Audioelektronik Grundwissen

so ne datenbank wäre doch nicht schlecht.. mit sowas würden sich vielleicht schon viele Fragen die das Forum "stopfen" entfallen weil vielleicht schon viel in dieser Datenbank beantwortet wird

Wäre sehr dafür da ich grad anfange mich mit diesem Thema intensiv zu beschäftigen.
Aber Berechnungen wären nicht verkehrt

die Grundlagen für das Verständnis von Audio-Schaltungen in prägnanter Form darlegen, ohne dabei zu sehr in die Mathematik abdriften zu müssen...

Naja... die Mathematik ist schon ein wichtig Hilfsmittel, wenn es darum geht, eigenes zu entwickeln. Fürs Verständnis wird es wohl reichen.

Kapitel Grundlagen der Elektrostatik/Elektrodynamik [...] dann die Basisbauteile, wie Widerstände, Spulen, Transformatoren, Kondensatoren, Dioden, Transistoren/Röhren und OpAmps in Aufbaukapiteln besprochen werden

Unter Elektrostatik verstehe ich Satz von Gauss/Stokes, Gesetz von Biot Savart in Zusammenhang mit nicht veränderlichen Feldern. Dazu kommen datürlich die Maxwellgleichungen im (quasi-) statischen Fall. Das ist für den Anfänger schon der Oberhammer! Und ohne ausreichende mathemtische Grundkentnisse ist da nix zu holen.
Aber die Eletrodynamik setzt da noch eins oben drauf. Da wird Maxwell in allen zeitlichen Variationen angewand, hochfrequente Aspekte in Leitern, Streuparameter, Wellengleichungen (TEM-Welle & Co) gehören für mich dazu. Das is mal extraharte Kost.

Da sollte man doch eher mit dem Ohm'schen Gesetz und den Widerständen anfangen, vielleicht noch hergeleitet aus der Kontinuitätsgleichung.
Um Kondensatoren und Trafos halbwegs ordentlichbeschreiben zu können, muss man sich im Allgemeinen der komplexen Wechselstromrechung bedienen. Vielleicht kommt man ohne aus, falls es ums reine Verständnis geht.
Für den OP-Amp gilt das selbe, solange nur Widerstände in der Beschaltung zum Einsatz kommen. Vielleicht wäre es hier mit paar einfachen Gleichungen zum invertierenden, nicht-invertierenden Verstärker, Tief-/Hochpass 1.Ordnung getan.

Ziel ist das mehr od. weniger detaillierte Verständnis von gängigen Grundschaltungen der Audioelektronik.

Ok, dann muss aber Differenzverstärker, Konstantstromquelle etc. auch noch rein. Leistungsanpassung wäre auch ein hilfreiches Thema.

Prinzipiell ist die Idee aber gut, also schieß los!

Gruß Stampede

Stampede schrieb:

Prinzipiell ist die Idee gut, also schieß los!

.. lerne gerne dazu - bin dabei!

Detlef

Stampede schrieb:

Naja... die Mathematik ist schon ein wichtig Hilfsmittel, wenn es darum geht, eigenes zu entwickeln. Fürs Verständnis wird es wohl reichen. Unter Elektrostatik verstehe ich... Das ist für den Anfänger schon der Oberhammer! Und ohne ausreichende mathemtische Grundkentnisse ist da nix zu holen. Aber die Eletrodynamik setzt da noch eins oben drauf... Da sollte man doch eher mit dem Ohm'schen Gesetz und den Widerständen anfangen, vielleicht noch hergeleitet aus der Kontinuitätsgleichung. Um Kondensatoren und Trafos halbwegs ordentlichbeschreiben zu können, muss man sich im Allgemeinen der komplexen Wechselstromrechung bedienen. Vielleicht kommt man ohne aus, falls es ums reine Verständnis geht...

Hi,

zunächst soll es wirklich nur um's Grundverständnis gehen, wobei die Elektrostatik nur gestreift werden soll. Im Prinzip reicht es ja aus, wenn man weiß, dass sich elektrische Leiter von Nichtleitern (Isolatoren) insofern unterscheiden, als bei Metallen (Leiter) die aüßersten Elektronen (Valenzelektronen) keine paarweisen Bindungen eingehen, sondern quasi freiliegen (Metallbindung), und durch Anlegen eines Potentials verschoben werden können, wohingegen die Valenz-Elektronen von Nichtleitern zwar nicht verschoben aber dezimiert od. vermehrt werden können, was zu einer pos. bzw neg. Ladung führt. An dieser Stelle könnte man gleich besprechen, was ein Halbleiter ist und was Dotierung ist...

Und damit habe ich bereits mit dem Kapitel Elektrostatik begonnen...

Man darf natürlich nicht vergessen, dass für ein wirklich umfassendes Verständnis tiefergehende Kenntnisse von Mathematik, Physik und Chemie nötig wären, wobei dann immer noch genügend Fragen offen bleiben, wie die Frage, wieso sich ungleichnamige Ladungen, Magnete od. Materie überhaupt anziehen, wieso Kernteilchen einen Spin aufweisen usw. und so fort...

Da das feed back prinzipiell gut ausgefallen ist, werde ich mich also an die Arbeit machen, wobei natürlich Ohm'sches Ges. und Kirchhoff'sche Regeln die Basis bilden...
detegg schrieb:

.. lerne gerne dazu - bin dabei!

...hoffentlich in erster Linie als Lehrender!


mazdaro

Elektrische Ladung entsteht durch einen Überschuss bzw. einen Mangel an Elektronen. Elektronen sind annähernd masselose Atomteilchen, die im Gegensatz zum Kern eine neg. Ladung aufweisen. Normalerweise heben sich die Ladungen von Kern (pos. Ladung durch Protonen) und den diesen umkreisenden Elektronen auf, da sie in der gleichen Anzahl vorliegen: man spricht von einem neutralen od. ungeladenen Atom.

Je nachdem, ob ein chemisches Element dazu neigt, Elektronen abzugeben od. aufzunehmen (Elektronegativität des Elements) bilden sich bevorzugt Kationen (pos. geladene Telichen) od. Anionen (neg. geladene Teilchen). Aus solchen zwei entgegengesetzt geladenen Atomen (im einfachsten Fall) sind Salze aufgebaut, die sich daher in einem polaren Lösungsmittel wie Wasser, dessen Atome Wasserstoff und Sauerstoff (hoher Elektronegativitätsunterschied, daher polar) nicht ionisch (dafür ist der EN-Untersch. wieder zu gering), sondern kovalent (gemeinsames Elektronenpaar) gebunden sind, gut lösen.
Ionen spielen in der Elektronik lediglich bei Volta-Elementen (Batterien) und Elektolyt-Kondensatoren (ein Elektrolyt ist in der Regel nichts anderes als ein in Wasser gelöstes Salz, und leitet im Gegensatz zu reinem Wasser Strom sehr gut) eine Rolle.

So wie die Stromleitung in einem Elektrolyten durch Aufnahme und Abgabe von Elektronen durch die entsprechenden Ionen geschieht, sind es auch in elektrischen Leitern wie auch im Vakuum (Röhre) ausschließlich Elektronen, die den Stromfluss bewirken: daher findet der tatsächliche Stromfluss immer vom negativem Pol (Elektronenüberschuss) zum weniger negativem bzw. positivem Pol statt (tatsächliche Stromrichtung), auch wenn aus historischen Gründen in der Elektrotechnik der Stromfluss von Plus nach Minus (Technische Stromrichtung) beibehalten wurde.
Bei Vorliegen eines Elektronenüberschusses auf einer Seite spricht man von Potential bzw. Potentialdifferenz od. Spannung. Werden nun die beiden Pole einer Stromquelle leitend verbunden, fließt ein Strom, dessen Höhe einerseits von der Spannung abhängt, und andererseits vom Widerstand der Verbindung. Ist der Widerstand vernachlässigbar gering, spricht man von einem Kurzschluss, und der Strom, der hierbei fließt, erreicht das von der Potentialdifferenz (Spannung) vorgegebene Maximum.
Dieser Vorgang wird durch das Ohm’sche Gesetz beschrieben, das besagt, dass der Stromfluss (Stromstärke (I)) immer dann hoch ist, wenn auch die Spannung (U) hoch, und der Widerstand (R) gering ist. Man sagt I ist direkt proportional zu U und verkehrt proportional zu R. In einer Formel ausgedrückt, liest sich das folgendermaßen: U = I.R bzw. I = U/R (Ein Proportionalitätsfaktor od. eine Konstante, wie das bei vielen Physikalischen Formeln üblich ist, ist in diesem Fall nicht notwendig).

Hiermit kommen wir bereits zu den elektronischen Bauteilen "Widerstände", für deren Berechnung R = U/I gilt. Ein Widerstand heißt deshalb so, weil er dem Elektronenfluss einen gewissen Widerstand entgegensetzt. So wie die Einheit für die Spannung das Volt (V), und für die Stromstärke das Ampere (A) ist, ist die Einheit für den Widerstand das Ohm Ω. Lt. Ohm’schem Gesetz würde bei der Spannung von 1V und dem Widerstand von 1 Ω ein Strom von 1 A fließen. Die Stromstärke ist definiert mit Ladung (Q) pro Zeit (t): I = Q/ t . Wenn nun eine Stromquelle beispielsweise eine Spannung von 1,5 V (Volta-Element) aufweist, und die beiden Pole über einen Widerstand verbunden werden, fallen die gesamten 1,5 V über diesen Widerstand ab. Befinden sich nun mehrere Widerstände in Serie, teilt sich der Spannungsabfall gemäß den Werten der Widerstände auf, die Stromstärke aber ist konstant. Anders ist der Fall bei Parallelschaltung von Widerständen gelagert: Hier ist der Spannungsabfall an allen Widerständen gleich groß (konstant), aber die einzelnen Stromstärken sind unterschiedlich hoch.
Zusammenfassung des Stromflusses durch mehrere Widerstände (Verbraucher):
Erstes Kirchhoff’sches Gesetz: Bei der Stromverzweigung ist der Gesamtstrom I im unverzweigten Teil gleich der Summe der Zweigströme I1, I2, I3… I = I1+I2+I3
Zweites Kirchhoff’sches Gesetz: Bei einer Stromverzweigung (Parallelschaltung) verhalten sich die Zweigströme umgekehrt wie die Verzweigungswiderstände. Durch den größeren Widerstand fließt der schwächere Strom. An allen Widerständen liegt die gleiche Spannung.

Für die Berechnung von Widerständen in Serien- und Parallelschaltung gilt:
R ges.= R1+R2+R3… 1/R ges.= 1/R1+1/R2+1/R3…

Hi,

wollte jetzt noch 'ne Grafik (MS Paint) hier reinstellen, klappt aber nicht...

Aber nun: Hehe!

Für eine nähere Beschreibung von Widerständen, insbesondere der Farbcodes verweise ich auf Wikipedia:
http://de.wikipedia.org/wiki/Widerstand_(Bauelement)

Die Bedeutung von Widerständen in der Audioelektronik liegt vor allem in der Funktion als Vorschaltwiderstand zur Spannungsreduzierung (z. B. zur exakten Einstellung von Transistor-Arbeitspunkten, Gegenkopplung od. Pegelanpassung von Hochtönern an die übrigen Chassis), als Spannungsteiler (siehe hierzu auch Potentiometer) sowie in aktiven Frequenzweichen als RC-Glied.

Ein Potentiometer ist ein stufenlos einstellbarer Widerstand mit drei Anschlüssen, von denen zwei fest mit den Enden einer bestimmten Widerstandsstrecke aus Kohlenstoff oder Leitplastik verbunden sind, und der dritte durch Längs- od. Drehbewegung über einen Schleifer entlang dieser Strecke verschoben werden kann. Prinzipiell gibt es zwei Anschlußweisen:
1.) Zweipolig: Einer der (beim Drehpotentiometer) beiden außen liegenden Anschlüsse wird mit einem Pol der Stromquelle verbunden, und der mittlere (variierbare) Anschluß mit dem Verbraucher, was aber eher selten vorkommt.

2.) Dreipolig: Die beiden äußeren Anschlüsse werden mit den beiden Polen der Stromqelle (z.B Ausgang eines CD-Players) verbunden, und der dritte Anschluß mit dem Heißleiter ("+") der Endstufe. Der Stromkreis wird dann über Masse ("-") geschlossen. Diese Anschlußart stellt einen variablen Spannungsteiler dar und zeigt einen logarithmischen Verlauf, wie er für Audioanwendungen benötigt wird.

Um irgendwelchen Mißverständnissen vorzubeugen, soll bereits an dieser Stelle erwähnt werden, dass die Ströme, die durch NF- und LS-Kabel fließen, allesamt Wechselströme darstellen, die aus einem Sinusgemisch unterschiedlicher Freqenzen bestehen: der einzige Unterschied zwischen "Plus" und "Minus" ist lediglich der, dass der "Minus"-Pol mit der Gehäusemasse in Verbindung steht; ähnlich wie das beim Netzstrom hinsichtl. Phase und Nullleiter (ist im Gegensatz zur Phase geerdet) der Fall ist.
Die Bezeichnung Wechselstrom (AC) lässt bereits darauf schließen, dass der Strom, anders als beim Gleichstrom (DC), bei dem es tasächlich einen Plus- und einen Minuspol gibt, ständig seine Richtung wechselt. Die "Schnelligkeit des Richtungswechsels" bzw. des Schwingens der Sinuswelle wird mit der Frequenz (f) in Hz (kHz, MHz) angegeben, und diese ist ist mit Schwingungen pro Sekunde definiert.

Übrigens, ich hatte nie vor, hier so etwas wie einen Alleingang hinzulegen, d.h. dass ich evt.Fragen, Verbesserungen und v. a. Ergänzungen durchaus positiv gegenüberstehe. Beispielsweise fände ich an dieser Stelle einen Beitrag über die Sinnhaftigkeit von teuren Präzisionswiderständen und Festwiderstand-Volumsregler wünschenswert, weil ich zu diesem Thema leider nicht viel sagen kann...
Dass ich das Vorliegen von Wechselströmen in den Verbindungskabeln betone, hängt in erster Linie damit zusammen, dass ich mit absoluten High End Freaks über die Sinnhaftigkeit von NF-Kabeln (Cinch-Kabeln) mit Richtungspfeilen diskutiert und dabei festgestellt habe, dass sie der Meinung (gewesen) sind, dass durch NF-Kabel Gleichströme fließen würden.

Die Richtungspfeile hängen ausschließlich mit der Schirmung zusammen: Bei Cinch-Kabeln ist es so, dass der Kaltleiter eines Steckers mit der Schirmung in Verbindung steht, wohingegen das beim zweiten Stecker nicht der Fall ist: daher auch der Ausdruck "Asymmetrische Verbindung".

Wie ich zu meiner Verwunderung feststellen habe müssen, gibt es auch praktizierende Elektriker, die der Meinung sind, dass bei Netzstrom (Wechselstrom) keine Richtungsänderung stattfinden würde, was die Funktionsweise eines Gleichrichters bzw. einer Diode sehr in Frage stellen würde!!


mazdaro

Anmerkung: es gibt auch lineare Potentiometer und "Minus" vom Lautsprecherkabel muss nicht mit Gehäusemasse und/oder Gerätemasse potentialmäßig übereinstimmen. Siehe Konzept "gebrückter Verstärker".

Wo wir gerade beim Thema sind: bei einer gebrückten Endstufe arbeiten zwei einzelne Endstufen gegenphasig. Der Betrag der Elongation der Ausgangsspannung gegenüber Masse ist der Selbe, nur das Vorzeichen ist unterschiedlich. Auf deutsch: gibt die eine Endstufe +1V aus, gibt die andere -1V aus. Der Lautsprecher wird nun nicht am Ausgang der Endstufe + Masse angeschlossen, sondern an Ausgang der Endstufe A + Ausgang der Endstufe B. Der Betrag der Spannung am Lautsprecher ist nun 2V und verursacht an gleichem Lastwiderstand die 4-fache Leistung (P=U²/R, P~U²). Jede Endstufe "sieht" die halbe Last, also R/2 und muss so den doppelten Strom liefern (U~I), was bei niedrigen Impedanzen problematisch werden könnte.
Vorteil: Es kann bei gleicher Versorgungsspannung theoretisch die 4-fache Leistung abgegeben werden.

Gut, hat jetzt "noch" nicht ganz das Thema Grundwissen getroffen.

Interessant wären sicher die Kirchhoffschen Regeln (Knotenregel und Maschenregel), da diese die Grundlage "komplexerer" elektronischer Schaltungen liefert.

Hi mrlongie,

danke für Deinen Beitrag, der einen rel. gängigen Spezialfall behandelt!
Liegen also zwei gleiche Stereoendstufen vor, die gebrückt werden können, hängt es vom Impedanzverlauf der Boxen ab, ob Brückung od. Biamping vorzuziehen ist.

Kirchhoffsche Regeln wurden bereits in groben Zügen vorgestellt. Knoten- und Maschenregel sind v.a. Grundlage für den FI (Fehlerstromschutzschalter). Geht so in Richtung Energieerhaltungssatz...

Ich bin mir noch nicht ganz im Klaren darüber, was als nächstes behandelt werden sollte: Kondensatoren (einschl. Elektrostatik), womit man dann auf RC-Glieder übergehen könnte, oder besser zuerst Magnetismus und Wechselstrom, um dann Frequenzweichen in einem Kapitel besprechen zu können...

mrlongie schrieb:

... hat jetzt "noch" nicht ganz das Thema Grundwissen "Audioelektronik" getroffen.

Vor ca. 30 Jahren erhielt unsere Studiengruppe (5 Studis) von einen durchgeknallten Elektronik-Prof die Aufgabe, zu diesem Thema zu referieren - Zeitkontingent ca. 1,5h - wir haben dann, ziemlich verzweifelt, den Kommilitonen eine Literaturliste von ca. 10 Grundlagenwerken und ca. 100 spezialisierten, englischsprachigen Pamphleten vorgeworfen und uns nach 30 Minuten verabschiedet.

"Audioelektronik" ist interdisziplinär - Nischenwissen reicht nicht!

Heute hätten wir es einfacher!

Ein Link auf dieses deutschsprachige Kompendium erschlägt das Grundwissen eines Ingenieurs vor dem spezialisierten Hauptstudium - tiefergehende Kenntnisse der angewandten Physik/Mathematik mal aussen vor gelassen. Hier findet der Suchende grundlegende Infos und Stichworte zur weitergehenden Recherche.

... z.B. im HiFi-Forum unter Übersicht/Glossar

Gruß
Detlef

PS:
@mazdaro
... mach´ doch mal ´ne Liste von "behandlungswürdigen" Themen!

Hi Detlef (alter Nachtvogel ),

auf den von Dir genannten Link (Elektronikkompendium) bin ich auch schon das eine od. andere Mal gestoßen: finde ich seiner Einfachheit halber sehr gelungen, auch wenn man bei vielen Kapiteln ein wenig mehr ins Detail gehen hätte können. War allerdings die einzige Internetadresse, die ich zum Thema "Mischstrom" gefunden hatte!

Wie sieht's denn generell mit dem Kopieren von Textpassagen und Diagrammen (natürlich mit Quellenangaben) aus dem Internet aus? Kann es da Probleme mit Copyright-Rechten geben? Wenn sich so etwas machen ließe, bliebe mir eine Menge Arbeit erspart...

Liste "behandlungswürdiger" Themen (Schlagworte):

Wechselstrom(erzeugung), Blindleistung, cos Phi,
Induktion, evt. Grundlagen Komplexer Wechselstromberechnung,
Netzteil, Gleichrichter, Siebkette, Leistung,
Verstärker Röhre/Transistor (Grundprinzip, evt. auch genauer), Frequenzweichen (aktiv, passiv),
Signalquellen in groben Zügen,
Impedanz von LS...

In erster Linie geht es mir um das Verständnis des Zusammenwirkens einzelner elektronischer Bauteile.
Wie Du ja weißt, hatte ich das Verständnisproblem Transistor/Röhre mit ausgangsseitigem Koppelkondensator, was nirgends im Internet näher beschrieben war, bis dann irgendwann nach richi's Beitrag "Der Kondensator als Fauler Hund" der Groschen bei mir gefallen ist:
Die Wechselstromfilterung aus Mischstrom durch einen Koppelkondensator ist eben nur bei Parallelschaltung desselben zu einem Widerstand möglich, da bei Serienschaltung die Sperrichtung von aktiven Bauteilen ein unüberwindbares Hindernis für die Wechselstromkomponente darstellt... Das soll auf jeden Fall noch näher behandelt werden, da ich mir vorstellen kann, dass ich nicht der einzige bin , der sich die Frage gestellt hat, wie letzten Endes Wechselstrom durch eine Röhre od. einen Transistor geschleust werden kann bzw. anders herum gefragt, wie aus sich periodisch änderndem Gleichstrom plötzlich Wechselstrom (mit tatsächlichem Richtungswechsel) entstehen kann.
Und da ich ständig in irgendwelchen Details stecken bleibe, komme ich auch nicht so schnell voran, wie ich es mir wünschen würde, und das ist auch der Grund, wieso ich mich mit komplexeren Schaltplänen (z.B Differenzverstärker) noch nicht näher auseinandergesetzt habe...


mazdaro

mrlongie schrieb:

P=U²/R, P~U²

Ich denke, ich greife zunächst 'mal diesen Faden auf, und bespreche dann in groben Zügen Wechselstromerzeugung und Winkelfunktionen.
P steht für Leistung (Power), und ist in der Elektrik das Produkt aus Stromstärke und Spannung: P=I.U.
Wenn man sich nun das Ohm'sche Gesetz (I=U/R)in Erinnerung ruft, sieht man, dass man anstelle von I auch U/R in die Formel für die Leisung einsetzten kann, was dann zu P=U²/R führt.

Im folgenden Diagramm ist der Wechselstromverlauf (Sinus-Funktion) in Abhängigkeit einer sich drehenden Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld dargestellt.

Das Wesentliche zu Magnetismus und Lorentzkraft kann im Elektronikkompendium (Link von detegg) od. (wenn man es genauer haben will) bei Wikipedia nachgelesen werden.

Wenn man die Schleife im Grundriss betrachtet, sieht man, dass die im Aufriss unsichtbaren Strecken der Schleife keinen Einfluss auf ein Steigen od. Sinken der induzierten Spannung nehmen, da durch Drehung der Schleife mit konstanter Winkelgeschwindigkeit Omega auch keine Veränderung in Bezug auf die Anzahl der auf diese beiden Strecken auftreffenden Magnetfeldlinien auftritt, was jedoch bei den im Aufriss dargestellten Strecken (die vordere verdeckt die hintere) sehr wohl der Fall ist.

Winkelfuntionen lassen sich durch den Einheitskreis (r=1) darstellen. H steht für Hypotenuse, und GK für Gegenkathete.
Mehr hierzu bei Wikipedia:
http://de.wikipedia.org/wiki/Trigonometrische_Funktion

U eff. ist die Effektive (durchschnittliche) Spannung, die bei unserem Netz 220 bzw. 230 V beträgt. Der Wert entspricht einer (mittleren) Schleifenstellung von 45 Grad.

Der Sinusfunktion (od. auch der um 90 Grad verschobenen Cosinusfunktion) wird man in der Audioelektronik immer wieder begegnen: schließlich besteht auch die Musik aus einer Vielzahl von Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenzen, wobei die Obertöne ganzzahlige Vielfache von Sinusschwingungen darstellen.

Kleine Eselsbrücke fürs Ohmsche Gesetz, so hab ichs gelernt als ich noch klein war (9 J.)



Man streiche einfach das gesuchte und erhält die richtige Gleichung. Streicht man U, erhält man I*R (Strich gedanklich Mal). Steicht man I, erhält man U/R und streicht man R erhält man U/I.

mrlongie schrieb:

Kleine Eselsbrücke fürs Ohmsche Gesetz, so hab ichs gelernt als ich noch klein war (9 J.) Man streiche einfach das gesuchte und erhält die richtige Gleichung. Streicht man U, erhält man I*R (Strich gedanklich Mal). Steicht man I, erhält man U/R und streicht man R erhält man U/I. :D

Mit 9?!

Eigentlich fällt mir dazu nichts mehr ein - bestenfalls die

"Wheatstonesche Brücke"! Womit ich natürlich keineswegs zum Ausdruck bringen will, dass Sir Charles ein Esel war:
http://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke

mrlongie schrieb:

Kleine Eselsbrücke fürs Ohmsche Gesetz

... noch einprägsamer wird´s, wenn man Deinen Berg mit dem Schweizer Kanton URI mental verknüft!

Detlef