IGS-Industrielle Gefahrenmeldesysteme GmbH

Technology for life safety and security

Wissenswertes zum Thema Sprachalarmanlagen - Verstärker

Der Verstärker ist ein aktives Bauteil, welches das Ausgangssignal einer Schallquelle (z.B. Mikrofon) verstärkt und sein Ausgangssignal an einen Schallwandler (z.B. Lautsprecher) abgibt.

Verstärker ist ein aktives Bauteil

Idealerweise ist der Verstärkungsfaktor über den gesamten Frequenzbereich (z.B. Hörbereich 20 Hz – 20 kHz) gleich gut, um eine Verfälschung des Originalsignales zu vermeiden. Dieser Übertragungsbereich wird durch die untere Grenzfrequenz und die obere Grenzfrequenz bestimmt. Jenseits dieser Grenzfrequenzen wird der Verstärker nicht mehr im optimalen Bereich betrieben und es entstehen Verzerrungen.

Um Klangverfälschungen auszugleichen oder aber den Klang den persönlichen oder akustischen Anforderungen des Raumes anzupassen, können Filterstufen eingesetzt werden. In der Praxis ist das ein Klangregelnetzwerk des Verstärkers selbst (Höhen, Mitten, Tiefen) oder auch ein Mischpult oder Equalizer.

Beispielezur Dämpfung 1

Beispielezur Dämpfung 2

Vorverstärker / Endverstärker

Um den (Leistung-) Verstärker in seinem optimalen Arbeitsbereich betreiben zu können, wird die Verstärkerstufe oft in eine Vorstufe und eine Endstufe aufgeteilt. Die Aufteilung kann durch zwei voneinander getrennte Geräte oder auch in einem gemeinsamen Gehäuse erfolgen.

Das Zusammenspiel zwischen diesen beiden Verstärkerstufen umfasst die wichtigen Kenngrößen wie z.B. den Frequenzbereich, Frequenzverlauf, Eingangsspannung und die Impedanz. Durch die elektrische Arbeitsweise des Vorverstärkers bleibt der Anteil an unerwünschten Oberwellenschwingungen äußerst gering.

Vorverstärker und Endverstärker

In der Beschallungstechnik ist besonders die Rauscharmut und Übersteuerfestigkeit von Bedeutung. Hier stehen in der Regel nur die kleineren Signalspannungen eines Mikrofons zur Verfügung, welche durch den Verstärker auf einen möglichst hohen Ausgangspegel verstärkt werden soll.

Durch die Aufteilung in eine Vor- und Endstufe kann das Mikrofonsignal durch den Vorverstärker angepasst und ideal für den Eingang des Endverstärkers aufbereitet werden. Somit wird die heftige Verstärkung von unerwünschten Signalen weitgehend vermieden.

Als Verstärker werden Geräte bezeichnet, die z.B. in der Audiotechnik einen Lautsprecher antreiben und bestimmte elektrische Mindestanforderungen erfüllen müssen. Für die Audiotechnik ist dies z.B. eine Ausgangsleistung von mindestens 1 Watt an einem niederohmigen Geräteausgang (z.B. 4 oder 8 Ω).


Kenngrößen eines Verstärkers

Ausgangsleistung
Mit der Ausgangsleistung (in Watt) wird die Gesamtausgangsleistung des Verstärkers festgelegt. Verstärker werden für eine bestimmte Impedanz oder Ausgangsspannung entwickelt. Bei niederohmigen Verstärkern (Audiotechnik, Hifi) sind das in der Praxis Lastimpedanzen von 4 bis 8 ƒ. In der Beschallungstechnik bezieht man sich auf die Ausgangsspannung (z.B. 100 V) weil die Impedanz durch die, in den Lautsprechern eingebauten Übertrager, angepasst wird. Die an einen Verstärker angeschlossene Last (in Watt) darf die Ausgangsleistung des Verstärkers nicht überschreiten.

Beispiel:
An einen 100 V-Verstärker mit einer Ausgangsleistung von 240 W können max. 40 Lautsprecher (geeignet für 100 V-Technik) mit einer Einzelleistung von jeweils 6 W angeschlossen werden. Verstärker der Beschallungstechnik bieten oft mehrere "Lautsprecherausgänge". Mann spricht hier von Lautsprecherzonen auf die die Gesamtausgangsleistung des Verstärkers aufgeteilt ist.

Beispiel:
Ein 100V-Verstärker mit einer Ausgangsleistung von 240W und 4 Zonen stellt pro Zone eine Ausgangsleistung von 60W zur Verfügung. An einen Ausgang können somit 6 Lautsprecher á 10W oder 10 Lautsprecher mit jeweils 6W angeschlossen werden. Grundsätzlich sollte ein Verstärker nicht im Grenzbereich betrieben werden. Zusätzlich zu den dort zu erwartenden Störungen (Verzerrungen, Rauschen etc.) spielt die thermische Belastung eine große Rolle. Verstärker mit größeren Ausgangsleistungen müssen ausreichend belüftet werden oder verfügen über eine integrierte "Zwangsbelüftung", die den Verstärker entweder über einen geregelten Lüfter zusätzlich kühlt oder sogar elektronisch "abregelt".

Ausgangsart
Mit der Ausgangsart wird festgelegt, welche Lautsprechertypen an einen Verstärker angeschlossen werden können. Typische Ausgangsarten sind bei den 100 V-Verstärkern der Beschallungstechnik 100 V, 70 V und 50 V. An diese Ausgänge können geeignete Lautsprecher (Übertrager) mit der jeweiligen Spannung (Energietransformation) angeschlossen werden. Die meisten Verstärkertypen unterstützen zusätzlich einen Ausgang zum Anschluss von passiven Lautsprechern mit 4 bis 16 ƒ Impedanz.

Klirrfaktor
Der Klirrfaktor (in %) ist die Angabe, wie hoch der Anteil der unerwünschten Verzerrungen ist, die durch nichtlineare Baugruppen des Verstärkers und das Verstärkungsprinzip entstehen. Typischerweise ist der Klirrfaktor bei Geräten der Beschallungstechnik meistens kleiner als 1 % und kann somit vernachlässigt werden. Für Geräte, mit denen bewusst eine Klangverfälschung erzielt werden soll (Mixer, Equalizer) wird in der Regel kein Klirrfaktor angegeben.

Frequenzgang
Der Frequenzgang eines Verstärkers beschreibt dessen Fähigkeit das Eingangsignal in einem Bereich ohne nennenswerte Verzerrungen oder Klangverfälschungen verstärken zu können. Wichtig ist das zu übertragende Frequenzband für das menschliche Gehör im Bereich von 20 Hz – 20 kHz. Für Audiogeräte (z.B. Hifi-Verstärker) die speziell für die qualitative Wiedergabe von Musiksignalen entwickelt wurden, hat der Frequenzgang eine Bedeutung bei der Auswahl des Gerätes abhängig vom individuellen Höranspruch und dem persönlichen Hörvermögen.

Der Frequenzgang bei 100 V-Verstärken deckt in der Praxis in diesem Bereich vollständig ab. Durch den Einsatz in Sprachalarmierungssystemen sind jedoch die sehr tiefen Frequenzen (< 100 Hz) und die sehr hohen Frequenzen (> 15 kHz) ohne Relevanz. Hier ist es wichtig, den "großen Mittenbereich" in einer guten Qualität wiedergeben zu können.

Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis der Wirkleistung (Audioleistung) zur gesamt aufgenommenen Leistung.

Verstärker in AB Technologie haben einen Wirkungsgrad von ca. 50 %. Bei z.B. 2x 250 W nimmt dieser bei einem Wirkungsgrad von 50 % bis zu 1000 W auf. Das entspricht einer Audioleistung von 500 W und einer Verlustleistung in Höhe von 500 W, welche in Wärme umgesetzt wird.

Bei Verwendung eines Klasse D-Verstärkers liegt der Vorteil in der verminderten Verlustleitung. Im Vergleich liegt diese bei gleicher Audioleistung bei nur 125 W. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 80 % und einer Aufnahme von bis zu 625 W.


100-Volt-Technik

Die 100 V-Technik wird überwiegend in der Beschallungstechnik bei SAA-Anlagen (ELA) oder PA-Anlagen eingesetzt. Mit dieser Technik ist es möglich die Verkabelung der einzelnen Lautsprecher mit einem sehr geringen Kabelquerschnitt auszuführen und trotzdem die erforderliche Energie zu übertragen. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird mit einem Übertrager (Transformator) für die Lautsprecher auf 100 V hoch transformiert.

Hierfür sind sowohl spezielle Übertrager erhältlich wie auch Verstärker (mit integriertem Übertrager), die an ihrem Ausgang bereits die erforderliche 100 V-Spannung zur Verfügung stellen.

Anschluss von Lautsprechern in 100 V-Technik

Die angeschlossenen Lautsprecher werden - im Gegensatz zur Audiotechnik - parallel geschaltet. Jeder Lautsprecher verfügt wiederum über einen eigenen Übertrager (integriert oder vorgeschaltet) für die individuelle Anpassung der Spannung und Impedanz. Die Übertragung erfolgt symmetrisch über erdfreie Signalleitungen mit kleinem Kabelquerschnitt.

Grundsätzlich ist die Anzahl der Lautsprecher für eine SAA-Anlage in 100 V-Technik nicht begrenzt. An einen Verstärker können auch unterschiedliche Lautsprechertypen mit unterschiedlichen Leistungen parallel angeschlossen werden.

Um die erforderliche Verstärkerleistung zu berechnen, können die Einzelleistungen der angeschlossenen Lautsprecher einfach addiert werden. Die 100V-Technik muss nicht zwingend auch mit einer Spannung von 100 V betrieben werden. Die meisten Übertrager verfügen über eine Anzapfung für die international eingesetzten Spannungen von 100 V, 70 V und 50 V.

Hierbei reduziert sich jedoch die Energie auf die Hälfte (bei 70 V) bzw. auf ein Viertel (bei 50 V) der Leistung einer 100 V-Speisung.

Anschluss von Lautsprechern mit einer anderen  Spannung (70 V oder 50 V)

Da jedem Lautsprecher ein eigener Übertrager vorgeschaltet ist hierüber für jeden Lautsprecher eine individuelle Lautstärkeregelung realisierbar. Auch die Abschaltung von einzelnen Lautsprechern oder Lautsprechergruppen ist möglich, ohne das System hierdurch zu beeinträchtigen. Die meisten Übertrager sind einkanalig – also – für den Monobetrieb ausgelegt. Um einen Stereobetrieb zu realisieren, müsste man die vollständige Ausstattung (Verstärker und Übertrageranzahl) verdoppeln.

Typische Anschlussbelegung: In der Praxis kann die Leistung des Lautsprechers über die entsprechende Anschlussklemme "ausgewählt" werden. Bei einem 6 Watt Lautsprecher sind beispielsweise folgende Leistungswerte möglich:

Auswahl der Leistung

Vorteile der 100 V-Technik

  • optimal geeignet für Sprachdurchsagen und akustische Alarmierung
  • hohe Lautsprecheranzahl realisierbar
  • problemlose Erweiterung, Erhöhung der Lautsprecheranzahl (Parallelschaltung)
  • geringe Kabeldurchmesser der Lautsprecherzuleitung
  • geringe Leitungsverluste wegen hoher Spannung
  • große Kabellängen/Entfernungen möglich
  • individuelle Lautstärkeregelung für jeden Lautsprecher möglich

Weitergehende Informationen: Verstärker für Sprachalarmanlagen

Quelle: Schulungsinformationen der Firma Esser by Honeywell

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