Vorteile des direkten Constant-Voltage-Betriebs in Crown-Verstärkern

Stromversorgungsunternehmen haben eine gute Idee, die auch in der Audiotechnik angewendet wird. Wenn Strom über Kilometer lange Kabel transportiert wird, minimieren sie Leistungsverluste durch hohe Spannung und niedrigen Strom. Dazu verwenden sie einen Hochspannungstransformator beim Kraftwerk und einen Abwärtstransformator bei jedem Kunden vor Ort. Dies reduziert Leistungsverluste durch die I²R-Wärmeerzeugung in den Stromkabeln.

Die gleiche Lösung kann in der Audiokommunikation in Form eines Constant-Voltage-Systems (typischerweise 70 Volt) angewendet werden. Ein solches System wird häufig verwendet, wenn ein einzelner Leistungsverstärker viele Lautsprecher über lange Kabelstrecken (über 15 Meter) ansteuert. Beispiele hierfür sind verteilte Lautsprechersysteme für Beschallungsanlagen, Pagingsysteme oder niedrige Hintergrundmusik-Pegel.

Was ist Constant Voltage? Die Bezeichnung „Constant Voltage" ist verwirrend, da die Spannung bei einem Audiosignal nicht wirklich konstant ist. Ein besserer Begriff wäre „Hochspannung".

Abbildung 1 zeigt ein typisches Hochspannungssystem. Ein Transformator am Ausgang des Leistungsverstärkers erhöht die Spannung auf etwa 70 Volt bei Volllast. Jeder Lautsprecher hat einen Abwärtstransformator, der die 70-V-Leitung an die Impedanz des Lautsprechers anpasst. Die Primärwicklungen aller Lautsprechertransformatoren sind parallel zur sekundären Wicklung des Transformators beim Leistungsverstärker geschaltet.

 

Abbildung 1. Ein Constant-Voltage-(Hochspannungs-)Audiosystem.

Die Signalleitung zu den Lautsprechern ist hochspannig, niederstromig und normalerweise hochohmig. Typische Leitungswerte für einen 100-Watt-Verstärker sind 70 V, 1,41 Ampere und 50 Ohm.

Wie kam die 70-V-Leitung zu ihrem Namen? Die Absicht war, 100 V Spitzenspannung auf der Leitung zu haben, was 70,7 V Effektivwert entspricht. Der technisch korrekte Wert ist 70,7 V Effektivwert, aber „70 V" ist die gebräuchliche Bezeichnung. Bei maximaler Verstärkerlast liegt Sinusellensignal eine Spannung von 70 Volt auf der Leitung an. Die tatsächliche Spannung hängt von der Nennleistung des Leistungsverstärkers und dem Übersetzungsverhältnis des Transformators ab. Die Audiosignalspannung in einem 70-V-System erreicht möglicherweise nicht einmal 70 V. Umgekehrt können Spitzenwerte des Audiosignals 70 V übersteigen.

Verschiedene Spannungen wie 25, 35, 50, 70, 100, 140 und 200 Volt wurden ausprobiert, aber das 70-V-System ist am weitesten verbreitet. Obwohl selten, wurde das 200-V-System für Kabelstrecken über einer Meile eingesetzt.

Vorteile des Hochspannungsbetriebs

Wie bereits erwähnt, reduziert eine Hochspannungsleitung Leistungsverluste durch Kabelerwärmung. Das liegt daran, dass das Lautsprecherkabel das Audiosignal als niedrigen Strom transportiert. Dadurch können Sie dünnere Lautsprecherkabel verwenden oder sehr lange Kabelstrecken ohne übermäßige Leistungsverluste verlegen.

Ein weiterer Vorteil des Hochspannungsbetriebs ist die einfachere Bereitstellung einer zum Verstärker passenden Last. Angenommen, Sie verbinden Dutzende von Lautsprechern mit einem einzelnen 8-Ohm-Verstärkerausgang. Es kann schwierig sein, die Lautsprecher in einer Reihen-Parallel-Kombination mit einer Gesamtimpedanz von 8 Ohm zu verdrahten. Auch ist es schlechte Praxis, Lautsprecher in Reihe zu schalten, da bei Ausfall eines Lautsprechers alle in Reihe geschalteten Lautsprecher ausfallen. Dies ändert die vom Leistungsverstärker gesehene Lastimpedanz.

Mit einem Hochspannungssystem können Sie Hunderte von Lautsprechern parallel an einem einzelnen Verstärkerausgang anschließen, sofern Sie eine passende Last bereitstellen. Zusätzlich ist ein verteiltes Hochspannungssystem relativ einfach zu planen und ermöglicht Flexibilität bei Leistungseinstellungen durch mehrere Anzapfungen an den Lautsprechertransformatoren.

Ein externer Hochspannungstransformator ist nicht die einzige Möglichkeit, Hochspannung vom Verstärker zu erhalten. Einige Verstärker haben eingebaute Hochspannungstransformatoren, während andere einen Hochspannungsausgang ohne Transformator (direkt) bieten.

Überwindung der Mängel von Hochspannungstransformatoren

Ein Nachteil von Transformatoren ist der zusätzliche Kostenfaktor. Besonders wenn Sie große Transformatoren für erweiterte Tieffrequenzantwort einsetzen, können die Kosten pro Transformator 70 bis 200 US-Dollar betragen. Ein weiterer Nachteil ist, dass Transformatoren die Frequenzantwort verschlechtern und Verzerrungen hinzufügen – sowohl an der Verstärkerseite als auch an der Lautsprecherseite.

Die Hälfte dieses Problems wurde 1967 gelöst, als Crown International den DC-300 vorstellte. Er war höchstwahrscheinlich der erste hochleistungs- und verzerrungsarme Solid-State-Leistungsverstärker, der eine 70-V-Leitung direkt ohne Hochspannungstransformator ansteuern konnte. Und im Juni 1987 wurde der Macro-Tech 2400 mit der Möglichkeit vorgestellt, eine 100-V-Leitung direkt anzusteuern. Com-Tech und CTs Verstärker haben ebenfalls diese Fähigkeit. Heute benötigen daher nur noch die Lautsprecher Transformatoren zum Absenken der Spannung.

Der Vorteil des direkten Hochspannungsbetriebs

Wie bereits erwähnt, gibt es drei Leistungsverstärker-Optionen, die einen Hochspannungsausgang bieten. Der Verstärker könnte über

• einen externen Hochspannungstransformator verfügen
• einen eingebauten Hochspannungstransformator verfügen
• einen transformatorlosen Hochspannungsausgang verfügen

Viele Hochleistungsverstärker können 70-V-Leitungen direkt ansteuern, ohne einen Ausgangsübertrager zu benötigen, einfach weil sie eine hohe Ausgangsspannung liefern. Ein Crown DC-300 bietet beispielsweise 35 Volt pro Kanal bei Last oder 70 Volt im Bridge-Mono-Modus. Ein 1000-Watt-Verstärker, der eine Gesamtlast von 4 Ohm ansteuert, liefert 63 Volt.

Der direkte Hochspannungsansatz eliminiert die Nachteile von Transformatoren:

• Kosten
• Gewicht
• begrenzte Bandbreite
• Verzerrung
• Kernsättigung bei niedrigen Frequenzen

Schauen wir uns das Problem der Kernsättigung genauer an. Soundsysteme können unerwünschte Niederfrequenzen erzeugen, etwa durch ein fallen gelassenes Mikrofon oder ein aus dem Stecker gezogenes Phantomspeisung-Mikrofon. Niederfrequenzen bei hoher Leistung neigen dazu, den Kern eines Transformators zu sättigen. Je weniger Eisen der Transformator enthält, desto wahrscheinlicher ist die Sättigung.

Sättigung reduziert die Impedanz des Transformators, was wiederum dazu führen kann, dass der Verstärker in die Stromregelung geht. Wenn dies auftritt, werden negative Spannungsspitzen im Transformator erzeugt, die zum Verstärker zurück fließen – ein Phänomen namens Flyback. Die Spitzen verursachen einen rauen, verzerrten Klang. Darüber hinaus könnte die extrem niederohmige Last zum Ausfall des Leistungsverstärkers führen.

Crown-Verstärker sind mit hoher Stromfähigkeit ausgelegt, um diesen Niederfrequenzbelastungen standzuhalten. Produktionsverstärker untergehen einem „Torture Test". Jeder Verstärker muss ein 15-Hz-Signal bei voller Leistung in einen gesättigten DCA Power-Transformator 1 Sekunde lang ohne einen Defekt liefern!

Viele Transformatoren sind reaktiv, daher variiert ihre Impedanz mit der Frequenz. Einige 8-Ohm-Transformatoren messen bei niedrigen Frequenzen so niedrig wie 1 Ohm. Das ist ein weiterer Grund, einen Verstärker mit hoher Stromfähigkeit auszuwählen.

Aktuelle Modelle mit direkter Constant-Voltage-Fähigkeit

Die Crown Com-Tech Serie war die erste, die unabhängige Auswahl zwischen Hochohmiger und Niederohmiger Betriebsart für einen spezifischen Kanal bot, und CDi und CTs Serie Verstärker setzen diese Tradition fort, wobei Leistungsstufen und Funktionen sorgfältig für die Integration in Fixed-Install-Designs ausgewählt wurden.

Die Crown CDi Serie bietet 70 V (Dual Mode) und 140 V (Bridge Mode) sowie Niederohmiger-Betrieb (2/4/8 Ohm). CTs Serie Verstärker bieten direkten Constant-Voltage-Betrieb (70 V/100 V/140 V/200 V) oder Niederohmiger-Betrieb (2/4/8 Ohm). Im Dual Mode können die CTs 600/1200 25/50/70-V-Leitungen versorgen; die CTs 2000/3000 können 25/50/70/100-V-Leitungen versorgen. Im Bridge-Mono-Modus können die CTs 600/1200 140-V-Leitungen versorgen; die CTs 2000/3000 können 140-V- und 200-V-Leitungen versorgen.

Mit CDi Serie und CTs Serie Verstärkern kann ein Kanal niederohmige Lautsprecher ansteuern, während ein anderer Kanal Lautsprecher mit 70-V-Transformatoren ansteuert. Dies erleichtert die Einrichtung eines Systems mit großen, niederohmigen Lautsprechern für lokale Abdeckung und verteilten 70-V-Lautsprechern für entfernte Räume – alles mit einem einzelnen Verstärker.

Zubehör

Wenn Sie einen konventionellen Verstärker nur mit Niederohmigen Ausgängen haben und 70-V- oder 100-V-Betrieb wünschen, hat Crown das nötige Zubehör. Der TP-170V ist ein Panel mit vier eingebauten Autotransformatoren, die vier niederohmige Ausgänge in hochohmige umwandeln. Der T-170V ist ein einzelner Autotransformator für den gleichen Zweck.

Für zusätzliche Unterstützung beim Design von Constant-Voltage-Systemen besuchen Sie bitte Crown's Design Tools. Dort finden Sie einen Rechner, der Ihnen dabei hilft, entweder das in diesem Artikel Gelernte zu testen oder Ihr nächstes Constant-Voltage-System einzurichten.

Angesichts der vielen Vorteile des direkten Constant-Voltage-Betriebs empfehlen wir Ihnen, Crown-Leistungsverstärker in Ihrer nächsten verteilten Lautsprecherinstallation zu verwenden.