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Aktualisiert: 21. Juli 2017

Gegenkopplung

Gegenkopplung in Audio-Verstärkern (khs)

Einige Gerüchte sind sehr robust. Eines davon lautet, eine Gegenkopplung in Audioverstärkern sei schlecht. Das ist einerseits richtig, andererseits aber umso mehr falsch… Die folgende Abhandlung wird erklären, dass Gegenkopplung in Verstärkerschaltungen generell unverzichtbar, aber nur in Verbindung mit der Emitterfolgerschaltung mit klanglichen Nachteilen verbunden ist.

 

Der Generalverdacht: Gegenkopplung ist schlecht

Immer wieder heißt es, ein Verstärker sei nur darum besser, weil er keine, oder nur eine sehr geringe Gegenkopplung aufweise. Andererseits ist ein Operationsverstärker ohne Gegenkopplung geradezu unvorstellbar, außer wenn er als Komparator verwendet wird. Hier soll erklärt werden, warum in der einen Verstärkerschaltung die Gegenkopplung gut und unverzichtbar ist, in der anderen aber schlecht. Vorweg schon mal die Ursache:

 

Es liegt daran, dass der Audioverstärker im Allgemeinen als Emitterfolger konstruiert ist und dieser komplexe Lasten wie die Induktivität von Lautsprechern prinzipiell nur bedingt antreiben kann.

Der besondere Vorteil von Operationsverstärkern besteht darin, dass keine Induktivitäten eingebaut werden; die werden mit Kapazitäten simuliert (vergl. Gyratorschaltung). Auch Operationsverstärker funktionieren allgemein mit Transistoren in Emitterfolgerschaltung im Ausgang. Eine Operationsverstärkerschaltung mit realen Induktivitäten ist nicht bekannt. Diese würde sich unter induktiver Last ebenso verhalten wie ein Leistungsverstärker in Emitterfolgerschaltung.

 

Der ABACUS-Verstärker arbeitet in „Emitterschaltung“

Es sind aber auch Operationsverstärker bekannt, deren Ausgang nicht als Emitterfolger arbeitet, sondern wie der ABACUS-Verstärker den Strom an den Kollektoren der Endtransistoren liefert. Solche Operationsverstärker können auch induktive Lasten treiben.

Der Kollektorausgang liefert naturgemäß keine bestimmte Ausgangsspannung, sondern ist vielmehr vom jeweiligen Ausgangsstrom abhängig. Er wäre darum zum Antrieb eines Lautsprechers ungeeignet. Darum muss eine starke Gegenkopplung eingebaut werden, damit die Ausgangsspannung in einem festen Verhältnis zur Eingangsspannung steht. Dadurch ist die Ausgangsspannung auch vom jeweiligen Kollektorstrom unabhängig. Das geht so weit, dass der Kollektorstrom sogar der Ausgangsspannung entgegen gerichtet sein kann, ohne dass es diese Spannung beeinflussen könnte.

Dieses Verhalten kann nicht auf die Emitterfolgerschaltung übertragen werden. Beim Emitterfolger ist eine starke Gegenkopplung in der Regel schlecht – je nachdem, mehr oder weniger. Diese Erkenntnis auf die Emitterschaltung anzuwenden ist aber unzulässig; denn schädlich wird die Gegenkopplung nur bei der Emitterfolgerschaltung.

 

Verstärker mit Röhren arbeiten in "Kathodenschaltung"

Handelsübliche Röhrenverstärker arbeiten in Kathodenschaltung, weil sie ebenfalls eine Spannung am Eingang in einen Strom am Ausgang wandeln. Mit der Spannung am Steuergitter ändert sich der Anodenstrom. Im Ausgangsübertrager wird dieser Strom wieder in eine Spannung umgewandelt. Röhren sind also Stromquellen; und nur darum können sie an der Anode mit einem Transformator belastet werden.
In der Starkstromtechnik bezeichnet man dieses Transformatorprinzip als Stromwandler (vergl. Zangenamperemeter und Wechselstrommessung). Ein Stromwandler wandelt einen Strom in eine proportionale Spannung um.

 

Transistor ist eine stromgesteuerte Stromquelle

Prinzipiell machen Transistoren das genauso, nur wird hier nicht die Basisspannung, sondern der Basisstrom verändert. Eine Veränderung dieses Stroms hat unmittelbar eine Veränderung des Kollektorstroms zur Folge und demzufolge auch des Emitterstroms. Ein Transistor ist eine stromgesteuerte Stromquelle. Und genauso wie eine Röhre an der Anode durch eine Induktivität belastet werden kann, kann ein Transistor am Kollektor mit einer Induktivität belastet werden.

 

Einen Transistor am Emitter mit einer Induktivität zu belasten, ist falsch! Dies hat unweigerlich die bereits an anderen Stellen beschriebenen Emitterfolgerverzerrungen zur Folge.

Die Phasenverschiebung betrifft nicht nur den Kollektorstrom, der auch durch den Emitter fließt, sondern auch den Basisstrom, der ebenfalls durch den Emitter fließen muss. Wenn bereits der Basis-Steuerstrom am Transistor phasenverschoben ist, weicht auch der Kollektorstrom vom Ideal ab. Aber nur die am Emitter durch den phasenverschobenen Strom anfallende Spannung des Emitterfolgers steht diesem für die Gegenkopplung zur Verfügung.

Bei diesbezüglichen Betrachtungen steht die Problematik Verstärker-Lautsprecher stets im Focus. Aber eine vergleichbare Problematik besteht ebenso bei der Verbindung zweier Audiokomponenten auf Line-Niveau. Hier beeinflussen die elektrischen Eigenschaften von Verbindungskabeln und die Eingangseigenschaften der Folgekomponenten das Ausgangssignal.

 

Emitterschaltung auch für Linesignale?

Wie bei Endverstärkern sind auch die Line-Ausgänge der ABACUS-Vorverstärker ausschließlich als 100% gegengekoppelte Verstärker in Emitterschaltung konstruiert. Zur Nachrüstung am Ausgang von Line-Komponenten anderer Hersteller bietet ABACUS einen „Linetreiber“ an. Am Ausgang eines ABACUS-Verstärkers und damit auch am ABACUS-Linetreiber verliert Kabel und Folgegeräteeingang schädlichen Einfluss auf den Klang; dann „klingt“ eine Superstrippe für 1.000 Euro pro Meter ebenso wie 1000 Meter Stacheldraht.

August 2009 - khs
Mai 2017


 

 

Gegenkopplung in Audioverstärkern (HS)

!00% Gegenkopplung bei ABAUS, aber warum ist Gegenkopplung verpönt?

In HiFi-Kreisen verursacht Gegenkopplung oft Misstrauen. Der technisch versierte Musikfreund fragt sich dann, woran das wohl liegt. Schließlich sind Regelschleifen überall in der Antriebs- und Regelungstechnik Gang und Gäbe. Ein Sollsignal wird mittels eines Reglers mit dem tatsächlichen Signal verglichen. Die Differenz ist das Gegenkopplungssignal. Jede Abweichung wird so – mit der entsprechenden Geschwindigkeit des Reglers – erkannt und behoben.

Wenn also eine Gegenkopplung sicher stellt, das ein Motor mit der richtigen Geschwindigkeit dreht, ein Raum auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wird, und dafür sorgt, dass ein Satellit stets das Fernsehprogramm korrekt ausrichtet – warum sollte dieses Prinzip daran scheitern, die Bewegung einen Schallwandlers so zu kontrollieren, dass er exakt die Bewegung ausführt, die man von ihm erwartet?

Würde eine Gegenkopplung in einer Verstärker-Lautsprecher-Kombination funktionieren, schlüge man damit gleich zwei Fliegen mit einer Klappe. Zum einen wäre es so relativ einfach, dem Verstärkerausgang eine durch das Eingangssignal definierte Ausgansspannung anzugewöhnen. Zum anderen erzeugt jede Bewegung des Wandlers, die nicht durch das Musiksignal, sondern durch dessen Eigendynamik hervorgerufen wird, wie bei einem Mikrofon eine sogenannte „Gegeninduktionsspannung“.

Eigendynamik – wo kommt die her? Ein Schallwandler ist ein Masse-Feder-System. So etwas bezeichnet man auch als mechanischen Oszillator. Er hat also eine Eigenfrequenz, mit der er versucht, nach einer Anregung weiter zu schwingen. Wie stark er das tut, hängt von seiner Dämpfung ab. Eine gute Dämpfung ist im Übrigen das, was gute Lautsprecher teuer macht. Schließlich sollen sie auch bei geringem Nachschwingen einen brauchbaren Wirkungsgrad haben. Wenn nun aber der Verstärker in der Lage wäre, eine durch Nachschwingen erzeugte Gegeninduktionsspannung zu erkennen und ausreichend schnell Strom in die Schwingspule zu schicken, um dagegen zu halten, so wäre die Eigendynamik des Wandlers erstickt.

Genau dafür bietet sich eine Gegenkopplung zwingend an. Soweit hört sich die Idee doch ganz gut an. Warum soll nun aber ein Audioverstärker der nach diesem Prinzip arbeitet, schlecht klingen? Wie oben bereits erwähnt, haben Emitterfolger so ihre Probleme mit der Phasenlage des Ausganssignals. Solche Verstärker sind ja nicht einmal in der Lage, bei allen Frequenzen eine gewünschte Ausgansspannung mit der richtigen Phasenlage zu generieren. Eine Gegenkopplung wäre also durch die komplexe Last, die bekanntlich ein Lautsprecher darstellt, nicht phasenrichtig zum Sollsignal. Ganz im Gegenteil: Bei tiefen Frequenzen kann die Phasenlage mitunter so stark abweichen, dass die Gegenkopplung zu einer „Mitkopplung“ wird, also einen vorhandenen Fehler noch verstärkt. 

August 2009 – hs