Der Dämpfungsfaktor, das unbekannte Wesen

24.05.2010 // Walter Fuchs
Jeder kennt ihn dem Namen nach, aber keiner kann so richtig sagen wozu er da ist, was er bewirkt und wo er herkommt. Dabei ist er eine unvermeidliche Begleiterscheinung von allen Verstärkern, selbst von Vorverstärkern! Überall, wo Ausgangsstufen von Verstärkern Kontakt mit der Außenwelt aufnehmen – entweder über Kabel mit Lautsprechern oder anderen Verstärkerstufen – spielt der Dämpfungsfaktor eine Rolle.

 

Stellt sich die Frage: Was ist er?

Mathematisch gesprochen: Eine dimensionslose Zahl, die sich dadurch ergibt, dass man den angeschlossenen Widerstand (zum Beispiel den Widerstand eines Lautsprechers) durch den Innenwiderstand der treibenden Stufe (Innenwiderstand des Endverstärkers) dividiert. Allgemein gesehen ist der Dämpfungsfaktor das Verhältnis von Lastwiderstand zu Ausgangswiderstand an einer elektrischen Schnittstelle. Der Dämpfungsfaktor ist eine Wechselstromgröße, denn es existieren in der realen Welt nicht nur rein ohmsche Widerstände, sondern auch Induktivitäten und Kapazitäten, somit ist er tatsächlich das Verhältnis von Eingangsimpedanz zu Ausgangsimpedanz. Der Begriff Impedanz umfasst die realen Anteile eines Wechselstromwiderstandes wie auch die induktiven und kapazitiven Scheinwiderstände.

Es hat sich eingebürgert, für den Lautsprecher eine Impedanz von 8 Ohm anzunehmen, vermutlich deshalb, weil früher die meisten amerikanischen Lautsprecher diese Impedanz besaßen – zumindest dem Datenblatt nach. Allerdings ist eine Lautsprecherimpedanz nie konstant und kann erheblich vom Nennwert abweichen. Zu den Auswirkungen dieser „Realimpedanz“ später mehr.

Was ist der Innenwiderstand eines Verstärkers und wie entsteht er?

Jeder analoge Verstärker besitzt in seinem Ausgang verstärkende Elemente wie Röhren und Ausgangsübertrager oder Transistoren – selbst diese werden manchmal mit Ausgangsübertragern versehen. Alle diese Bauteile sind nicht ideal und mit inneren Widerständen und Kapazitäten behaftet. Speziell Ausgangsübertrager weisen einen recht merklichen Innenwiderstand auf, der schon mal bis zu einem Ohm oder mehr betragen kann.

Röhren besitzengegenüber Halbleitern einen sehr hohen Innenwiderstand, der erst durch einen Transformator herabgesetzt werden muss, um einen Lautsprecher treiben zu können. Hilfreich wirkt sich in diesem Falle die Gegenkopplung von Verstärkern aus, welche in der Lage ist, die Ausgangsimpedanz um den Gegenkopplungsfaktor herabzusetzen. Aber auch Transistoren besitzen einen inneren Widerstand, egal ob es sich um Bipolartransistoren oder FETs handelt.

Ein paar Beispiele in Form einer virtuellen Schaltung sollen diesen Sachverhalt erhellen: Zu sehen ist eine Schaltung, die als reiner Buffer arbeitet, ohne jegliche Art von Spannungsgegenkopplung. Diese Schaltung ist auch unter der Bezeichnung Diamond Buffer bekannt und stellt nichts anderes dar, als einen komplementären Emitterfolger, einfach eine etwas „more sophisticated“ Schaltung. Für Selbstbauer: Vergewaltigt man die Schaltung nicht so wie hier gezeigt, eignet sie sich auch ganz hervorragend als Ausgangsstufe für Vorverstärker. Dann sollte man aber die 300 Watt Transistoren im Ausgang durch gemäßigtere Typen ersetzten. Die Übertragungsfunktion, dass heißt, die Spannungsverstärkung, beträgt 0,966, der Ausgangswiderstand beträgt 125 mOhm. Wie man anhand der virtuellen Instrumente sehen kann, sind die restlichen Werte auch nicht von schlechten Eltern. Die abgegebene Leistung beträgt circa 25 Watt.

Abb. 1: Frequenz- und Phasengang des  einfachen Emitterfolgers
Abb. 1: Frequenz- und Phasengang des einfachen Emitterfolgers
Man beachte den Frequenzgang, der über 6 MHz reicht! Das virtuelle Oszilloskop in der  Abb. 2 zeigt in Grün das Eingangssignal und in Blau das Ausgangssignal.

Abb. 2: Verstärker als einfacher Emitterfolger
Abb. 2: Verstärker als einfacher Emitterfolger
Der Frequenzgang ist Ordnung und der Klirrfaktor ebenfalls. Der Dämpfungsfaktor dieser Schaltung nach obigen Beschreibungen betrüge dann:
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Das ergibt einen Dämpfungsfaktor von 64! Betrachten wir nun mal den relevanten Teil bis 20 kHz, so ist auffällig, dass der Frequenzgang bei einer reinen 4 Ohm Last völlig glatt verläuft und die Phase auch nur minimale Änderungen zeigt.

Abb. 3: Frequenz- und Phasengang eines einfachen Emitterfolgers an 4 Ohm
Abb. 3: Frequenz- und Phasengang eines einfachen Emitterfolgers an 4 Ohm
Wie verhält sich eine solche Schaltung nun beim Anschluss an einen Lautsprecher? Auch der Lautsprecher ist hier als Schaltbild dargestellt, ein kleines Zwei-Wege Modell, entnommen einem etwas älteren Katalog eines Bausatzlieferanten. Es handelt sich um ein Modell ohne große Auffälligkeiten.