. Die Delay- und Phaseneinstellung ist nicht ganz ohne – hier empfiehlt es sich wieder einmal, einem erfahrenen Techniker über die Schulter zu schauen.

Endstufe

Das Mixersignal ist nun feinsäuberlich in hohe, mittlere und tiefe Frequenzen zerstückelt. Unser Limiter verhindert Verzerrungen. Falls wir einen großen Saal beschallen, sind die Signale für die Speaker im hinteren Teil des Raumes verzögert worden. Eventuelle Phasenverschiebungen haben wir eliminiert. Es wird Zeit, dass wir unsere Signal endlich LAUT machen. Aber welche Faktoren sind denn nun ausschlaggebend für den Anwendungsbereich einer Endstufe?

Unscheinbar: Digitale Edel-Endstufe QSC PL 380

Grundsätzlich muss zwischen zwei Typen unterschieden werden. Die meisten konventionellen PA-Endstufen werden im kombinierten AB-Betrieb gefahren. Es handelt sich dabei um einen Kompromiss aus Klangtreue (Class A Technologie) und Effizienz (Class B). Die Transistoren der Endstufe müssen mit Ruhestrom betrieben werden, um ihren Arbeitspunkt in den linearen Kennlinienbereich zu verschieben und so das Mischersignal möglichst verzerrungsfrei zu verstärken. Der Wirkungsgrad (Verhältnis von Ausgangsleistung zur Gesamtleistungsaufnahme) einer Class A Endstufe liegt bei wenigen Prozent, weil hier der Ruhestrom zugunsten des Klangs sehr hoch liegt. Im Class B Betrieb wird der Ruhestrom möglichst niedrig gehalten, was sich negativ auf die Klangqualität auswirkt. Eine Weiterentwicklung des AB-Betriebs ist die Class H Endstufe. Digitale Endstufen arbeiten dagegen mit Class D Verstärkern – Schaltverstärkern, die nur rechteckförmige Signale verarbeiten können. Um damit ein Audiosignal verstärken zu können, ist einiges an Wandlern und Elektronik nötig – aber es lohnt sich.

Intern: Endstufe der aktiven Mackie SA Speaker-Serie

Die verwendeten Transistorstufen arbeiten ohne Ruhestrom. Class D Endstufen produzieren daher nur etwa zehn Prozent Abwärme – gegenüber 50 Prozent Wärmeverlust bei AB-Endstufen ist das ein großer Vorteil. Daraus ergibt sich außerdem eine kleinere Bauform, da die Kühlkörper kleiner dimensioniert werden können. In Verbindung mit einem Schaltnetzteil kann so das Gewicht bei gleicher Leistung um etwa die Hälfte reduziert werden.

Leistung und Impedanz

Leider machen es die Hersteller dem potentiellen Käufer nicht allzu leicht, die Geräte untereinander zu vergleichen – es existieren viele völlig unterschiedliche Messmethoden für die Endstufenleistung, die nicht selten in die Irre führen. Hochtrabende Angaben wie Peak-Leistung oder Musik-Leistung sollten nicht als Qualitätskriterien herangezogen werden. Die einzige wirklich relevante und international anerkannte Messmethode ist die RMS-Leistung, die einen echten Durchschnittswert angibt. Trotzdem ist die Dimensionierung einer Endstufe nicht ganz einfach. Man könnte meinen, dass beim Betrieb eines Verstärkers mit 100 Watt ein Lautsprecher mit 200 Watt in jedem Fall vor Zerstörung geschützt ist. Stattdessen gilt als Faustregel: Leistung der Endstufe = 1,5 x Leistung des Lautsprechers. Warum? Ganz klar, eine Endstufe, die permanent an ihrer Leistungsgrenze betrieben wird, übersteuert häufig und kann dadurch die Lautsprecher überhitzen und zerstören. Außerdem sollte das Gesamtsystem aus Lautsprecher und Verstärker für die jeweilige Situation etwas überdimensioniert sein, um Schäden und Ausfälle zu vermeiden.

Bei den Leistungsangaben muss darüber hinaus die Impedanz der Lautsprecher, also ihr ohmscher Wechselstromwiderstand, beachtet werden. Je niedriger die Impedanz der angeschlossenen Box, desto höher ist die maximale Leistung der verwendeten Endstufe. Dem sind jedoch Grenzen gesetzt. So wird der Verstärker durch eine niedrigere Impedanz stärker belastet und erwärmt sich daher stärker. Außerdem nehmen die Leitungsverluste im Lautsprecherkabel zu. Höhere Impedanzen sind also zugunsten des Gesamtsounds und der Sicherheit vorzuziehen.

Netzteil und Kühlung



Bei der Stromversorgung einer Endstufe unterscheidet man zwischen konventionellen Netzteilen und Schaltnetzteilen. Einfache Netzteile sind günstig und robust, haben jedoch den Nachteil, dass sie eine hohe Verlustwärme entwickeln und relativ groß und schwer sind. Für einfache Anlagen mit nur einer oder zwei Endstufen stellt das noch kein Problem da, auf Tour mit einem Haufen Endstufenracks, die jeden Tag auf- und wieder abgebaut und verladen werden müssen, wird es da schon schwieriger. Teure Geräte arbeiten daher mit Schaltnetzteilen, die kleiner und leichter sind und im Betrieb nicht so heiß werden.

Da sich bei einem Leistungsverstärker auch die verbauten Transistoren stark erwärmen, ist die Kühlung der Endstufe ein weiteres wichtiges Kriterium. Die meisten PA-Endstufen besitzen ein Lüftersystem, das Umgebungsluft ansaugt und damit die Bauteile im Gehäuse kühl hält. Ein zusätzlicher Überhitzungsschutz sorgt dafür, dass das Gerät abschaltet, bevor es dahinschmilzt. Es empfiehlt sich, den Lüfter regelmäßig auf Staub und Defekte zu überprüfen und so die Ausfallgefahr zu minimieren. Wer spielt schon gerne die umjubelte Zugabe unplugged, oder besser un-amplified.

Ausblick

Unser Signal sollte jetzt ausreichend Power haben, um einen Schallwandler anzutreiben. Wie das genau von statten geht, welche Boxenbauformen es gibt und was die Vorteile von Aktivsystemen sind, erfahrt ihr in Kürze hier bei amazona.de.

Forum
  1. Profilbild
    De Basser

    Eine Skizze zum verkabeln, wäre eventuell noch hilfreich.
    Bin ja „nur“ der Bassist ;-), der immer ALLES schleppen darf!

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