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

Energieversorgungsunternehmen hatten eine gute Idee, die auch in der Audiotechnik Anwendung gefunden hat. Wenn sie Strom über kilometerlange Leitungen übertragen, minimieren sie die ohmschen Verluste, indem sie mit hoher Spannung und niedrigem Strom arbeiten. Dazu verwenden sie einen Aufwärtstransformator im Kraftwerk und einen Abwärtstransformator beim jeweiligen Kunden. Dadurch sinken die Leistungsverluste durch die I²R-Erwärmung der Stromleitungen.

Die gleiche Lösung kann in der Beschallungstechnik 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, Durchsagesysteme oder Hintergrundmusik mit niedrigem Schalldruckpegel.

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

Abbildung 1 zeigt ein typisches Hochvoltsystem. 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 an die Sekundärwicklung des Transformators am Leistungsverstärker geschaltet.

 

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

Die Signalleitung zu den Lautsprechern führt hohe Spannung bei niedrigem Strom und ist in der Regel 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? Ursprünglich sollten auf der Leitung 100 V Spitzenspannung anliegen, was 70,7 V Effektivwert entspricht. Der technisch korrekte Wert ist 70,7 V Effektivwert, aber „70 V“ ist die gebräuchliche Bezeichnung. Bei maximaler Ausgangsleistung des Verstärkers und einem Sinussignal liegen 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. Das 200-V-System wurde, wenn auch selten, für Kabelstrecken von mehr als einer Meile eingesetzt.

Vorteile des Hochvoltbetriebs

Wie bereits erwähnt, reduziert eine Hochvoltleitung Leistungsverluste durch Kabelerwärmung. Das liegt daran, dass das Lautsprecherkabel das Audiosignal mit geringem Strom überträgt. Dadurch können Sie dünnere Lautsprecherkabel verwenden oder sehr lange Kabelstrecken ohne übermäßige Leistungsverluste verlegen.

Ein weiterer Vorteil des Hochvoltbetriebs 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. Außerdem ist es keine gute Praxis, Lautsprecher in Reihe zu schalten, da bei Ausfall eines Lautsprechers alle in Reihe geschalteten Lautsprecher ausfallen. Dadurch ändert sich die Lastimpedanz, die der Leistungsverstärker sieht.

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

Ein externer Aufwärtstransformator ist nicht die einzige Möglichkeit, eine hohe Ausgangsspannung vom Verstärker zu erhalten. Einige Verstärker haben eingebaute Aufwärtstransformatoren, während andere einen Hochvoltausgang ohne Transformator (direkt) bieten.

Überwindung der Mängel von Aufwärtstransformatoren

Ein Nachteil von Transformatoren ist der zusätzliche Kostenfaktor. Besonders wenn Sie große Transformatoren für einen erweiterten Tieftonfrequenzgang einsetzen, können die Kosten pro Transformator 70 bis 200 US-Dollar betragen. Ein weiterer Nachteil ist, dass Transformatoren den Frequenzgang beeinträchtigen und Verzerrungen verursachen – sowohl auf der Verstärker- als auch auf der Lautsprecherseite.

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

Der Vorteil des direkten Hochvoltbetriebs

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

• einen externen Aufwärtstransformator verfügen
• einen eingebauten Aufwärtstransformator verfügen
• einen transformatorlosen Hochvoltausgang 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 unter Last oder 70 Volt im Bridge-Mono-Modus. Ein 1000-Watt-Verstärker, der eine Gesamtlast von 4 Ohm ansteuert, liefert 63 Volt.

Der direkte Hochvoltansatz eliminiert die Nachteile von Transformatoren:

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

Schauen wir uns das Problem der Kernsättigung genauer an. Beschallungsanlagen können unerwünschte Niederfrequenzen erzeugen, etwa durch ein fallen gelassenes Mikrofon oder ein phantomgespeistes Mikrofon, das aus dem Steckverbinder gezogen wird. 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 Strombegrenzung geht. Wenn dies auftritt, werden negative Spannungsspitzen im Transformator erzeugt, die zum Verstärker zurückfließen – 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. Jeder Serienverstärker wird einem „Härtetest“ unterzogen: Er muss 1 Sekunde lang ein 15-Hz-Signal mit voller Leistung in einen gesättigten DCA-Power-Transformator liefern, ohne sich dabei einen Bruch zu heben!

Viele Transformatoren stellen eine reaktive Last dar, daher variiert ihre Impedanz mit der Frequenz. Einige 8-Ohm-Transformatoren weisen bei niedrigen Frequenzen nur noch 1 Ohm auf. Das ist ein weiterer Grund, einen Verstärker mit hoher Stromfähigkeit auszuwählen.

Aktuelle Modelle mit direkter Constant-Voltage-Fähigkeit

Die Crown Com-Tech-Serie bot als erste für jeden einzelnen Kanal die unabhängige Wahl zwischen hochohmigem und niederohmigem Betrieb, und die Verstärker der CDi- und CTs-Serie setzen diese Tradition fort – mit Leistungsklassen und Funktionen, die sorgfältig auf die Integration in Festinstallationen abgestimmt sind.

Die Crown CDi-Serie bietet 70 V (Dual Mode) und 140 V (Bridge Mode) sowie niederohmigen Betrieb (2/4/8 Ohm). Die Verstärker der CTs-Serie bieten direkten Constant-Voltage-Betrieb (70 V/100 V/140 V/200 V) oder niederohmigen 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.

Bei Verstärkern der CDi- und CTs-Serie 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 die Beschallung des Nahbereichs und verteilten 70-V-Lautsprechern für entfernte Räume – alles mit einem einzelnen Verstärker.

Zubehör

Wenn Sie einen herkömmlichen Verstärker mit ausschließlich 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 nutzen Sie bitte die Design-Tools von Crown. Dort finden Sie einen Rechner, der Ihnen dabei hilft, entweder das in diesem Artikel Gelernte zu überprüfen oder Ihr nächstes Constant-Voltage-System zu planen.

Angesichts der vielen Vorteile des direkten Constant-Voltage-Betriebs empfehlen wir Ihnen, für Ihre nächste Installation mit verteilten Lautsprechern Crown-Leistungsverstärker vorzusehen.