Wärmeentwicklung des Amp erklären?

[P]

moin moin,

ich hab ma wieder ne eher technische frage.
und zwar frage ich mich (als physik-abwähler) welche variablen sich auf die wärmeentwicklung eines verstärkers auswirken, und wie.

1) wenn nur die lautstärke geändert wird - lauter = wärmer? oder genau anders, da der amp dann ja weniger gedämpft wird?
2) wenn man bei ansonsten gleichen voraussetzungen LS mit anderer Impedanz testet - größerer widerstand = mehr oder weniger wärme?

3) unterschiedlicher wirkungsgrad der LS - bei gleicher abspiellautstärke braucht der amp bei kleinem Wirkungsgrad mehr leistung = höhere wärmeentwicklung?


kann mir wer erklären, wie die verschiedenen Punkte sich auf die wärmeentwicklung auswirken?
welcher der punkte überwiegt (wie ist die gewichtung)?

danke an alle, die physik gemacht haben
gruß
peer

[P]

ach ja,

und wie sieht es aus im vergleich mit oder ohne aktiven subwoofer?
entlastet der sub den amp und führt so zu einem kühleren amp?

[Koala]

moin P,

vereinfacht dargestellt wird die Temperatur durch zwei Faktoren bestimmt, nämlich aus dem Wirkungsgrad und der zugeführten Energie. Im Idealfall beträgt der Wirkungsgrad 100%, d.h. was an Energie zugeführt wird, kommt am Ende auch unvermindert raus. Da jedoch jeder Transistor über einen wesentlich geringeren Wirkungsgrad verfügt, muß die nicht am Ausgang zur Verfügung gestellte Energie anderweitig an die Umwelt abgegeben werden (Energieerhaltung), und dies geschieht in Form von Wärme.

1) wenn nur die lautstärke geändert wird - lauter = wärmer?

Da für eine höhere Verstärkung mehr Energie zugeführt werden muß, steigt auch der Anteil der Verlustleistung, also wird auch mehr Wärme produziert. Der Wirkungsgrad des Transistors ändert sich durch höhere Betriebsspannungen (höhere Temperatur = bessere Leitfähigkeit) nicht so dramatisch wie das Maß der Betriebsspannungserhöhung, selbst wenn der Wirkungsgrad bei einer Erhöhung der zugeführten Energie um 100 Watt 5 Prozentpunkte betragen sollte (bspw. von 75% auf 80%), so ist die Zunahme der Verlustleistung (80% von 100 Watt = 20 Watt) immer "spürbar".

greetings, Keita

[g.vogt]

Hallo P,

ich hab' zwar Physik nicht abgewählt (so kam man zu meiner Zeit noch nicht durchs Abi), aber meine Schulzeit ist lange her und ich bin aus der Übung. Präzise Erklärungen kann ich dir also sicher nicht bieten. Aber einen Versuch will ich trotzdem wagen:

Entscheidend für die Wärmeentwicklung eines Vollverstärkers ist natürlich vor allem die Leistungsendstufe und ihre Stromversorgung und nur auf diesen Bereich will ich eingehen.

Zu 1) "Gedämpft" wird das Eingangs(klein)signal der Endstufe. Ohne Signal fließt in typischen Class A/B-Endstufen nur ein gewisser Ruhestrom, der für eine nur mäßige Erwärmung sorgt. Mit steigenden Eingangssignal steigt auch das Ausgangssignal (und damit die Lautstärke) an. Gleichzeitig erhöht sich der Strom durch die Ausgangstransistoren der Endstufe. Zusammen mit der an diesen Transistoren abfallenden Spannung ergibt sich eine Verlustleistung, die in Wärme umgesetzt wird. Komplexer und von mir mathematisch nicht greifbar ist dann der Umstand, dass mit größerer Lautstärke der (mittlere) Spannungsabfall an den Ausgangstransistoren abnimmt, wohingegen ja der Strom zunimmt. Die größte Wärmeentwicklung ergibt sich deswegen nicht bei Vollaussteuerung (größtmögliche Lautstärke ohne nennenswerte Verzerrungen), sondern ein gutes Stück darunter.

Zu 2) Vergleiche zu 1) Durch Lautsprecher mit größerer Impedanz fließt bei gleicher Ausgangsspannung weniger Strom. Das bedeutet weniger Leistung an den Lautsprechern, aber auch weniger Verlustleistung an den Endtransistoren.

Zu 3) Lautsprecher mit geringerem Wirkungsgrad brauchen mehr (elektrische Eingangs-)Leistung für die gleiche Lautstärke. Ergo wird der Verstärker wohl meistens wärmer.

Am Netztransformator entstehen durch dessen Übertragungsverluste auch Wärme. Die Übertragungsverluste nehmen mit der abverlangten Leistung (=mehr Strom) etwas zu. Auch der Transformator wird also bei größerer Lautstärke wärmer.

Zur Frage im zweiten Beitrag: Tiefe Töne brauchen mehr Leistung (wieso das so ist, kann ich nicht beantworten). An alten Schelllackplatten kann man es jedenfalls gut erkennen. Die größte Auslenkung (Amplitude, Signalstärke) haben die tiefen Töne. Bei den Langspielplatten hat man dann für die Aufzeichnung die tiefen Töne definiert abgesenkt und für die Wiedergabe definiert angehoben (schon mal von einem Entzerrerverstärker gehört oder der RIAA-Entzerrung?). Dadurch sind die Auslenkungen der Rillen viel kleiner und man kann die Rillen enger schreiben = mehr Spielzeit.
Ergo hat die Endstufe weniger zu leisten und wird weniger warm, wenn man die tiefen Töne auf einen aktiven Subwoofer umleitet.

(Vorschau) Sehe grade, von Koala kriegste noch was mit Mathematik

Mit internetten Grüßen
Gerald Vogt

[rudijopp]

Moin "p",

zu wissenschaftlich sollten wir bei solch einem Thema wohl eher nicht werden, denn es stellt sich die Frage: Welchen Hintergrund haben deine Fragestellungen?

Eines kann ich dir aber aus meiner Erfahrung sagen; je höher die Lautstärke, um so geringer die Verlustwärme des Verstärkers. Das konnte ich sowohl am OnkyoTX-DS575, dem SR600 und auch dem SR701, aber ganz besonders bei meiner Denon-Endstufe feststellen. Wird der Denon im Teillastbetrieb "gefahren" ist die Front ziemlich warm (die Endstufentransistoren sind aber seitlich) und "gibt man dann richtig Gas" kühlt sie sich wieder ab.

Das ist verhältnismässig leicht zu erklären. Wird ein Transistor vereinfacht ausgedrückt "voll auf Durchgang angesteuert", muss er "fast" nichts mehr in Verlustwärme umsetzen.

Dies gilt aber nur, solange der Transistor bzw. der Amp nicht überlastet wird, was durch verzerrte Laustärke und zu geringen Lastwiderstand (4Ohm LS an für 8Ohm optimierten Amp) passieren kann. Zu geringer Lastwiderstand wirkt sich aber auch erst in Verbindung hohen Lautstärken aus. Letztendlich würde jede Schultzschaltung Ärger vermeiden.

bis denn dann,
der Rudi

[junior]

Vielleicht brauchen tiefere Töne mehr Leistung weil die Membranen der Boxen mehr arbeiten müssen (die Energie zum Auslenken müsste ja auch vom Amp kommen). Meine Idee warum eine Wärmeentwicklung beim Amp stattfindet wäre, das Strom genauso Reibung (wenn auch bedeutend weniger) erzeugt und diese an das Medium, was den Strom transportiert überträgt. Umso mehr Lautstärke gefordert wird, desto mehr zieht das Netzteil -> mehr Strom wird benötigt -> mehr Reibung wird an das Medium abgegeben. So würde ich das ganze verstehen. Ist natürlich sehr Laienhaft erklärt , verzeiht ich bin noch jung und lerne.

Edit: Die Temperatur hat einen sehr großen Einfluss auf das Widerstandsverhalten elektrischer Leiter. Wenn man anstatt des Leiters aus Konstantandraht einen Leiter aus Eisendraht oder eine Bleistiftmine in den elektrischen Stromkreis einsetzt, so erkennt man eine Widerstandsänderung, d.h. der Widerstand ist nicht mehr konstant. Durch die daraus resultierende, ständig zunehmende Stromstärke I steigt auch die Temperatur im Leiter.
Die Temperaturveränderungen, die als Folge der Stromwärme eintreten, sind für die Widerstandsveränderungen nach beiden Seiten verantwortlich. Für metallische Leiter gilt das ohmsche Gesetz; d.h. ihr Widerstand ist von der Stromstärke unabhängig, wenn die Temperatur konstant bleibt.

puh

[Koala]

Hallo Gerald,

(Vorschau) Sehe grade, von Koala kriegste noch was mit Mathematik

bei mir ist's auch ne Ewigkeit her, daher hab ich's bei einer simplen Milchmädchenrechnung belassen

greetings, Keita

[burki]

Hi,

hab Physik nicht abgewaehlt, sondern dann auch noch vo "Urzeiten" an der Uni bis zum "bitteren" Ende fertigstudiert, doch soo einfach ist das Ganze eben nicht zu erklaeren.
Wie Rudi schon schreibt, ist die Verlustleistung der Trafos im Saettigungsbereich (da sind wir am Anschlag) zumeist wesentlich geringer, als im mehr oder minder unbelasteten Zustand (sprich: die Verlustleistung ist keine konstante Groesse).
Die realen spuerbaren Unterschiede (wird punktfoermig abgestrahlt oder werden grosse Kuehlkoerper benutzt ?) sind allerdings je nach Hersteller z.T. drastisch.
Meine NAD-Endstufen werden z.B. nie mehr als handwarm.
Andere Waermequellen sollten uebrigens bei den AVRs nicht vernachlassigt werden. Die Referenzspannungserzeugung fuer einen hochwertigen DAC (meiner ist schon 2x aufgrund zu geringer Abstaende abgeraucht) kann die Waermeverlustleistung einer schnoeden Endstufe verblassen lassen.
Uebrigens benoetigen auch passive Lautsprecher eine gewisse Kuehlkonzept ...
Gruss
Burkhardt

[JoKeR]

Vielleicht brauchen tiefere Töne mehr Leistung, weil die Membranen der Boxen mehr arbeiten müssen (die Energie zum Auslenken müsste ja auch vom Amp kommen).

Ja das hört sich logisch an.

MfG

JokeR

[G. Nubert]

Hallo,
die am häufigsten eingesetzten Endstufen sind in "Class A/B Schaltungstechnik", (also Gegentakt-B-Betrieb mit Ruhestrom). Damit ist die Wärme-Entwicklung bei etwa der halben "maximalen-Ausgangsleistung" (mit einem konstanten Sinus-Signal) am höchsten.
Rein theoretisch wären bei reinen Class-B-Endstufen 78.5% Wirkungsgrad bei Vollaussteuerung möglich, die in der Praxis aber nicht erreicht werden können.

Hierzu ein Diagramm aus "Tietze-Schenk Halbleitertechnik":



Eine recht anschauliche, 7-seitige Übersicht mit (relativ einfachen) Formel für den Wirkungsgrad von Class A und B:
http://techniker.pi-pro.de/fs/nae/word/ ... aerker.doc

Typische AB-Endstufen haben etwa 60 bis 65% Wirkungsgrad bei Vollaussteuerung, weit unter 50% bei halber Ausgangsleistung und (je nach Höhe des Ruhestroms) kaum 10% bei kleineren Leistungen.

Bei manchen Verstärkern geht der "Class-A-Betrieb" erst bei einigen Watt Ausgangsleistung in "B" über. - Die können auch ohne Aussteuerung "ganz schön heizen" (z. B. 50 oder 80 Watt in Wärme umsetzen).

Wenn man "für 2x20 Watt" einen 2x 100Watt-A/B-Verstärker einsetzt, erzeugt er wesentlich mehr Abwärme, als ein - ansonsten gleich aufgebauter - 2x 25 Watt-Verstärker.
Genau auf diesem Prinzip beruht ein "Schaltungskniff", den wir in (bisher) allen unserer Subwoofer-Powerblöcken einsetzen, um den Wirkungsgrad entscheidend zu verbessern.
In dieser so genannten "Class G-Technik" wird die Endstufe mit niedrigeren Versorgungs-Spannungen gespeist, so lange das für die gewünschte Ausgangsleistung ausreicht. Bei größeren Leistungen erfolgt die Speisung aus Netzteilen mit höherer Spannung. Das ist recht aufwändig und erfordert zwei zusätzliche Anzapfungen am Trafo, zwei Leistungsgleichrichter, doppelt so viele Endtransistoren und zwei Paar Lade-Elkos im Netzteil. Aber dafür verringern sich im laufenden Musikbetrieb damit die Wärmeverluste ohne mess- oder hörbare Nachteile auf weniger als ein Drittel (je nach Aussteuerung).
Musiksignale haben auch bei Verstärkern, die an der Leistungsgrenze betrieben werden, eine "Energie-Anteil" von deutlich weniger als der halben maximalen Verstärkerleistung. Deshalb "hilft" Class G auch bei sehr großen Dauer-Lautstärken.

Es gibt aber auch andere Verfahren, die Wärme-Entwicklung zu reduzieren.
Für Subwoofer kann man praktisch ohne klangliche Nachteile "Class-D" (Digital-Verstärker mit Pulsbreiten-Modulation)einsetzen, die inzwischen sehr günstig produziert werden können und bis zu über 90% Wirkungsgrad haben können. Vor allem wegen der Störstrahlung sind die uns aber noch etwas unsympathisch. - Im Hochtonbereich finde ich sie klanglich nicht so gut wie die besseren unter den analogen Verstärkern.

Für Surround-Receiver kann man analoge Endstufen mit "Power-Tracking" Stromversorgung einsetzen, die ebenfalls einen sehr guten Wirkungsgrad haben. Theoretisch können die merklich besser klingen als Class D. Einige Receiver, in denen diese Technik eingesetzt wird, überzeugen aber klanglich noch nicht so recht.

Nicht so "ökonomisch" gehen die Class A- Endstufen mit dem Strom um. Sie haben bei Vollaussteuerung theoretisch 25% Wirkungsgrad, der bei kleineren Leistungen stetig abnimmt. Bei Zimmerlautstärke produzieren sie meistens über 99% "Abwärme".

Gruß, G. Nubert