Impedanzen oder wo überall angepasst werden muss
Wenn man mal gesehen hat, wo überall und wie sich durch "Fehlanpassung", u.a. von Ausgangs- zu Eingangsimpedanzen, Frequenzgänge "verbiegen" können, dem kommen vielleicht auch solche Fragen in den Sinn, ob das bereits mit eine (große?) Ursache für "schlechten" Klang sein könnte.
Am Beispiel des Herstellers Pro-Ject, werden z.B. bei der "Phono Box E" (RIAA Vorverstärker) zwar noch die Eingangsimpedanz angegeben (z.B. 47kOhm für MM-Systeme) und auch noch eine Verstärkung (z.B. 40dB, 100-fach), aber die Ausgangsimpedanz sucht man vergebens. Auch bei der Pro-Ject "Tube Box S2 MM/MC" Fehlanzeige. Im WWW stößt man dann zwar auf solche Aussagen wie, das es mit der "Phono Box RS", dank der niedrigeren Ausgangsimpedanz, beim Anschluss zu deutlich weniger Problemen kommen wird, aber auf der Herstellerseite dennoch keine Werte. Auch beim Vorverstärker "Pre Box S2 Analogue" gibt es nur eine Eingangsimpedanz (15 kOhm) und beim Endverstärker "Amp Box S3" gibt es nicht einmal mehr die.
Die "Phono Box E" ist nur mit Operationsverstärkern (OPA) aufgebaut, die könnte durchaus niedrige Ausgangsimpedanzen haben. Die "Tube Box S2 MM/MC" hat zwar Röhren, aber Bilder vom Inneren zeigen auch irgendwelche "integrierte" Bausteine. Vielleicht auch so etwas wie Operatiosverstärker? Dann könnte auch die evtl. niedrigere Ausgangsimpedanzen haben. Evtl.!
Ich nehme jetzt schon mal an, das zumindest Geräte vom gleichen Hersteller miteinander "harmonieren", aber das muss herstellerübergreifend nicht mehr zwingend der Fall sein und eben bei "gemischter" Technik (Röhre u. Transistor, alt und neu) dann gar nicht mehr.
Toll!
Ich nehme weiterhin an, das die vom Hersteller angegebenen Frequenzgänge, schon mit recht hohen Lastimpedanzen (min. >=10x höher) ermittelt wurden.
Da ich jemandem vor Kurzem einen Röhrenvorverstärker bauen sollte und derjenige bereits einen RIAA-Vorverstärker (Aikido von Hrn. Otto) im Einsatz hatte, von dem ebenfalls nicht bekannt war, welche Ausgangsimpedanz dieser hatte, musste ich den Verkäufer erst anschreiben um dieses in Erfahrung zu bringen, der sei Dank, mit 700 Ohm recht niedrig lag.
In der (HiFi-) Studiotechnik wird "Spannungsanpassung" betrieben, nicht "Leistungsanpassung".
https://sengpielaudio.com/DasMaerchenVonDerLeistungsanpassung.pdf
https://sengpielaudio.com/GroesseDerImpedanzen.pdf
https://sengpielaudio.com/GeschichteDerSpannungsanpassung.pdf
Der 10-fache Wert, zwischen Ausgangs- zur Eingangsimpedanz der nächsten Stufe/Gerätes (Ausgangsimpedanz 10-fach kleiner als Eingangsimpedanz des Folgegerätes oder eben umgekehrt gesehen) ist fast schon Standard. Größer als 10-fach "meist" besser (aber auch nicht immer, später mehr), kleiner ist möglich, aber u.a. abhängig davon, wie viele Geräte "gekoppelt" werden.
Vor- oder Endverstärker bestehen meist noch aus mehreren Verstärkerstufen, die oft über Hochpässe gekoppelt werden (um Gleichspannungsfreiheit sicher zu stellen), die ebenfalls einen Einfluss auf den (unteren) Frequenzbereich haben. Hochpässe haben durch ihre RC-Kombinationen aber auch Lade- und Entladezeiten (Tau), die nicht höher als 15ms sein sollen, sonst würde der Verstärker nicht mehr ausreichend "schnell" sein. Da ist man sich aber nicht einig, u.a. weil Kondensatoren nach dem erstmaligem Ladevorgang, angeblich nur noch Ladung, und die extrem schnell, verschieben sollen. Ich hab das Thema aber jetzt schon an zwei Stellen gefunden, einmal hier "https://www.frihu.com/roehrentechnik/koppelkondensatoren/" und dann noch bei Otto Diciol, in seinem Buch "Röhren-NF-Verstärker Praktikum". Vielleicht ist doch ein Funke Wahrheit dabei?
Lange Verbindungskabel zwischen den Geräten (da diese ebenfalls kapazitive, induktive und ohmsche Widerstandskomponenten haben) oder s.g. Millerkapazitäten die den Röhren zu eigen sind (die auch noch verstärkungsabhängig sind) oder auch noch kapazitive, induktive und ohmsche Komponenten beim Ausgangsübertrager, können den Frequenzgang weiterhin beeinflussen.
Wer aber glaubt einfach immer hohe Impedanzverhältnisse zwischen 2 Geräten zu wählen, um schon mal dem Problem der Fehlanpassung von vorne herein aus dem Weg zu gehen, muss aber gesagt werden, das höhere Impedanzen aber auch wieder anfälliger für Störsignale sind. Vielleicht kennt jemand noch das Phänomen, das man aus den Lautsprecherboxen plötzlich "Radio Eriwan" hören konnte? Das kann u.a. passieren, wenn hochempfindliche Verstärkerstufen mit hohen Impedanzen, nicht ausreichend geschirmt und dann noch lange Leitungswege, umliegende Radiosignal einfangen.
Um die Ausgangsimpedanz eines Gerätes zu ermitteln, kann man rechnen oder es messen, wie ein HiFi-Bekannter von mir mal in einem seiner Bücher (Dominic Melischko, "Röhrenverstärker einfach und effektiv vermessen") beschrieben hat. Man legt ein Eingangssignal (z.B. 1kHz Sinus) mit einer
gewissen Spannungshöhe (max. Werte beachten, so das auch der Ausgang nicht übersteuert wird) an den Eingang des zu
messenden Gerätes (bei einem RIAA-Vorverstärker wird zusätzlich, am besten noch ein
Inverse-RIAA-Netzwerk vorgeschaltet, dann kann man auch noch mit anderen Frequenzen messen) und misst das Ausgangssignal am
"unbelasteten" Ausgang. Dann wird ein Poti angeschlossen (wenn man schon vermutet, das die Ausgangsimpedanz höher sein könnte, kann man gleich ein 250kOhm Poti oder so nehmen). Das Messgerät steht dabei auf "AC" (Wechselspannung und sollte auch Frequenzen von min. 1kHz messen können). Dann wird der regelbare Widerstand
soweit verringert, bis die vorher gemessene Spannung nur noch die
Hälfte des Wertes beträgt. Dann nimmt man das Poti weg und
misst den Widerstandswert, was dann dem Innenwiderstand bzw. der Ausgangsimpedanz
des Gerätes entspricht, da bei gleichen Werten für Ausgangs- und
Lastimpedanz sich nur noch die Hälfte der Spannung einstellt. Dieser "extrem" Fall wäre dann wieder Leistungsanpassung und keine Spannungsanpassung.
So kann das z.B. aussehen, wenn man einen selbstgebauten Röhren-RIAA-Vorverstärker, mit höherimpedantem Ausgang, mit unterschiedlicher Belastung, an einem Röhrenvorverstärker anschließt (pink=470kOhm, grün=235kOhm, lila=ca.144kOhm). Je höher die Last (geringerer Widerstand), desto mehr "leidet" der Bassbereich. Ab ca. 3kHz bleibt der Frequenzgang dann unberührt davon.
Ohne jetzt die genaue Ausgangsimpedanz des von mir nachgebauten Shure M65 Clones zu kennen, aber die vom Hersteller angegeben 5.000 Ohm, des Originales, stimmen sicher nicht. Würde man eine 10-fach geringere Belastung, also 50.000 Ohm nehmen, würde das sicher noch "schlimmer" aussehen, als es das bereits mit ca. 144kOhm tut. Mit einer Last von zwischen 235 und 470kOhm sieht der Frequenzgang noch in Ordnung aus.
Aber wie gesagt, es ist nicht die einzige Stelle in einer HiFi-Kette, an dem der Frequenzgang "verbogen" werden kann. Gleiches Problem könnte im Prinzip beim Anschluss des Tonabnehmers an den RIAA-Vorverstärker-Eingang und/oder vom Line-Vorverstärker-Ausgang auf den Eingang des Endverstärkers auftreten. Irgendwo muss sich auch noch eine Lautstärkeregelung befinden, die ebenfalls einen Widerstandswert hat, der einer vorhandenen Last auch noch parallel liegt.
Ich hatte vorher auch "Hochpässe" genannt, die oft bei Stufenkopplungen eingesetzt werden, die Gleichspannungsfreiheit herstellen sollen (was u.a. ansonsten den Arbeitspunkt der Folgestufe verschieben würde), die aber dann auch noch tiefe Frequenzen ausreichend niedrig durchlassen sollen. Auch diese "Schaltungen", wenn nicht richtig ausgeführt, können Frequenzgänge verändern.
Es gibt da aber auch noch die s.g. Phasenverschiebungen (z.B. hier https://www.frihu.com/editoral/richtiges-hoeren/). Hab ich zwar noch nicht ganz verstanden, sollte man aber vielleicht mit in die "Checkliste" aufnehmen, wenn es mal nicht klingen sollte.
Und unabhängig davon, kann jedes Bauteil an sich noch den Klang beeinflussen. Was so oder so ähnlich auch in dem vorherigen Link über Phasenverschiebungen erwähnt wird, sprich die "Natürlichkeit" des Klanges durch Verwendung natürlicher Materialien. So verrückt klingt das gar nicht, wenn man sieht was die Hersteller sich alles, alleine beim Thema Kondensator, einfallen lassen und welche Preise man für Papier-, Aluminium-, Kuper- oder Gold-in-Öl-Kondensatoren bezahlen muss. Vielleicht haben ja auch die alten Kohlemasse-Widerstände oder Eingangsübertrager, Breitband- oder Koaxiallautsprecher (die idealerweise ein akustisches Zentrum haben sollen) ihren Sinn?
Wieder zurück zu den Impedanzen.
Deshalb finde ich, müsste schon mal mehr über Impedanzen bekannt sein und die Käufer nicht nur einfach im guten Glauben Geräte konsumieren lassen. Oder es steckt System dahinter, damit die Käufer fleißig konsumieren, bis es denn mal zufällig "kling" (passt)?
Die HiFi-Industrie, wenn sie schon ihre Geräte verkaufen wollen, hätten u.a. bei den Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, eigentlich eine Bringschuld, damit der Interessierte schon mal "überschlagen" kann, ob es für seine Anlagenkonstellation passt. Ist ja nicht so, das jeder immer alles nur von einem Hersteller kauft, damit man diesem Problem aus dem Weg geht (sind ja auch nicht die einzigen Probleme die es geben kann).
Man könnte sich natürlich auch mit Messequipment ausstatten oder sich den Fachmann ins Haus kommen lassen, der dann mit s.g. "Raumprozessoren" ala "Trinnov" und Messmikrofon, den Frequenzgang am Ende, am Lautsprecher im Hörraum, ausmisst und ggf. begradigt, um die Änderung dann wieder in den Vor-/Endverstärker "einfließen" zu lassen.
Dass das mit dem "Trinnov" zwar funktioniert konnte ich live bei einem ehemaligen HiFi-Stammtischkollegen mitbekommen. Trotz aller Versuche hatte er in seinem "schlauchartigen" Hörraum angeblich keinen guten Klang hinbekommen (das ging soweit, das er mit Absorbern, Diffusoren und sogar "Klangschalen" dem Klang auf die Sprünge helfen wollte). Der Trinnov hat zwar augen- und ohrenscheinlich "etwas" korrigieren können (wäre ja traurig, wenn das für damals schon stolze 5.000 Euro, nicht der Fall gewesen wäre 😉) und es klang danach auch deutlich "besser" (umschaltbar, vorher/nachher-Vergleich), aber was man auch sah war, das seine Röhrenverstärker mit ca. 3-5W, die Lautsprecher im leistungshungrigen Bassbereich (die zusätzlich auch noch eine aufwendige Frequenzweiche hatten), nicht mehr ausreichend mit Leistung versorgen konnten.
Das mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz vieles einfacher wird, stimmt im Prinzip, außer man will so wie ich, wieder Eingangsübertrager verwenden, da diese die Eigenschaft haben sekundäre Impedanzen im umgekehrten Quadrat auf die Primärseite zurück zu spiegeln. Soll bedeuten, wenn ich z.B. die Eingangsspannung um 1:2 erhöhen will, dann spiegelt sich der sekundäre Abschlusswiderstand, z.B. 30kOhm (u.a. weil das der vom Hersteller (Lundahl) angegebene, optimale Abschlusswiderstand des von mir verwendeten Übertragers LL-7903 ist) im Verhältnis 4:1 auf die Primärseite zurück, also 30kOhm/4=7,5kOhm, mit dem das daran angeschlossene Gerät dann belastet wird. Wenn wir uns jetzt wieder den Faktor "10" ins Gedächtnis rufen, dann sollte die Ausgangsimpedanz des angeschlossenen Gerätes also min. 750 Ohm können. 5-fach wären immer 3,75kOhm. Der eine RIAA von mir hat nur ca. 1,6kOhm (vielleicht sogar etwas mehr) Ausgangsimpedanz, also nur gut etwas mehr wie das 2-fache wie eigentlich benötigt, weshalb ich mich im Nachhinein auch nicht mehr wundere, weshalb dessen Frequenzgang rückwirkend so verbogen wurde, ein anderer RIAA hingegen (EAR Clone), wurde weniger beeinflusst, weil dieser auch eine nochmals niedrigere Ausgangsimpedanz hatte, aber auch hier war der Einfluss ersichtlich.
In der Studio-Technik wurde lange Zeit (immer noch?) die 600 Ohm-Technik verwendet, u.a. wegen der höheren Störfestigkeit, die u.a. durch zu lange Kabelverbindungen, etc. auftreten können. Die alte Studiotechnik von Maihak/Telefunken, die u.a. früher im Bayerischen Rundfunk eingesetzt wurde (Verstärker wie V73, V81, V69/a), hatten Eingangs- und Ausgangsübertrager (sowohl Vor- als auch Endverstärker) und es funktionierte scheinbar prima, auch wenn mehrerer Geräte parallel oder hintereinander geschallten wurden. Warum aber bei mir nicht?
Nicht das ich unzufrieden wäre, mit dem Klang des kürzlich gebauten aktiven Line-Vorverstärkers, aber ich wollte eigentlich alles so einfach wie möglich, mit so wenig aktiven und klangbeeinflussenden Bauteilen wie möglich aufbauen und da dachte ich mir eben, einen Eingangsübertrager verwenden zu müssen. Ich muss das bei Gelegenheit nochmal angehen.
Durch Einsatz des aktiven Line-Vorverstärkers (470kOhm Eingangsimpedanz), kann ich jetzt zwar auch einen Selbstbau-DAC mit "nur" ca. 2,7 kOhm Ausgangsimpedanz und ca. 0,5V Ueff Ausgangsspannung und einen "aktiv" entzerrten Röhren-RIAA mit vielleicht 40-50 kOhm Impedanz und ca. 40dB Verstärkung problemlos anschliessen und durch die ca. 10-fache Verstärkung des Vorverstärkers, auch noch die Endstufe mit der EL5070, die ca. 3V Ueff am Eingang benötigt, voll (ca. 1,3W) aussteuern bzw. sogar noch etwas übersteuern kann (man erinnere sich, das Trioden-Verstärker mit Ausgangsübertragern 5-10x lauter spielen können. Dann zwar bereits übersteuert sind, aber noch nicht hörbar verzerren). Mit dieser Kombination sind jetzt zumindest keine "groben" Frequenzgangseinbrüche mehr zu erkennen und auch die Endstufe ändert daran nichts mehr. Wie das Ganze dann wieder beim Anschluss eines Tonabnehmers am RIAA und/oder eines Lautsprechers (komplexe Last) an die Endstufe, im Hörraum, am Hörplatz aussieht, ist dann noch eine andere Frage.
Wäre doch schön, wenn man einfach "gedankenlos" seine Geräte zusammenstecken und zufrieden der Musik lauschen könnte?
Ich sehe einen Line- bzw. Vorverstärker mittlerweile als "Schaltzentrale". Diesen richtig "ausgelegt", kann schon einige der Impedanz-Anpassungs-Probleme verhindern.
Es gibt auch immer wieder die Frage, wo am Besten man einen Lautstärkeregler positioniert, vor oder nach einem Vorverstärker. Das hängt mit vom Vorverstärker ab. Ich hab den Lautstärkeregler mittlerweile am Ausgang positioniert, u.a. weil mein 6N6P-Vorverstärker mit vielleicht 3-5kOhm Ausgangsimpedanz, mit 50- oder 100kOhm-Potis kein Problem hat (Faktor 10 auch hier beachten und auch noch den Gitterableitwiderstand im Endverstärker mit einberechnen). Des Weiteren hab ich den Arbeitspunkt der Röhre vom Vorverstärker so gelegt, das ich auch mit >2Veff in den Eingang gehen kann (z.B. direkt einen CD-Player anschließen), ohne das er übersteuert/verzerrt. Man kann das Poti aber auch an den Eingang legen, muss aber dann wieder darauf achten, welche Ausgangsimpedanzen die angeschlossenen Geräte haben und ggf. den Wert des Potis "stark" erhöhen (250, 500 oder gar 1000kOhm). Dann aber wieder auf die "Störfestigkeit" achten.
Eine weitere Überlegung könnte sein, ob Signale mit kleinerer Amplitude nicht "störanfälliger" sind und man sie deshalb erstmal so wenig wie möglich versucht zu beeinflussen (es reichen schon Bauteile und Kabel). Je höher dann die Pegel und je "niederimpedanter" diese dann werden, desto weniger werden sie (vielleicht) beeinflusst. So meine Theorie!
Dennoch sollte man nicht außer Acht lassen, selbst wenn man den Lautstärkeregler, jetzt am Ausgang des Vorverstärkers, hat sagen wir mal "nur" 50 kOhm, und es den (Röhren-) Endverstärker normalerweise nicht stört, selbst mit einer noch geringeren Last (niederimpedanter) belastet zu werden (weniger geht, mehr könnte problematisch werden), aber es gibt da meist noch, schon aus Sicherheitsgründen, für den Fall das Poti wäre nicht am Endverstärker angeschlossen oder der Schleifer hätte keinen Kontakt mehr zur Widerstandsbahn des Potis, immer noch einen Gitterableitwiderstand, am Eingang des Verstärker.
In meinem Beispiel, mit der (alleinigen) Röhre EL5070 im Endverstärker, darf der Gitterableitwiderstand, lt. Datenblatt, nur max. 125kOhm haben (man sollte aber dennoch darunter bleiben, z.B. 100 kOhm, ansonsten könnte es zu "seltsamen" Phänomenen kommen, wie sporadisches "Knacksen, etc.). Was gibt ein Poti von 50 kOhm, parallel 100 kOhm Gitterableitwiderstand, im "ungünstigsten" Fall (voll aufgedrehte Lautstärke), genau, 33,33kOhm, die dann auch der Ausgang des Vorverstärkers wieder sieht. Und dann sind wir mit dem Faktor 10, bei 3-5kOhm Ausgangsimpedanz, mit 3kOhm gerade noch dran bzw. dann bei 5kOhm, mit nur noch knapp 7-fach dann schon darunter, was den Frequenzgang wieder beeinflussen könnte.
Das mit der Röhre EL5070 ist aber nicht die Regel, sondern scheint bei hochverstärkenden Röhren, wie auch die 6C45 eine ist, der Fall zu sein. Normalerweise ist ein Verstärker min. 2-stufig aufgebaut, wo die Eingangsröhre meist höhere Gitterableitwiderstände zulässt. 2 Stufen bedeutet aber wieder mehr "aktive" und "passive" Bauteile im Signalweg.
Also alles nicht so einfach, wenn man es doppelt nimmt 😉!
Hier mal meine Kette, vom Tonabnehmer, über den RIAA- (das Entzerrer-Netzwerk ist hier nicht eingezeichnet), Line-VorVerstärker, Lautstärkeregler und Endverstärker. Markiert sind die Impedanz-Anpassungspunkte und Hochpässe.
"Sieben" (ohne die Lautsprecheranpassung, über den Ausgangsübertrager, an die Röhre) und dann hat mein Vor- und Endverstärker schon jeweils nur ein aktiv verstärkendes System im Signalweg, was mir min. schon mal 2 Hochpässe erspart (es gäbe da aber auch direkt gekoppelte Schaltungen).
Vielleicht versteht man jetzt besser, wenn ich die "Philosophie" verfolge, so wenig wie möglich Bauteile, aktiv wie passiv, in meiner HiFi-Kette einsetzen zu wollen. Ob ich damit richtig liege, wird sich zeigen.
Das Ganze setzt sich bis zum Lautsprecher fort, d.b. ein hocheffektiver Breitbandlautsprecher oder ein Koaxialer (der das Prinzip der Punktschallquelle verfolgt) oder gerade noch ein 2-Wege-Lautsprecher mit einer 6dB-Weiche (nur ein Kondensator für den Hochtöner) für "mich" noch akzeptabel. Alles was darüber hinaus geht müsste genauer betrachtet werden.
Zum Thema Messen und Impedanzen
Wer seine Frequenzgänge überprüfen möchte kommt um Messwerte nicht herum. Entweder klassisch, mit Frequenzgenerator, Multimeter und Oszilloskop, etc. oder heutzutage auch mit Soundkarte und Messprogrammen die am Computer ablaufen.
Hab mir nochmal Gedanken gemacht wegen dem Koppelkondensator und den angeblichen 20ms (tau), die sowohl "Diciol" als auch "Frihu" propagandieren. Lt. hier "https://www.analog-forum.de/wbboard/index.php?thread/175992-die-gr%C3%B6%C3%9Fe-des-koppelkondensators-und-die-phasenlage/" ist eher die Phase das Problem, als die Lade-/Entladezeit, die zur angeblichen Schnelligkeit eines Verstärkers beitragen soll.
......... Um so etwas zu messen, wird üblicherweise ein Chirp-Signal verwendet. Das ist ein Signal, dessen Frequenz sich zeitlich ändert. Wie sieht ein Chirp-Signal (20 Hz zu 100 Hz) nach einem 20 ms Hochpass aus?
Die rote Kurve ist das Eingangssignal, die schwarze Kurve das Ausgangssignal. Man sieht deutlich, dass sich im Ausgangssignal nicht nur die Amplitude, sondern auch die Frequenz geändert hat.
Das gleiche nun, wenn die 3 dB Grenzfrequenz des Hochpasses von 8 Hz auf 0,8 Hz gelegt wird und damit eine Phase von 2° bei 20 Hz liegt:
Schon viel besser, aber es sind immer noch Differenzen zu sehen. Also noch mal die Grenzfrequenz des Tiefpasses erniedrigen, jetzt auf 0,16 Hz:
Im Forum wurde dafür ein Hochpass mit den Werten 1µf und 1MOhm ermittelt. Der Kondensator muss im Einschaltmoment aber erst einmalig geladen werden, was einige Sekunden dauern kann. Aber auch das Netzteil muss dann "stabil" sein, wenn mit solch niedrigen Grenzfrequenzen "hantiert" wird.
Das Netzteil meines aktuellen Versuchsaufbaus mit ECC83/ECC99 bzw. 6N2P/6N6P hat bei der Drosselsiebung "nur" 3,6Hz Resonanzfrequenz, in der weiteren Siebstufe (RC) , dann zumindest schon 1,7Hz, bevor es auf die Übertrager geht und für die Treiberstufe nochmal 1,6Hz.
Ich frag mich auch wie das die Entwickler ganz früher gemacht haben, als große Kapazitäten noch nicht verfügbar waren.
