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Konstantstrom-Verstärker

Unter Strom: Ausgelöst durch den Edel-Kopfhörer-Boom mitsamt den dazu passenden, separaten Verstärkern macht derzeit ein Begriff die Runde: der Konstantstrom-Verstärker – englisch Constant Current Amplifier. LowBeats erklärt im Folgenden, was es damit auf sich hat.

Üblicherweise arbeiten die Endstufen in Lautsprecher- und Kopfhörer-Verstärkern im sogenannten Konstantspannungs-Betrieb (Constant Voltage): Stellt man beispielsweise den Lautstärkesteller so ein, dass an den Boxenklemmen 10 Volt anliegen, so bleibt dieser Wert erhalten, egal welche Größe der Lastwiderstand, also die Box oder der Kopfhörer aufweist (das wäre zumindest der Idealfall).

Der Endstufe liefert ihre 10 Volt also unabhängig davon, ob sie gerade einen Ton von 5000 Hertz wiedergibt – bei dem der Lautsprecher einen Lastwiderstand (Impedanz) von beispielsweise 6 Ohm aufweist – oder aber der Ton in der 50-Hertz-Region liegt,  bei dem der Lautsprecher eine angenommene Impedanz von 30 Ohm besitzt.

Wenn aber die Spannung am Ausgang der Endstufe stabile 10 Volt beträgt, während sich die Impedanz des Lautsprechers frequenzabhängig ändert, muss sich nach dem Ohmschen Gesetz auch der Laststrom durch den Lautsprecher verändern.

In diesem Beispiel wären das bei 5000 Hertz 1,67 Ampere, wohingegen bei 50 Hertz nur 0,33 Ampere fließen. Ins Unendliche würde der Laststrom folglich anwachsen, wenn die Lautsprecherimpedanz auf 0 Ohm absinken würde, zum Beispiel durch Kurzschluß – wobei naürlich in solchen Fällen die Überstromsicherung der Endstufe anspricht, sodass sie keinen Schaden nimmt.

Liefert eine Enstufe (oder auch eine Stromversorgung), egal, wie niedrig der Lastwiderstand auch ausfallen mag, unendlich viel Strom, bezeichnet man sie als ideale Spannungsquelle.

Technisch bedeutet das: Ihr Innenwiderstand ist sehr gering und strebt gegen 0 Ohm.

Alternative Konstantstrom-Betrieb

Anders dagegen der Konstantstrom-Betrieb: Hier stellt die Quelle (in diesem Beispiel also die Endstufe) je nach Laustärkersteller einen definierten Ausgangsstrom bereit, der unabhängig vom frequenzabhängigen Verhalten des Lastwiderstandes (in diesem Beispiel Kopfhörer oder Box) stabil bleibt.

Vorangegangenes Beispiel nochmals herangezogen, würde bei obigem Lautprecher im Konstantstrombetrieb beispielsweise stets 1 Ampere fließen – unabhängig davon, ob seine Impedanz bei 50 Hertz 30 Ohm oder bei 5000 Hertz 6 Ohm beträgt. Selbst bei einem Kurzschluss der Boxenkabel würde der Strom 1 Ampere nicht überschreiten.

Liefert eine Endstufe (aber auch eine Stromversorgung), egal wie hoch oder niedrig der Lastwiderstand auch ausfallen mag, einen konstanten Ausgangstrom, bezeichnet man sie als ideale Stromquelle.

Technisch bedeutet das: Ihr Innenwiderstand ist sehr hoch und strebt gegen unendlich.

Konstantspannungs- und Konstantstrom-Verstärker zeigen hinsichtlich Last-Anpassung demnach elektrisch entgegengesetztes Verhalten und empfehlen sich daher jeweils für bestimmte Einsatzbereiche besonders.

Die Versorgung von Lautsprechern oder Kopfhörern stellt allerdings einen Sonderfall dar, denn grundsätzlich ließen sich hier beide Varianten mit ihren jeweiligen Vorteilen einsetzen – was in der Praxis auch geschieht.

Für Konstanstrom-Verstärker spricht die Tatsache, dass sie sich sozusagen von Haus aus ideal zum Antrieb dynamischer Wandler eignen: Schließlich beziehen diese ihre Bewegungsenergie aus sich verändernden, magnetischen Feldstärken – die ja ursächlich vom durch die Schwingspule fließenden Strom bestimmt werden.

Zudem bewirkt der hohe Innenwiderstand von Stromquellen eine sehr kleine Serien-Zeitkonstante in Verbindung mit den stets vorhandenen induktiven Anteilen der Schwingspule, was ein schnelles Ein- und Ausschwingverhalten der Wandlersysteme bewirkt.

Konstantstrom-Verstärker = höherer Aufwand

Allerdings sind Konstantstrom-Verstärker längst nicht so populär wie Konstantspannungs-Verstärker, da sie – speziell beim Treiben von Lautsprechern – höheren Schaltungsaufwand erfordern. Der Grund: Bei Konstantstrom-Betrieb steigt die Leistung am Verbraucher prinzipbedingt mit zunehmender Impedanz.

Bezogen auf das vorangegangene Beispiel (Konstantstrom von 1 Ampere) steht dem Lautsprecher bei 50 Hertz, bedingt durch seine Impedanz von 30 Ohm, demnach eine deutlich größere Leistung (30 Watt) zur Verfügung als bei 5000 Hertz, bei dem seine Impedanz ja nur 6 Ohm und damit die Leistung lediglich 6 Watt beträgt.

Im Klartext heißt das, dass sich der Amplitundenfrequenzgang von Konstantstrom-gespeisten, induktiven Schallwandlern in Abhängigkeit ihrer Impedanz ändert.

In der Praxis bedeutet das, dass Lautsprecher mit ihren prinzipbedingten, sehr deutlichen Impedanzschwankungen bei Konstantstrom-Speisung eine invers zu ihrer Impedanzkurve verlaufende, maßgeschneiderte Frequenzgang-Korrektur (Entzerrung) benötigen, um einen glatten Amplitudenfrequenzgang zu erzielen – für geringe Leistungsverluste sollte diese natürlich schon vor der Endstufe stattfinden.

Rein technisch stellt das kein Problem dar, praktisch ist das jedoch schwierig zu realisieren: Weil jede Lautsprecherbox ihren sehr individuellen Impendanzverlauf besitzt, müssten Konstantstrom-Verstärker bei jedem Boxenwechsel eine andere Entzerrungskurve erhalten.

Für Aktivlautsprecher mit ihrer festen Kopplung zwischen Lausprecher und Endstufe stellen Konstantstrom-Endstufen daher eine ernstzunehmende und auch praktikable Lösung dar. Für klassische HiFi-Verstärker hingegen sind sie – durch die dem Hersteller unbekannten, stets wechselnden Spielpartner – wegen mangelnder Kompatibilität zu möglichst vielen Boxen kaum geeignet.

Ganz anders sieht die Sache dagegen bei Kopfhörern aus: Ihre Impedanz verläuft nämlich in fast allen Fällen ausgesprochen linear, so dass hier keine Entzerrungsmaßnahmen wie bei Lautsprechern erforderlich sind – hier können Konstantstrom-Verstärker ihre Vorzüge also tatsächlich voll ausspielen.

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