Workshop: Aktivanlage vs Passivanlage, PA-Lautsprecher

12. Dezember 2019

Unterschiede zwischen aktiven und passiven Lautsprecher-Systemen

Die Begriffe „aktiv“ und „passiv“ gehören zu unserem täglichen Wortschatz. So gibt es aktive und passive Menschen, das Aktiv und Passiv als Genus Verbi in der Grammatik, die aktive und passive Immunisierung in der Medizin und viele weitere Beispiele, wie diese beiden Begriffe unseren Alltag prägen. Die Tontechnik, egal ob Studio- oder Beschallungstechnik, macht in dieser Hinsicht auch keine Ausnahme. So wird es Zeit, mit diesem Workshop: Aktivanlage vs. Passivanlage den beiden Begriffen einmal auf den Grund zu gehen und für Einsteiger in die Welt der Beschallungstechnik etwas Licht ins Dunkel zu bringen.

PA Aktivanlage vs Passivanlage – ein komplexes Thema

Oft lesen wir die einfache Formel „Aktivanlage = Lautsprecher mit integrierten Verstärkern“ und „Passivanlage = Lautsprecher ohne integrierten Verstärker“. Das ist grundsätzlich erst einmal nicht falsch, betrachtet aber nicht den wesentlichen, weil klangbestimmenden Aspekt. Dieser lässt sich nicht auf das Wort „integriert“ reduzieren, denn auch bei großen Bühnenproduktionen, bei denen sich die Verstärker und weitere Elektronik in externen Racks befinden, handelt es sich durchaus um „Aktivanlagen“. Eine erweiterte Definition ist also nötig und dafür müssen wir etwas weiter ausholen.

Mehrweglautsprecher

Die einfachste Form der Schallwandlung elektrischer Signale in akustische ist ein einzelner Lautsprecher, der alle Frequenzen gleichermaßen wiedergibt. Diese begegnen uns in Form von Breitbandlautsprechern zum Beispiel im Küchenradio, in kleinen Bluetooth-Lautsprechern, im Telefon, in einfachen Kopfhörern und manchmal auch in Form von Studiolautsprechern für bestimmte Abhörzwecke. Ein solcher Breitbandlautsprecher wird direkt von einer Endstufe angetrieben, die das ihr zugeführte Line-Signal (z. B. aus einem Mischpult) für den Lautsprecher um ein Vielfaches verstärkt. Die Form der Schallwandlung hat aber gravierende Nachteile: Sehr tiefe Frequenzen benötigen eine große Membranfläche, weil viel Luft bewegt werden muss. Hohe Frequenzen benötigen jedoch eine kleine und sehr flinke Membran (mehr Schwingungen pro Sekunde). Es liegt auf der Hand, dass ein einzelner Lautsprecher hier schnell an seine Grenzen stößt. Aus diesem Grund gibt es schon seit den Kindheitstagen der Tontechnik Mehrwegsysteme.

Ein Mehrweglautsprecher besitzt mehrere Schallwandler, die auf einen bestimmten Frequenzbereich spezialisiert sind. Üblich sind Zwei-Wege-Systeme und Drei-Wege-Systeme. Durch die Aufteilung des Nutzsignals in verschiedene Frequenzbänder ist eine hohe Spezialisierung der einzelnen Schallwandler möglich: Zum Beispiel kleine Treiber an einem Horn für die Höhen, Tieftontreiber mit großer Membranfläche für die Mitten und Bässe. Die Aufteilung des Nutzsignals in verschiedene Frequenzbänder geschieht durch eine Frequenzweiche.

Frequenzweiche bei Lautsprechern

Damit sich der Tieftöner nicht mit unnötigen hohen Frequenzen herumschlagen muss, findet eine Tiefpass-Filterung statt. Für den Hochtöner gilt das Gegenteil, er mag nämlich die tiefen Frequenzen überhaupt nicht und bekommt aus diesem Grund nur die Höhen durch eine Hochpass-Filterung. Eine solche Filterschaltung ist technisch sehr einfach realisierbar und besteht im einfachsten Fall aus einem RC-Glied. Dies ist eine Schaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator. Auch Spulen können in einer solchen Filterschaltung enthalten sein. Im Prinzip kennen Gitarristen eine solche Schaltung von dem Tone-Poti ihrer Gitarre. Der Low-Cut-Schalter im Mischpultkanal erfüllt die gleiche Funktion.

Eine Frequenzweiche filtert also das Signal für die einzelnen Treiber in unserer Lautsprecherbox. Unterscheiden müssen wir zwischen passiven Frequenzweichen und aktiven Frequenzweichen. Ein RC-Glied schwächt bestimmte Signalanteile ab. Es arbeitet nur mit der Spannung, die ihm über das Lautsprecherkabel von der Endstufe zugeführt wird. Man nennt diese Arbeitsweise „passiv“. Eine „aktive“ Filterschaltung kann hingegen auch Signalbestandteile anheben, also verstärken. Dafür benötigt sie Transistoren und eine Betriebsspannung, die extern zugeführt werden muss. Dies ist zunächst einmal ein großer Unterschied zwischen den beiden Filtertypen, die in Frequenzweichen vorkommen können. Der wesentliche Unterschied ist jedoch die Art des Signals, das gefiltert wird sowie der Sitz der Frequenzweiche innerhalb der Signalkette.

Workshop: Aktivanlage vs Passivanlage

Passive Frequenzweiche. Eine passive Frequenzweiche verarbeitet ein bereits verstärktes Signal, das dann gefiltert und an die Treiber weitergegeben wird.

Eine passive Frequenzweiche filtert das bereits für den Lautsprecher hochverstärkte Signal, sitzt also nach der Endstufe. Eine aktive Frequenzweiche hingegen filtert das Line-Signal, splittet dieses in die Frequenzbereiche auf und führt diese einzelnen Endstufen zu. Sie sitzt also vor den Endstufen, Plural, weil für jeden Frequenzbereich eine eigene Endstufe benötigt wird.

Der große Nachteil passiver Frequenzweichen ist, dass diese mit den immensen Spannungen aus einer Endstufe zurechtkommen müssen und die Bauteile dementsprechend groß dimensioniert sind. Da es zwischen einem Lautsprecher und einer Endstufe immer eine Wechselwirkung gibt, die möglichst optimal und verlustfrei sein muss, um Verzerrungen zu verhindern, ist die passive Frequenzweiche beiden Komponenten sozusagen ein Klotz am Bein. Passive Frequenzweichen verändern, ohne zu tief in die Details gehen zu wollen, das Nutzsignal. Des Weiteren wird die Endstufenleistung nicht optimal genutzt. Benötigen Hochtontreiber in der Regel nur kleine Leistungen, darf es für den Tieftonbereich schon erheblich mehr sein. Eine einzelne Endstufe wird also nie beiden Treibern gleich gerecht. Bauteile müssen dafür sorgen, dass die kräftige Endstufe nicht den Hochtontreiber beschädigt, während der Tieftontreiber noch nach Leistung schreit. Verluste sind die Folge.

Workshop: Aktivanlage vs Passivanlage

Aktive Frequenzweiche. Die aktive Frequenzweiche verarbeitet Line-Pegel und sitzt vor den Endstufen

Aktive Frequenzweichen besitzen diese Problematik nicht, denn sie sitzen vor den Endstufen und arbeiten mit Line-Pegel. Somit sind ihre Schaltungen auf kleinstem Raum und mit sehr kleinen Bauteilen zu realisieren. Der Hersteller hat außerdem die Möglichkeit, Korrekturen am Signal vorzunehmen, indem auch eine Verstärkung bestimmter Frequenzen oder von ganzen Frequenzbereichen möglich ist. Die einzelnen Frequenzbänder gehen dann an für die jeweiligen Schallwandler optimierte Endstufen. Es liegt auf der Hand, dass ein solches System klangliche Vorteile mit sich bringt.

Wirkungsgrad von Lautsprechern

Was wäre die Welt schön, wäre es das gewesen. Leider ist dem nicht so. Wie bereits zu Beginn erwähnt ist eine Aktivanlage mehr. Die gerade beschriebenen Unterschiede zwischen aktiver und passiver Frequenzweiche ist nämlich nur die halbe Miete. Zunächst einmal gestattet die mittlerweile übliche Ausführung von Endstufen in Class-D nicht nur eine erheblich kleinere Bauform, sondern auch lüfterlose Endstufen, die dennoch sehr hohe Leistungen bei gutem Wirkungsgrad zu liefern in der Lage sind. Früher stellte der Wirkungsgrad nämlich ein großes Problem dar. Ein großer Teil der Leistung wurde in Wärme umgesetzt. Um überhaupt hohe Leistungen zu erreichen, waren große und schwere Trafos notwendig. Eine solche Endstufe in ein Lautsprechergehäuse zu integrieren, war deshalb nur im Niedrigleistungsbereich möglich oder führte zu extrem schweren und unhandlichen Produkten, die darüber hinaus noch mit Lüftern ausgestattet werden mussten. Moderne Class-D-Endstufen hingegen sind winzig klein und erzeugen erheblich weniger Wärme, was entweder den Verzicht auf Lüfter oder den Einsatz temperaturgesteuerter Modelle möglich macht. Die Integration von Class-D-Endstufen in ein Lautsprechergehäuse ist deshalb problemlos möglich. Bei passiven Lautsprechern ist nur die passive Frequenzweiche in das Lautsprechergehäuse integriert.

Wir halten fest: Passive PA-Lautsprecher besitzen eine integrierte passive Frequenzweiche. Diese sitzt nach der Endstufe und muss mit hohen Pegeln klarkommen. Aktive PA-Lautsprecher hingegen arbeiten mit einer aktiven Frequenzweiche und getrennten Endstufen für jeden einzelnen Treiber. Die aktive Weiche sitzt vor der Endstufe und arbeitet mit Line-Pegel.

Etwas Vorsicht ist geboten bei dubiosen Beschallungsprodukten aus dem Consumer-Bereich. Dort werden manchmal Lautsprecher als „aktiv“ bezeichnet, die von ihrer Wesensart her eigentlich passiv ausgelegt sind. Die Hersteller integrieren eine kleine Class-D-Endstufe in einen Lautsprecher mit passiver Frequenzweiche. Dies macht aus dem passiven Lautsprecher keinen aktiven Lautsprecher, sondern verlagert lediglich die externe Endstufe ins Lautsprechergehäuse. Früher wurden deshalb PAs unterschieden in aktiv-getrennt und passiv-getrennt. Heute spricht man gerne von Bi-Amping bei Zwei-Wege-Systemen oder Tri-Amping bei Drei-Wege-Systemen.

PA Aktivanlage oder aktive Verwirrung?

Wie eingangs bereits dargelegt, spricht man in der Beschallungstechnik auch bei aktiv-getrennten PAs, bei denen sich Frequenzweiche und Endstufen nicht im Lautsprechergehäuse befinden, von einer „aktiven“ PA. Das ergibt bei Großbeschallungssystemen auch durchaus Sinn, denn dort möchte man jederzeit die Kontrolle über die Endstufen und die Frequenzweichen/Controller haben. Sie sind deshalb in Drive Racks untergebracht, während die Lautsprecher zum Beispiel als Line Array geflogen werden. Dennoch findet hier eine aktive Trennung der einzelnen Treiber statt. Mehradrige Lautsprecherkabel und Speakon machen es möglich, den Verkabelungsaufwand dennoch gering zu halten. Eine Stufe darunter haben sich bei den Beschallungsanlagen die kompakten Varianten durchgesetzt, die die komplette Systemelektronik, bestehend aus Frequenzweiche und Endstufen, im Lautsprechergehäuse integriert haben. Doch hier wird es noch einmal kompliziert, denn der Begriff „aktive PA“ hat sich im Laufe der Zeit stark gewandelt.

Der Weg zur Aktivanlage

Die klassische passive Drei-Wege-Box, die den 1980er Jahren häufig in Form der grauen Zeck 15/3 (fast quadratische Drei-Wege-Box mit 15“ Woofer) die Bühnen dominierte, ist heutzutage nahezu ausgestorben. In den 90er Jahren begann sich die Aufteilung in Subwoofer (variabler Größe, 2x 10“, 1x 12“, 1x 15“, 1x 18“) plus Satellit (oft mit 12“/1“ oder 10“/1“ Bestückung) durchzusetzen. Der Vorteil ist, dass im Vergleich zur 15/3 Variante ein Stacking möglich ist und sich die Interferenzen einigermaßen in Grenzen halten. Im Bassbereich kommt es beim Stacking schnell zu einer Kopplung der einzelnen Lautsprecher, sodass in der Wahrnehmung die vielen Subwoofer wie eine einzelne Schallquelle arbeiten. Ein großer Verkaufsschlager war die erste LP-Serie von HK Audio. Die blau beflockten Boxen sah man wirklich überall. Der Clue dieser PA war, dass sie sich sowohl mit nur einer Endstufe komplett passiv antreiben ließ oder als Alternative mit einem System-Controller im Bi-Amping Betrieb teil-aktiv.

Als jugendlicher stolzer Besitzer einer HK Audio PA, bestehend aus zwei LP20 Subwoofern (jeweils 2x 10“ Bassreflex) und zweier LP10 Satelliten (10“ Woofer plus CD-Horn), konnte ich die Entwicklung vom komplett passiven zu einer aktiv getrennten Bi-Amping PA selbst verfolgen. Zunächst lief die komplette PA an einer kräftigen und sehr schweren QSC Endstufe. Der Klang war nicht schlecht, aber auch nicht herausragend. Insbesondere die Bässe waren stets unterbelichtet. Einige Auftritte und Monate Taschengeld später wurde in den Linear Pro Controller samt zweiter Endstufe von Crown investiert. Nun trennte der Controller (aktive Frequenzweiche plus Limiter) direkt nach dem Mischpult das Line-Signal und führte die entsprechenden Frequenzbänder den beiden Endstufen zu (Bässe liefen an der QSC Endstufe, die Satelliten an der Crown Endstufe). Endlich war es möglich, das High-/Mid-Signal gegenüber den Bässen etwas zurückzunehmen. Der Sound erhielt erheblich mehr „Punch“ und war klarer, ausgeglichener. Was ein Unterschied! Dabei war nur die Trennung zwischen Bässen und Satelliten aktiv, während in den Satelliten weiterhin eine passive Weiche werkelte. Doch schon allein die Tatsache, dass die Endstufe für die Topteile nicht mehr gleichzeitig die Bässe antreiben muss und das High-/Mid-Signal frei bleibt von tiefen Frequenzanteilen, sorgte für eine riesige  Klangverbesserung. Für viele Laien und Semi-Profis war diese Form des Bi-Ampings über viele Jahre der Goldstandard.

Workshop: Aktivanlage vs Passivanlage

Kombination aus aktivem Subwoofer und passiver Zwei-Wege-Box. Die Verstärkung für das passive Topteil findet im aktiven Subwoofer statt.

Im weiteren Verlauf wurden Endstufen effektiver, kleiner, leichter und mit der Class-D-Technik endgültig integrationsfähig. Das schwere Endstufen-Rack durfte weichen, weil die Endstufentechnik in die Lautsprecher wanderte. Gleiches galt für die Controller, die anfangs nichts anderes waren als die angesprochene Kombination aus aktiver Weiche plus Kompressor/Limiter. Controller klingt aber besser. Aus den ehemals passiven Subwoofern wurden Subwoofer mit integrierter Systemelektronik, die dann entsprechende Endstufenausgänge für die Satelliten hatten. Im Subwoofer arbeitet dabei entweder eine Zweifach-Endstufe, die den Sub plus einen Satelliten antreibt oder eine Dreifach-Endstufe, um ein 2.1-System, bestehend aus einem Subwoofer plus zwei Satelliten im Stereo- oder Mono-Betrieb (Stacking) zu ermöglichen. Die Trennung der Treiber in den Satelliten ist dabei wie gehabt passiv, während die Trennung zwischen Bass- und High-/Mid-Bereich aktiv geschieht. Solche Subwoofer werden auch als aktive Subwoofer bezeichnet. Ein gutes Beispiel für ein solches System ist die Seeburg Acoustic Line TSM Sub+ PA, bestehend aus einem aktiven 15“ TSM Sub+ Subwoofer und zwei passiven TSM10 Satelliten. Vom Mischpult aus geht es mit zwei XLR-Kabeln in den Subwoofer und von dort aus mit zwei Speakon Lautsprecherkabeln zu den Satelliten. Die PA ist sehr schnell aufgebaut und klingt sehr gut und entsprach um die Jahrtausendwende dem, was man als „aktive PA“ bezeichnet hat. Mit dem Siegeszug der DSP-Technik wurden schließlich vollwertige und programmierbare Controller in die Subwoofer integriert, die tiefe Eingriffe und Anpassungen in die Systemelektronik ermöglichen.

Abbildung: Kombination aus aktivem Subwoofer und aktiver Zwei-Wege-Box

Kombination aus aktivem Subwoofer und aktiver Zwei-Wege-Box

Von da an ging es mit der Entwicklung rasant in Richtung voll-aktiver PAs, sprich, alle Komponenten sind aktiv ausgeführt: Der Subwoofer ist aktiv und besitzt eine eigene Systemelektronik, die Satelliten sind es ebenfalls, verfügen über Bi-Amping und auch hier werkelt ein DSP als Controller vor sich hin. Lautsprecherkabel haben ausgedient, stattdessen bekommen alle Komponenten Line-Pegel vom Mischpult. Gleichzeitig ist die Konfiguration etwas komplexer geworden. Bei einer kleinen PA, bestehend aus zwei aktiven Subwoofern und zwei aktiven Satelliten, jeweils mit eigenem DSP-Controller, wollen alle vier Controller richtig konfiguriert werden. Die Hersteller helfen in der Regel mit Presets dem unerfahrenen Anwender, Standardsituationen schnell in den Griff zu bekommen. Wer keine Ahnung von verschiedenen Filtertypen, Flankensteilheiten, Grenzfrequenzen, Limitern, Kompressoren und anderen Dingen hat, belässt es dabei. Erfahrene Anwender finden hier jedoch eine willkommene Spielwiese. In jüngster Zeit ist auch die Einbindung in ein WLAN-Netzwerk oft Bestandteil der Ausstattung, sodass der Techniker nicht mehr hinter den Boxen herumturnen muss, sondern alle Anpassungen per Tablet oder Smart Phone vom FoH-Platz aus vornimmt.

Fazit

Der Workshop Aktivanlage vs. Passivanlage hat gezeigt, dass „aktiv“ nicht gleich „aktiv“ ist und die Bezeichnung „aktive PA“ im Laufe der Zeit durchaus einen Bedeutungswandel erfahren hat. Die landläufige Meinung, dass „aktiv“ nur „mit Verstärkung“ bedeutet, ist falsch. Eine PA, bei der alle Wege aktiv getrennt sind und per DSP und eigene Verstärker auf Wohlklang getrimmt werden können, hat gegenüber einer rein passiv-getrennten PA viele Vorteile, erfordert aber auch eine intensive Beschäftigung mit der Materie. Dies gilt insbesondere für die Modelle am Markt, bei denen der Hersteller nicht nur den Abruf einiger weniger Presets gestattet, sondern einen vollen Zugriff auf alle wichtigen Parameter bietet. Nach wie vor ein guter Kompromiss mit sehr gutem Preis-Leistungs-Verhältnis sind die teil-aktiven PAs, bestehend aus einem Subwoofer mit aktiver Systemelektronik und passiven Satelliten. Zwar erfolgt die Trennung im High-/Mid-Bereich durch eine passive Frequenzweiche, die wichtige Trennung zwischen Subwoofer und Satelliten wird jedoch aktiv vorgenommen. Die Systemelektronik ist oftmals vom Hersteller an ein bestimmtes Topteil angepasst. So ein System ist für den Einsteiger leicht zu handhaben und kann später immer noch durch aktive Varianten des Topteils ergänzt werden. Die passiven Topteile wandern dann, ergänzt durch eine Endstufe als Monitore oder Delay-Line, in den Fundus. Eine Bemerkung zum Abschluss: All das hier Gesagte gilt gleichermaßen auch für das Tonstudio. Passive Studiomonitore sind kaum noch als Neuware zu bekommen. Der Trend zum aktiv-getrennten Studiomonitor ist hier bereits abgeschlossen, denn Klangverluste durch passive Frequenzweichen möchte im Studio niemand mehr hinnehmen.

Forum
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    Armin Bauer  RED 111

    Also mich spricht das fast schon ins Azur gehende Blau in den Grafiken unheimlich an. Kann mich da kaum mehr auf die Inhalte konzentrieren. Aber wie ich den sehr geschätzten Kollegen Galla so kenne, sicher alles zu mind. 120% richtig dar gestellt.
    Danke dafür

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    Atarkid  AHU

    Wunderbar erklärt. Vielen Dank für diesen detailierten Artikel! War wirklich extrem interessant und super zu lesen.

  3. Profilbild
    hejasa  AHU

    Ich habe den Beitrag mit großem Interesse gelesen. Sehr informativ und anregend in dem Sinne, sich mit Beschallungstechnik auseinander zu setzen. Danke!

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