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Den Leistungsbedarf berechnen und erfahren, warum die 100-Volt-Technik dabei so praktisch ist
Für die Planung neuer Beschallungsprojekte das perfekte Verhältnis von Verstärker, Lautsprecher und Watt finden
Wie unterscheiden sich Niederohm-Systeme und 100-Volt-Technik bei der Verstärker-Lautsprecher-Kombination? Stellen Sie sich vor, wir planen die Musikbeschallung in einer Gastronomie. Dafür muss klar sein, wie Verstärker, Lautsprecher und die Leistung kombiniert werden. Das ist für (Quer-)Einsteiger und Hobbyisten gutes Grundlagenwissen. Wir klären ein paar Begriffe, räumen Missverständnisse aus dem Weg und brechen eine Lanze für 100-Volt-Technik. Achtung: Nehmen Sie sich ein Heißgetränk. Lehnen Sie sich zurück. Es wird technisch.
Die Basics: Impedanz, Sensitivität und Empfindlichkeit
Impedanz ist ein Maß für den elektrischen Widerstand der Komponenten, angegeben in Ohm. Wir verwenden Impedanz unter anderem, um die Kompatibilität zwischen Verstärker und Lautsprecherboxen zu bestimmen. Lautsprecher haben oft einen Ohm-Wert zwischen 4 und 8. Viele Verstärker arbeiten am besten im Bereich zwischen 6 und 12 Ohm. Machen wir es kurz: Es ist in Ordnung, Lautsprecher mit einer höheren Impedanz an einen Verstärker anzuschließen, der mit einer niedrigeren Impedanz arbeitet. Wo Sie vorsichtig sein müssen: Lautsprecher mit einer niedrigeren Impedanz (4 Ohm) sollten Sie eher nicht an einen Verstärker mit einer höheren Mindestimpedanz (10 Ohm) anschließen.
Viel mehr in unserem Artikel über Impedanz, Lautsprecher und Verstärker
Besser bekannt ist diese Eigenschaft als Kennschalldruck. Sie gibt an, wie laut ein Lautsprecher in Dezibel ist, wenn er in einem Meter Entfernung mit einer Leistung von 1 Watt betrieben wird. Damit besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Lautstärke und Watt-Zufuhr, also dem Verstärker. Wenn der Abstand zum Lautsprecher und die eingesetzte Leistung gleich sind, klingt ein Lautsprecher mit geringerer Empfindlichkeit leiser als ein Lautsprecher mit höherem Kennschalldruck. Das bedeutet nicht, dass eine höhere Empfindlichkeit besser ist. Es bedeutet nur, dass ein Lautsprecher mit höherer Empfindlichkeit eine höhere Lautstärke erreicht und Ihnen möglicherweise die Investition in einen stärkeren Verstärker erspart. Über Soundqualität sagt dieser Wert aber nichts aus, Stichwort: Frequenzgang.
Viel mehr in unserem Artikel überKennschalldruck eine technisch wichtige Kennzahl einfach erklärt
Ein weit verbreiteter Irrtum: Bei Verstärkern und Lautsprechern wird keine Leistung (in Watt) gemessen. Bei Lautsprechern wird die Belastbarkeit innerhalb eines bestimmten Bereiches ermittelt, bis der ein Lautsprecher zum Beispiel noch gerade nicht verzerrt oder womöglich sogar Schaden nimmt. Ein Lautsprecher hat also niemals eine Leistung, weil er keine Energie erzeugt. Wenn von aktiven Lautsprechern gesprochen wird, ist das was anderes: dort ist schließlich die integrierte Endstufe, die Leistung bringt.
Das führt außerdem oft zu dem Irrtum, dass mehr Watt gleichbedeutend mit einer höheren Lautstärke sei. Das ist nicht (immer) der Fall. Bei der Wattzahl von Lautsprechern und Verstärkern geht es darum,
- wie viel Leistung ein Lautsprecher verarbeiten kann,
- wie viel Leistung ein Verstärker abgibt.
Oft kombinieren Einsteiger einen Verstärker mit geringer Leistung mit Lautsprechern mit hoher Leistung. Auch weil beim Verstärker ausschließlich auf die Peak- oder Maximalleistung geachtet wird. Das ist jedoch nicht der Weg zur optimalen Kombination für eine Beschallung in unserer Gastronomie. Warum Datenblätter von Verstärkern häufig eine dynamische oder maximale (auch Peak- oder Spitzen-)Leistung und eine RMS-Leistung angeben, klären wir im Folgenden.
Achtung: Doppelte Verstärkerleistung verdoppelt nicht die Lautstärke.
Das Verhältnis zwischen Verstärkerleistung und Lautstärke wird oft missverstanden. Richtig wäre: Die Verstärkerleistung entspricht der akustischen Leistung. Eine Verdoppelung der Verstärkerleistung erhöht die Schallleistung um 3 dB – genügend Kapazität vorausgesetzt. Eine Verdoppelung der (Schall-)Leistung führt jedoch nicht zu einer Verdoppelung des Schalldrucks. Dafür noch mal grundsätzlich: Die vom Verstärker und Lautsprecher erzeugte akustische Leistung bewirkt, dass sich Schalldruckwellen in der Luft bewegen – das ist der hörbare Schalldruck. Der Schalldruck ist auch das, was ein Schalldruckpegelmesser (SPL) misst.
Eine Verdoppelung des Schalldrucks erfordert eine Erhöhung der Verstärkerleistung um 6 dB (x4).
Eine Verzehnfachung des Schalldrucks erfordert eine Erhöhung der Verstärkerleistung um 20 dB (x100).
Das bedeutet, dass:
eine Erhöhung der Verstärkerleistung um 3 dB die Schallleistung verdoppelt, aber den Schalldruck nur um den Faktor 1,4 erhöht,
eine Erhöhung der Verstärkerleistung um 6 dB den Schalldruck verdoppelt (und die Leistung um den Faktor 4 erhöht wird),
eine Erhöhung der Verstärkerleistung um 20 dB den 10-fachen Schalldruck und die 100-fache Leistung ergibt.
Achten Sie auf die Begrifflichkeit: „Lautstärke“ ist subjektiv – und sollte immer der Location angemessen sein
Lautstärke wird von jeder Person anders wahrgenommen. Sie hängt auch von der Dauer des Sounds, der Art, der Frequenz und anderen subjektiven Faktoren ab. Die meisten Studien deuten darauf hin, dass unser Gehör eine Erhöhung von etwa 10 dB benötigt, um die doppelte Lautstärke wahrzunehmen. Einige Studien gehen von nur 6 dB aus. Psychoakustiker gehen von folgenden Annahmen aus:
Eine Verdopplung der Leistung (+3 dB) führt zu einem Anstieg der wahrgenommenen Lautstärke um etwa 25 %.
Die vierfache Leistung (+6 dB) führt zu einem Anstieg der wahrgenommenen Lautstärke um etwa 50 %.
Die 10-fache Leistung (+10 dB) führt zu einem Anstieg der wahrgenommenen Lautstärke um etwa 100 %.
Wie mehrere Lautsprecher die „Belastung“ teilen – und was Sie bei der Abdeckung mit Soundquellen beachten sollten
Oft möchten Anwender schlichtweg mehr Lautsprecher an ihren Verstärker anschließen, um die Leistung (im Sinne von: Output) zu erhöhen. Das reduziert aber die Leistung eher. Das Missverständnis: „Nennleistung“ wird missverstanden. An einen Verstärker, der an einen 100-Watt-Lautsprecher angeschlossen ist, können Sie keinen weiteren 100-Watt-Lautsprecher klemmen und 200 Watt Leistung erwarten. Die 200 Watt sind dann nur die maximale Kapazität, die gefüllt werden könnte. Die Nennleistung des Lautsprechers ist die Leistung, die er in laufendem Betrieb sicher ausgeben kann – nicht die physikalisch mögliche Leistung an der Belastungsgrenze. Die hängt vom Verstärker ab. Die maximale Ausgangsleistung eines Verstärkers wiederum hängt von der Konstruktion des Verstärkers und der Gesamtimpedanz der an ihn angeschlossenen Lautsprecher ab. Lautsprecher teilen sich die Leistung: Bei einer bestimmten Ausgangsleistung eines Verstärkers teilt er diese Leistung auf die angeschlossenen Lautsprecher. Bei acht Lautsprechern wird die Leistung von allen acht Lautsprechern gemeinsam genutzt. Der Hauptgrund, Lautsprecher zu einem bestehenden System hinzuzufügen, sollte nicht die Leistung sein – sondern die Abdeckung mit Soundquellen. Wie sich die Lautsprecher die Leistung des Verstärkers teilen, hängt von der Verkabelung ab. Nämlich davon, ob die Impedanz jedes Lautsprechers gleich ist oder nicht – und ob die Lautsprecher in Reihe, parallel oder in einer Kombination aus Reihe und parallel geschaltet sind:
Wenn alle an den Verstärker angeschlossenen Lautsprecher die gleiche Impedanz haben, wird die Leistung gleichmäßig aufgeteilt. Egal ob in Reihe oder parallel geschaltet.
Wenn die parallel geschalteten Lautsprecher jeweils eine unterschiedliche Impedanz haben, verbrauchen die Lautsprecher mit der niedrigeren Impedanz mehr Strom als die Lautsprecher mit der höheren Impedanz.
Wenn die in Reihe geschalteten Lautsprecher eine unterschiedliche Impedanz haben, nehmen die Lautsprecher mit der höheren Impedanz mehr Strom auf als die Lautsprecher mit der niedrigeren Impedanz.
Ein häufiges Missverständnis: Verstärkerleistung wird nicht gemessen, sondern berechnet
Erinnern wir uns kurz an den Physikunterricht:
- Ein Voltmeter misst die Spannung in Volt.
- Ein Amperemeter misst den Strom in Ampere.
- Ein Ohmmeter misst den Widerstand in Ohm.
Mit diesen Messungen berechnen Sie die Verstärkerleistung (in Watt): Leistung ist die Spannung im Quadrat, geteilt durch den Widerstand. Ein Beispiel: Nehmen wir an, Sie haben einen Verstärker, der an eine 8-Ohm-Last angeschlossen ist. Bei einer konstanten Sinuswelle messen Sie 20 Volt Spannung am Lautsprecherausgang des Verstärkers. Da Sie den Widerstand (8 Ohm) und die Spannung (20 Volt) kennen, können Sie die Leistung berechnen:
Leistung = (20 mal 20) geteilt durch 8 = 50 Watt.
Die größte Komplikation besteht darin, dass der Ausgang eigentlich keinen konstanten Pegel hat. Denn der Eingang (der Strom) hat ebenfalls keinen. Nehmen wir an, dass am Verstärkereingang ein Sinussignal anliegt. Deswegen ist es auch eine Sinuskurve, die aus ihm herauskommt: Ursprung der klassischen Wechselspannung sind die Generatoren in Kraftwerken.
Die größte Komplikation besteht darin, dass der Ausgang eigentlich keinen konstanten Pegel hat. Denn der Eingang (der Strom) hat ebenfalls keinen. Nehmen wir an, dass am Verstärkereingang ein Sinussignal anliegt. Deswegen ist es auch eine Sinuskurve, die aus ihm herauskommt: Ursprung der klassischen Wechselspannung sind die Generatoren in Kraftwerken.
Dabei dreht sich ein Rotor im Generator um 360 Grad. Die Spannung, die dadurch entsteht, hat eine wechselnde Polarität, also einen sinusförmigen Verlauf. Der Pegel geht ständig auf und ab, positiv und negativ. Wenn Sie es jedoch mit einem Messgerät messen, erhalten Sie einen konstanten Strom mit konstanter Spannung. Das liegt daran, dass ein Messgerät die sogenannte RMS-Leistung anzeigt.
RMS steht für Root Mean Square
„RMS-Leistung“ ist ein mathematischer Begriff für die effektive Arbeitsleistung. Sie beträgt 70,7 % der Spitzenspannung. In unserem Beispiel haben wir 20 Volt RMS am Ausgang des Verstärkers gemessen. Der Ausgang pendelt also zwischen +28,29 und -28,29 Volt. 70,7 % von 28,29 Volt sind 20 Volt. Erinnern wir uns: Leistung ist gleich Spannung im Quadrat, geteilt durch den Widerstand. Dies gilt für jeden Punkt entlang der Sinuswelle. Wenn wir also den Spannungswert nehmen und ihn mit sich selbst multiplizieren und dann durch den konstanten Widerstand (8 Ohm) dividieren, erhalten wir die Ausgangsleistung 50 Watt. An den Spitzen der Sinuskurve wird die Leistung bis zu 100 Watt ergeben. Die effektive Arbeitsleistung ist immer die Hälfte der Spitzenleistung.
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Durchschnittliche Dauerleistung oder Nennleistung
Die durchschnittliche Leistung ist der Leistungspegel, den der Verstärker kontinuierlich erzeugen kann. Daher wird sie als durchschnittliche Dauerleistung bezeichnet, als Durchschnitt der Sinuskurve. In Spezifikationen sollte deswegen die durchschnittliche Dauerleistung zur Angabe der Verstärkerleistung verwendet werden, wenn Sie Lautsprecher planen. Denn das bezieht sich auf die Leistung, die ein Verstärker mit der angegebenen Last dauerhaft erzeugen kann. In vielen Datenblättern für die Verstärkerleistung wird dies als RMS-Leistung bezeichnet. Bei den meisten Spezifikationen können Sie die RMS-Leistung als durchschnittliche Dauerleistung oder Nennleistung betrachten.
Die sinnvollste Angabe für die Belastbarkeit eines Lautsprechers ist die Nennbelastbarkeit (RMS), bei Verstärkern die Nennleistung (RMS).
Die Nennleistung gibt an, wie leistungsfähig ein Verstärker im Normalbetrieb ist
Einfach ausgedrückt liefert die Nennleistung eine feste Watt-Leistung an einen festen Ohm-Wert, zum Beispiel 50 Watt pro Kanal an 4 und 8 Ohm. Dabei handelt es sich um die Leistung, die ein Gerät über einen längeren Zeitraum problemlos bewältigen kann.
Achten Sie auf die Nennleistung und die Wattzahl Ihres Verstärkers. Vergleichen Sie diese mit der empfohlenen Belastung für Ihren Lautsprecher.
Die Spitzenleistung eines Lautsprechers ist die maximale Wattzahl, die seine Schwingspule in sehr kurzen, gelegentlichen Ausbrüchen verarbeiten kann. Es ist die Leistung, die erforderlich ist, um die maximale Leistung des Lautsprechers für ein oder zwei Millisekunden zu erreichen. Bei dieser konstanten Spitzenleistung würden die Drähte in der Schwingspule des Lautsprechers schnell schmelzen. Diese Spitzenleistung mag zwar eine große, beeindruckende Zahl sein, ist aber für den Dauerbetrieb nicht wichtig. Das ist, als würden Sie sagen: „Ich kann einen Meter durch die Luft fliegen.“ Das stimmt zwar, aber eben nur sehr kurz – mit einem Sprung. So funktioniert auch ein Lautsprecher nur kurz in dieser hohen Belastung. Wir nennen diesen Wert: Musikleistung. Denn ganz unwichtig ist er auch nicht: Er gibt an, bis wann Spitzen im Sound vom Lautsprecher noch kurzzeitig ertragen werden können.
Für Niederohm-Systeme: Wie viel Verstärkerleistung brauche ich?
Watt und dB als Richtwert für die Wahl der richtigen Verstärkerleistung zu verwenden ist problematisch, da die Skalen nicht linear sind. Definieren Sie zunächst Ihr Ziel. Wollen Sie Ihre Lautsprecher so mit Spannung versorgen, dass sie möglichst viel Leistung freisetzen – also möglichst laut sind? Dann schauen Sie zuerst nach, wie viel Leistung Ihre Lautsprecher vertragen, ohne Schaden zu nehmen. Dafür werfen Sie zuerst einen Blick in das Datenblatt des Lautsprechers. Achten Sie auf die Angabe der Nennimpedanz. In der Regel sind das 2, 4, 8 oder 16 Ohm, jedenfalls wenn es sich um niederohmige Lautsprecher handelt. Als Nächstes suchen Sie nach der Spezifikation des Lautsprechers mit der Bezeichnung „Dauerbelastbarkeit“, oder „Continuous Power Rating“. Dies lässt einen Spielraum von 3 bis 6 dB für Signalspitzen.
Wenn Sie mit einem Limiter verhindern, dass die Endstufe übersteuert, sollten Sie eine Endstufe verwenden, die das 2- bis 4-Fache der Dauerbelastbarkeit der Lautsprecher pro Kanal liefert.
Lautsprecher sind dafür ausgelegt, kurzzeitige Spitzen zu verarbeiten
Wenn Sie nicht verhindern können, dass die Endstufe übersteuert, sollte die Verstärkerleistung der Nennleistung des Lautsprechers entsprechen. Das ist die maximale Leistung, die der Lautsprecher ununterbrochen erreichen darf, ohne Schaden zu nehmen. Auf diese Weise wird der Lautsprecher nicht beschädigt, wenn der Verstärker durch Übersteuerung des Eingangs übersteuert. In diesem Fall gibt es keinen Headroom für Spitzenwerte, sodass Sie den Lautsprecher mit weniger als seiner vollen Nennleistung betreiben müssen, wenn Sie Verzerrungen vermeiden wollen. Faustregel: Belassen Sie die Verstärkerleistung beim 1,6-Fachen der Nennleistung pro Kanal.
Ein Beispiel für Niederohm-Anwendungen
Die Impedanz Ihres Lautsprechers beträgt 4 Ohm. Seine Nennbelastbarkeit beträgt 100 Watt. Um in der sicheren Zone zu bleiben, sollte die 4-Ohm-Leistung des Verstärkers 1,6 x 100 W oder 160 W Nennleistung pro Kanal betragen. Beachten Sie, dass sich bei Parallelschaltung von zwei Lautsprechern deren Gesamtimpedanz halbiert. Zwei parallel geschaltete 8-Ohm-Lautsprecher haben zum Beispiel eine Impedanz von 4 Ohm. In diesem Fall würde jeder Lautsprecher die Hälfte der 4-Ohm-Leistung des Verstärkers erhalten.
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Warum die 100-Volt-Technik so praktisch ist: die einfache Berechnung von Verstärkerleistung und Lautsprechern
Mit der 100-Volt-Technik ist die Frage nach der Anzahl der Lautsprecher, der Höhe der Belastbarkeit und der Stärke des ELA-Verstärkers sehr simpel. Nehmen wir einen ELA-Verstärker, der 200 Watt liefert. Diesen 200-Watt-„Leistungspool“ können Sie beliebig auf verschiedene Lautsprecher aufteilen. Der Bedarf eines bestimmten Lautsprechers mit 100-Volt-Technik wird als Nennleistung für einen bestimmten SPL-Ausgang angegeben. Nehmen wir an, wir haben uns für zwei Größen von Deckenlautsprechern entschieden: einen mit einer Leistung von 15 Watt und einen mit 5 Watt. Denken Sie daran, dass es sich bei diesem Wert nicht um die Nennleistung des Lautsprechers handelt, sondern um die Leistung, die er vom ELA-Verstärker verbraucht. Die Belastbarkeit des Lautsprechers selbst ist hier nicht relevant. Um herauszufinden, wie viele Lautsprecher der ELA-Verstärker versorgen kann, müssen Sie lediglich die Anzahl der 15-Watt-Lautsprecher und die Anzahl der 5-Watt-Lautsprecher addieren und sicherstellen, dass diese Summe nicht mehr als die 200 Watt beträgt. Die Gesamtbelastbarkeit der angeschlossenen Lautsprecher darf die Nennleistung des Verstärkers nicht überschreiten.
WALL-08T/SW
Moderne 100-Volt-Lautsprecher bieten hohe Klangqualität und Sprachverständlichkeit.
Bei der Planung eines 100-Volt-Systems ist es wichtig, dass die kombinierte Nennbelastbarkeit die Nennleistung Ihres Verstärkers nicht überschreitet. Es ist ratsam, etwas Spielraum („Headroom“) zu lassen, um das System nicht zu überlasten.
Achtung: Wenn Sie viel mehr Leistung verwenden, kann das den Lautsprecher beschädigen
Der Grund ist meist, dass die Lautsprecherchassis an ihre Grenzen stößt. Andererseits: Wenn Sie viel weniger Leistung verwenden, birgt das auch Probleme. Wenn Sie den ELA-Verstärker mit einem zu großen Lautsprecher ständig überfordern, kann er ebenfalls überhitzen.
Die beste Performance mit 100-Volt-Systemen
100-Volt-Technik ist konzipiert für Musikanwendungen im Hintergrund und für die Übertragung von Sprache. Höchste Klangtreue ist meistens keine primäre Anforderung. Gute 100-Volt-Systeme liefern aber durchaus hohe Audioqualität. Dafür beachten Sie: Da in einem 100-Volt-Leitungssystem Transformatoren verwendet werden, muss darauf geachtet werden, dass die Kerne dieser Transformatoren nicht mit übermäßiger Energie gesättigt werden. So funktioniert das System gut und der Verstärker bleibt unbeschädigt. Ein gesättigter Transformatorkern zeigt sich als sehr niedrige Impedanz an den Ausgangsklemmen des Verstärkers. Das kommt einem Kurzschluss nahe. Das wiederum führt zu
- einer frühzeitigen Überhitzung des Verstärkers,
- Schutzschaltungen, die den Ton unnötigerweise stummschalten,
- einer schlechten Performance des Gerätes. Audiotechnisch äußert sich dies in einem verzerrten, krächzenden Geräusch, ähnlich einer falsch ausgerichteten Schwingspule.
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Ist es wirklich so einfach, 100-Volt-Systeme zu kalkulieren? Eine Sache wäre da noch …
Es gibt zwei Faktoren, die es etwas komplizierter machen. Einerseits Verluste in den Kabeln selbst und Verluste in den Audio-Übertragern. Es ist ein kleines Dilemma: Informationen über die Verluste an den Transformatoren zu erhalten ist schwierig, dafür müssten Sie das System erst errichten. Aber das können Sie erst, wenn wir die nötige Leistung des ELA-Verstärkers kennen. Die kennen wir aber erst nach Messung der Verluste. Zum Glück gibt es eine verlässliche Faustregel: Die Verstärkerleistung sollte etwa 50 % größer sein als die Leistung, die Ihre Lautsprecher bekommen. Wenn also die Gesamtkapazität Ihrer Lautsprecher 100 Watt pro Kanal beträgt, sollten Sie einen ELA-Verstärker mit einer Leistung von etwa 150 Watt pro Kanal wählen. So stellen Sie sicher, dass Sie die Leistung und damit den SPL haben, den Sie benötigen.
Mehr über ELA-Technik und andere Audiotechnik erfahren? Stöbern Sie im Magazin von MONACOR.
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