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Grundlagen der HiFi-Technik II

Auch hier gilt, daß diese Beschreibungen nur wenige Jahre "das Maß der Dinge" waren. Die Miniaturisierung hatte ganz andere Prioritäten gesetzt und führte manche dieser Ausssagen "ad absurdum". Durch den wesentlich geringeren Platzbedarf und den geringeren Stromverbrauch ergaben sich gewaltige Veränderungen. Der Inhalt des Kompendiums steht hier.

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Die elektronischen Bauelemente in HiFi-Geräten (1)

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Widerstände - die Herren über Strom und Spannung

Im Gegensatz zu Musikinstrumenten, die Töne durch schwingende Saiten, Luftsäulen oder Resonanzkörper erzeugen, kommt kein HiFi-Gerät ohne Elektronik aus: Elektronische Bauelemente verstärken Spannungen und Leistungen, beeinflussen den Klang und setzen Antennensignale um.

Als häufigstes Bauteil findet sich in elektronischen Schaltungen der Widerstand. Der deutsche Physiker Ohm hat die Gesetzmäßigkeit formuliert, nach der sich Spannung, Strom und Widerstand verhalten:

Die Formel

R ist hierbei das Kürzel für Widerstand, U bedeutet Spannung und I Strom. Die Maßeinheit für den Widerstand in der Elektrotechnik heißt Ohm. Sie taucht jedoch in Schaltungen meist in abgekürzter Form auf: Q. Da sich der Widerstandswert aus Spannung durch Strom errechnet, ist ein Q nichts weiter als ein V/A (Volt pro Ampere).

Obwohl die Elektrotechnik ansonsten sehr wenig mit Klempnerei zu tun hat, bietet sich oft der Vergleich zwischen Strom und Wasser an. Wie in Flüssigkeiten, die durch enge Öffnungen ( = Fließwiderstand) fließen, ein Druckabfall in der Düse entsteht, ruft ein durch den Widerstand fließender elektrischer Strom einen Spannungsabfall zwischen beiden Anschlüssen hervor.

Der Entwickler, der Widerstände in seinen Schaltungen vorsieht, muß nicht nur auf den Widerstandswert achten, sondern auch auf andere Eigenschaften dieses Bauelements. An erster Stelle steht hierbei die elektrische Belastbarkeit. Wo Strom und Spannung vorhanden sind, wird auch elektrische Leistung erzeugt. Diese errechnet sich nach der Formel:

Die Formel
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oder (unter Berücksichtigung des Ohmschen Gesetzes)

Die Formel

P ist hierbei das Symbol für Leistung, die Einheit Watt (W). Der Widerstand verbraucht um so mehr Leistung, je mehr Strom fließt und je mehr Spannung ansteht. Verdopplung des Stroms erzeugt vierfache Leistung, genauso wie Verdopplung der Spannung.

Die Leistung

Die „verbrauchte" Leistung löst sich nicht in Luft auf, der Widerstand setzt sie in Wärme um. Damit ihm dabei nicht allzu warm ums Herz wird, muß er sie an die Umgebung loswerden. Je größer seine Oberfläche, desto besser gelingt ihm dies. Daher gilt: Die elektrische Belastbarkeit eines Widerstands hängt direkt mit seiner Baugröße zusammen.

Wenn es nicht rauschen darf

Stellt die Schaltung besonders hohe Ansprüche an die Rauscharmut, wie es zum Beispiel bei MC-Vorverstärkern der Fall ist, so muß der Entwickler darauf achten, daß der eingebaute Widerstand möglichst wenig Rauschen erzeugt. Extrem stark vergrößert, sieht das Widerstandsmaterial wie ein dreidimensionales Gitter aus (alle elektrischen Leiter haben diese Kristallgitter-Struktur), an dessen Ecken Atome oder Moleküle sitzen. Der im Widerstand fließende elektrische Strom setzt sich aus sehr vielen Elementarteilchen der Sorte Elektronen zusammen, die sich ihren Weg durch das Gitter hindurch suchen. Bei dem entstehenden Durcheinander stoßen viele Elektronen an die Gittermoleküle oder sie kollidieren untereinander. Das ergibt kleinste Unregelmäßigkeiten im Stromfluß, die das Widerstandsrauschen verursachen.

Erschwerend kommt noch hinzu, daß die Gittermoleküle schwingen und dadurch mehr Platz beanspruchen, als wenn sie ruhen würden. Je höher die Temperatur steigt, desto heftiger schwingen sie. Dieser Effekt verstärkt das Rauschen kräftig und bewirkt bei den meisten Metallen einen milden Anstieg des Widerstandswertes mit der Temperatur. Manche Materialien, etwa die Halbleiter der Transistoren, setzen mit steigender Temperatur zusätzliche Elektronen frei, die sich am Stromfluß beteiligen. Dadurch sinkt der Widerstand mit zunehmender Temperatur ab.

Je nachdem, was überwiegt - die Behinderung des Stromflusses durch Molekularschwingungen oder die vermehrte Elektronenanzahl -, hat das betreffende Material einen positiven (Widerstand steigt mit Temperatur) oder einen negativen Temperaturkoeffizienten. Die Rauschspannung vergrößert sich jedoch immer mit steigender Temperatur.

Die Temperatur in Wideständen ist nahezu unwichtig

Für HiFi-Schaltungen spielt der Temperaturkoeffizient üblicher Widerstände kaum eine Rolle. Die Abweichungen der eingebauten Widerstände vom Sollwert (Toleranzen) sind von vornherein meist größer als die Änderung mit der Temperatur.

Die Bauform des Widerstands hängt von der Anforderung ab. Für Leistungen über 20 Watt ausgelegte Exemplare besitzen oft Alugehäuse mit Kühlrippen. Etwas geringere Belastbarkeit (1 bis 10 Watt) weist die in einem Zementkörper eingegossene Art auf. Beide Typen bestehen im Innern aus einer Drahtwicklung.

Sie dienen als Belastungswiderstände oder zur Pegeleinstellung in Frequenzweichen von Lautsprecherboxen; in Leistungsendstufen eingebaut, helfen sie bei der Einstellung und Konstanthaltung des Ruhestroms der Endtransistoren.

Die ganz normalen Widerstände

Schichtwiderstände sind geringer belastbar (0,1 bis 3 Watt). Sie bestehen aus einem Porzellankörper, auf den eine dünne Metall- oder Kohleschicht aufgebracht ist. Darüber sitzt zur Isolation noch eine Lackschicht. Die Hersteller erzielen durch Abschleifen oder Abbrennen (Laserabgleich) von Teilen der Widerstandsschicht sehr enge Toleranzen. Wegen der höheren Zuverlässigkeit, der höheren Belastbarkeit und vor allem wegen des geringeren Rauschens setzen HiFi-Hersteller in Geräten der gehobenen Klasse trotz des höheren Preises bevorzugt Metallschichtwiderstände ein.

Einstellbare Widerstände

Einstellbare Widerstände (Potentiometer) bestehen aus einer Widerstandsbahn mit Anschlüssen an beiden Enden. Auf dieser Bahn bewegt sich ein Schleifer, der ebenfalls einen Lötanschluß besitzt. Meist sitzt der Schleifer an einer Drehachse, die Widerstandsbahn verläuft dann kreisförmig um die Achse herum. Als Trimmpotentiometer ermöglichen diese Bauteile in Schaltungen den Abgleich.

Besser als nur Trimmpotentiometer

Lautstärke-, Klang- und Balancesteller sind auch nichts anderes als Potentiometer. Sie tragen den erhöhten Anforderungen durch ständiges Hin- und Herdrehen im Betrieb mit ihrem stabilen Aufbau Rechnung. Die Achse besteht meistens aus Metall, eine Kapsel aus Metall oder Kunststoff schützt den Schleifer und die Widerstandsbahn vor Schmutz.

Tandem- oder Stereopotentiometer

Zur gleichzeitigen Beeinflussung beider Kanäle in Stereogeräten werden einfach mehrere Potentiometer auf einer Achse aufgefädelt. Wegen der nötigen Kanalgleichheit muß der Widerstandsverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel bei den Einzelpotentiometern möglichst genau übereinstimmen.

linear oder logarithmisch

In sogenannten linearer Ausführung dienen Potis als Balance-, Höhen- und Baßsteller. Der Widerstandswert steigt hierbei über die ganze Länge der Bahn gleichmäßig an. Bei den sogenannten logarithmischen Potentiometern - gebräuchlich als Lautstärkesteller - nimmt der Widerstand zum einen Ende hin überproportional zu. Das gleicht die Eigenschaft des menschlichen Gehörs aus, das Schalldruckunterschiede logarithmisch in Lautstärkeunterschiede umsetzt: Die Verzehnfachung des Schalldruckes ergibt subjektiv lediglich eine Lautstärke-Verdopplung.

Kondensatoren - die Kornkammern der Elektronik
ein etwas schwierigeres Kapitel

Hier finden Sie eine verständlichere Beshreibung.

Kondensatoren entsprechen, um bei der Analogie zur Wasserleitung zu bleiben, einem Eimer, gewissermaßen einem Elektroneneimer, einem Speicher für elektrische Ladung.

Der einfachste Typ setzt sich aus zwei elektrisch leitenden Flächen zusammen, getrennt durch eine Isolierschicht. Dieses Dielektrikum zwischen den Elektroden kann Luft sein, Kunststoff oder ein Keramikwerkstoff. Infolge der Isolation kann beim Anschluß einer Gleichspannungsquelle kein Strom durch den Kondensator fließen.

Jetzt kommt die Physik dran - Das Farad

Jedoch lädt sich die am Minuspol angeschlossene Elektrode (Kathode) dank der Elektronenlieferung durch die Batterie negativ auf. Von der anderen Elektrode, der Anode, zieht die Batterie eine entsprechende Zahl Elektronen ab, die Elektrode lädt sich dadurch positiv auf.
Die Ladung des Kondensators bleibt auch nach Entfernen der Batterie erhalten. Der Kondensator wirkt nun seinerseits als Gleichspannungsquelle. Ein zwischen Anode und Kathode angeschlossener Widerstand ermöglicht die Entladung.

Die Menge der Ladungsträger, die ein Kondensator speichern kann, hängt direkt von der Oberfläche seiner Elektroden ab. Je größer sie ist, um so mehr Ladung kann er aufnehmen, um so höher ist seine Kapazität.

Als Maßeinheit für die Kapazität eines Kondensators dient das nach dem englischen Physiker Michael Faraday benannte Farad:

1 Farad ist die Fähigkeit eines Kondensators, pro Volt anliegender Spannung 1 Coulomb Ladung aufzunehmen, das sind rund 6 Trillionen Elektronen, also eine 6 mit 18 Nullen. Fließen diese 6 Trillionen Elektronen innerhalb einer Sekunde an einer beliebigen Stelle des Stromkreises, beträgt die Stromstärke genau 1 Ampere.
Ausgeschrieben lautet die Einheit Farad daher:
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Die Formel
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Ein Vergleich

Wäre der Kondensator ein Luftballon, so lautete analog die Definition der Kapazität: Der Norm-Ballon (1 Farad) faßt bei 1 Atü Druck die Menge Luft, die in 1 Sekunde aus einer Düse strömt.

Liegt eine Gleichspannung am Kondensator an, klingt der Elektronenstrom nach erfolgter Aufladung ab. Anders bei Wechselspannung: Diese lädt und entlädt durch ständigen Wechsel ihrer Polarität den Kondensator im Takt ihrer Frequenz.

Ständiges Umladen des Kondensators - das ist nichts anderes als das Fließen eines Wechselstromes. Im Gegensatz zum Gleichstrom, bei dem sich die Elektronen immer in die gleiche Richtung bewegen, pendeln sie im Fall des Wechselstromes nur um ihre "gedachte" Ruhelage hin und her. Ein Kondensator im Stromkreis läßt dies zu. Je höher die Frequenz der angelegten Wechselspannung und je größer die Kapazität, desto besser kann der Wechselstrom fließen.

Ähnlich wie beim Widerstand läßt sich auch für einen Kondensator das Verhältnis zwischen (Wechsel-)Strom und Spannung angeben: Rein rechnerisch also ein Widerstand. Bei diesem Widerstand, der frequenzabhängig ist, spricht man aber von einem Blindwiderstand, einer Reaktanz:

Die Formel

Rechnet man das Ganze in Maßeinheiten, so ergibt sich:

Die Formel

Das Ergebnis ist also die Maßeinheit des Widerstands.

Neben dem Kapazitätswert, also der elektrischen Größe des Kondensators, gibt es noch einige andere für HiFi-Einsatz dieses Bauteils wichtige Kenndaten. Die Spannungsfestigkeit des eingebauten Kondensators muß so groß sein, daß er in allen Betriebszuständen der Schaltung nicht durch Überlastung seinen Geist aufgibt. Bestimmt wird die Fähigkeit, mit hohen Spannungen fertig zu werden, in erster Linie durch das Dielektrikum.

Je dicker die Isolierschicht zwischen den Elektroden, um so höher ist die Spannung, die der Kondensator verträgt. Auch der Werkstoff spielt eine Rolle. Kunststoffe, Glimmer und spezielle Papierarten kommen für hohe Spannungsfestigkeit in Frage.

Es wird komplizierter : Ladung, Spannung, Strom
Ein Artikel im Artikel

Den Innenaufbau von Atomen kann auch ein noch so starkes Elektronenmikroskop nicht sichtbar machen. Es gibt aber Modelle, die physikalische und chemische Erscheinungen erklären. Eines davon - von Nils Bor entworfen - stellt den Atomaufbau wie ein kleines Sonnensystem dar.

Elektrisch negativ geladene Elektronen kreisen um einen positiven Kern. Die elektrostatische Anziehungskraft zwischen dem Kern und den Elektronen hält der Fliehkraft die Waage, verhindert deren Wegfliegen aus der Kreisbahn. Diese Kraft ist ihrem Wesen nach dieselbe, die Staubteilchen auf die Oberfläche einer allzu heftig geputzten Schallplatte zieht und daran festhält.

Verbinden sich Atome zu größeren Strukturen - Kristallgitter, Molekülen und Molekülverbänden -, dann setzt dies beim Kristallgitter der Metalle und bei manchen Verbindungen Elektronen frei, die sich innerhalb des Molekülverbandes frei bewegen können. Die entsprechenden Stoffe sind elektrisch leitfähig. Metalle enthalten besonders viele freie Elektronen. Im Normalfall verteilen sich alle Elektronen als Elektronenwolke innerhalb des Metalls gleichmäßig.

Durch elektrische und magnetische Felder lassen sich diese Elektronen bewegen. Schiebt man einen Metalldraht quer zu seiner Längsachse durch ein Magnetfeld, so tritt dieser Effekt auf: Am einen Ende sammeln sich Elektronen an, es lädt sich negativ auf. Am anderen Ende fehlen diese Elektronen, seine Polarität ist positiv, zwischen den Drahtenden läßt sich eine elektrische Spannung messen. Der Generator, der den Strom für die Steckdose zu Hause liefert, beruht auf diesem Prinzip.

Aber erst eine leitfähige Verbindung von positiver und negativer Klemme des Generators ermöglicht Stromfluß. Dann treten aus dem negativen Anschluß Elektronen aus und fließen durch den Leiter zum positiven Anschluß. Die negativen Ladungsträger bewegen sich also im Verbraucher vom Minuspol zum Pluspol. Diese Bewegungsrichtung nennt sich physikalische Stromrichtung.

Demgegenüber existiert auch noch das Relikt der technischen Stomrichtung aus einer Zeit, als die Physiker die Rolle der Elektronen als negative Ladungsträger beim Stromfluß in Metallen noch nicht erkannt hatten. Danach hatte der Strom per Definition von Plus nach Minus zu fließen. Diese Regelung behielt die Technik, um keine Verwirrung zu schaffen, trotz neuerer Erkenntnisse bei.

Der Kondensator in Tunern

In Filterschaltungen von Tunern ist alles schädlich, was zu Kapazitätsänderung führt (zum Beispiel Temperaturschwankungen oder Alterung), denn es verstimmt die Schwingkreise, worunter Trennschärfe, Empfindlichkeit und Klang leiden. Wichtig sind geringer Temperaturkoeffizient des Kapazitätswertes, große Langzeitstabilität, geringe Feuchteempfindlichkeit. Besonders gut erfüllen Kondensatoren mit Kunststoff-Dielektrikum (Styroflex) diese Forderungen. Auch manche Keramiktypen eignen sich ganz ausgezeichnet.

Etwa über das Dielektrikum

Die Isolationsfestigkeit des Dielektrikums kann zwar sehr gute Werte aufweisen, lOOprozentig ideal ist sie allerdings nie. Jeder Kondensator besitzt daher neben der Kapazität noch einen gewissen Durchlaß-Widerstand: den Isolationswiderstand des Dielektrikums. Weil er wie jeder andere Widerstand den über ihn fließenden Strom in Wärme verwandelt, trägt er die Bezeichnung Verlustwiderstand.

Das Verhältnis von Verlustwiderstand zur Reaktanz nennt sich Verlustfaktor, aus beiden zusammen errechnet sich der Scheinwiderstand, die Impedanz. Koppelkondensatoren in HiFi-Schaltungen müssen sehr kleine Verlustfaktoren aufweisen. Bei extrem hohen Werten kommt es zu einer Verflachung des Klangbildes und hörbaren Verzerrungen.

Es gibt eine Vielfalt der Bauformen bei Kondensatoren

Durch die Vielfalt der Bauformen steht für jeden Einsatzzweck der richtige Kondensator zur Verfügung. Besonders viel Kapazität auf kleinem Raum besitzen Elektrolyt-Kondensatoren. Die Anode bildet hierbei eine Aluminiumfolie, die Kathode eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit (Elektrolyt). Die Aufgabe des Dielektrikums übernimmt eine Oxydschicht auf der Anode.

Der Elektrolyt-Kondensator = ELKO

Spannung darf am Elko nur in einer Polarität anliegen. Bei falscher Polung zerstört die Spannung die Oxydschicht, dann fließt Gleichstrom, der den Elektrolyten chemisch zersetzt: Der Kondensator wird unbrauchbar. In Extremfällen kann er sogar durch die sich entwickelnden Gase explodieren.

Wegen der hohen Kapazität sorgen in Netzteilen die Elektrolyt-Kondensatoren dafür, daß den Verstärkern auch im härtesten Streß nie die Puste ausgeht. In Verstärkern früherer Baujahre waren sie auch als Koppel-Elkos zwischen Verstärkerausgang und Lautsprecheranschlußklemmen des Verstärkers gebräuchlich, um die bei der damals üblichen Stromversorgungstechnik entstehende gefährliche Gleichspannung am Ausgang der Verstärkerschaltungen abzublocken und damit vom Lautsprecher fernzuhalten.

Der Kunststoffkondensator

Als gut geeignet für Filterschaltungen, Klangsteller und Phonoentzerrernetzwerke erweisen sich Kunststoffkondensatoren. Kennzeichen dieser Bauart sind niedrige Verluste und geringe Temperaturabhängigkeit der Kapazität. Kunststoffkondensatoren enthalten zwei Metallfolien, zwischen denen sich eine Kunststoffolie als Dielektrikum befindet. Aufgerollt und mit axialen Drahtanschlüssen versehen, kommt das Ganze je nach verwendeter Kunststoffolie als MKS-, MKC-, MKH- oder Styroflex-Kondensator in den Handel. MKL-Kondensatoren bestehen aus denselben Zutaten, sind aber sandwichartig aufgebaut.

Der keramische Kondensator

Keramische Kondensatoren bestehen aus einem metallbelegten Keramikplättchen oder -röhrchen. Die Keramik spielt hierbei die Rolle des Dielektrikums. Sie eignen sich besonders für Hochfrequenzanwendungen und zum Abblocken hochfrequenter Störungen auf Spannungszu-führungsleitungen.

Der (uralte) Drehkondensator

Trotz neuzeitlicher Synthesizertechnik gibt es immer noch Tunerentwickler und HiFi-Enthusiasten, die auf Drehkondensatorabstimmung schwören. Ein Beispiel ist der Kenwood KT-1100. Drehkondensatoren verändern bei dieser Art der Abstimmung die Resonanzfrequenz der Schwingkreise des Tuners. Der "Rotor" dreht sich hierbei so, daß seine Platten mehr oder weniger in die Zwischenräume der feststehenden Platten des "Stators" hineinragen. Dies ergibt eine veränderliche Kapazität, bei der die Luft zwischen den Platten als Dielektrikum fungiert.

Neben sehr guten Hochfrequenzeigenschaften sind auch extrem kleine Verluste Kennzeichen von Drehkondensatoren. Wegen der aufwendigen Mechanik erfordern sie allerdings hohe Präzision bei der Fertigung und sind damit teuer.

Ähnlich aufgebaut wie "Drehkos", nur kleiner, versehen Trimmer in Schaltungen ihren Dienst. Mit dem Schraubendreher läßt sich ihre Kapazität einstellen. Sie stimmen Filter ab und verhelfen Empfangsteilen zu glatten Frequenzgängen.

Günther Mania in 1988

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