DE2415816C3 - Verfahren zur Begrenzung der maximalen Belastung von elektroakustischen Wandlersystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung der maximalen Belastung von elektroakustischen Wandlersystemen einschließlich der zum Betrieb der Wandler notwendigen Leistungsverstärker. Vorzugsweise ist diese Erfindung auf Lautsprecher bzw. Lautsprecherkombinationen anwendbar, einschließlich der Leistungsverstärker und eventuell vorhandener Frequenzfilter zur Aufteilung des Übertragungsbereiches in mehrere Frequenzbänder bei Mehrwegesystemen.

Überlastungen eines elektroakustischen Wandlersystems können folgender Art sein:

Überlastung der Wandler:

1. Mechanische Belastung der schwingenden Elemente wie der Membrane, der Schwingspule, als auch deren Aufhängungen.

2. Thermische Belastung der Antriebselemente wie der Schwingspule.

Überlastung der Leistungsverstärker:

3. Zu hohe geforderte Ausgangsspannung

4. Zu hohe geforderte Ausgangsleistung

5. Zu hoher geforderter Ausgangsstrom

Übermäßige Belastungen führen zu Beschädigungen, geringe Überlastungen zu unerwünschtem nichtlinearen Verhalten. Nichtlineares Verhalten bei elektroakustischen Übertragungsanlagen äußert sich z. B. in Klirr-, Intermodulations- und Differenztonverzerrungen, was bei hochwertigen Anlagen vermieden werden muß.

Bei hochwertigen Leistungsverstärkern ist es allgemein üblich, eine elektronische Strombegrenzung ^r, vorzusehen. Diese Strombegrenzung, wie auch die gegebene Betriebsspannung der stark gegengekoppelten Verstärker führt bei zu hoher Aussteuerung (d.h. Überlastung) zu einer scharfen Begrenzung des Ausgangssignals. Neben Klirrverzerrungen 2. und 3.

ίο Ordnung treten bei einer scharfen Begrenzung auch solche sehr viel höherer Ordnung stark in Erscheinung. Aufgrund des großen Abstandes von der Grundfrequenz sind Klirrverzerrungen höherer Ordnung auch bei kleineren Werten als 1% gut hörbar und daher mit einer hochwertigen Wiedergabe nicht vereinbar. Zudem belasten die vornehmlich im Hochtonbereich liegenden Verzerrungskomponenten die empfindlichen Hochtonlautsprecher stark.

Neben dieser weit verbreiteten Art der Überlastsicherung sind noch solche zu nennen, die bei Überlastung der Leistunsverstärker bzw. der Wandler vollkommen abschalten oder die Leistung zurückschalten wie z. B. mittels eines Relais und eventuell eines zwischenzuschaltenden Vorwiderstandes. Die durch diese Art der Überlastsicherung hervorgerufenen Betriebsstörungen (totales Abschalten oder Lautstärkesprünge) wirken in der Praxis ungünstig. Es ist sogar eine Schutzschaltung vorgeschlagen worden, bei der zwar der Wandler vor Spannungsspitzen geschützt werden kann (diese beson-

dere Form der Überlastung ist bei elektrostatischen Wandlern kritisch), dabei wird aber der Leistungsverstärker zuerst niederohmig über einen Halbleiterschalter kurzgeschlossen und erst dann wird der Stromkreis über eine Sicherung beliebiger Art unterbrochen. Neben

i^r> den vorstehend erwähnten Nachteilen (totales Abschalten) kann hier der Leistungsverstärker beschädigt werden. Zudem liegt immer die Impedanz der Sicherung (ohmscher Widerstand, der bei Schmelzsicherungen nichtlinear ist, und bei elektromagnetischen Auslösern

•ίο zusätzlich eine Induktivität) in Reihe zum Wandler, was zu linearen oder nichtlinearen Verzerrungen führt.

Abhilfe ist mit einem sehr großzügig dimensionierten Leistungsverstärker möglich, der im praktischen Betrieb nicht überlastet wird. Es erhöht sich hiermit jedoch

ίϊ sehr die Gefahr, die Lautsprecher zu überlasten. Es müßten aus diesem Grund stabile, große Lautsprecher gewählt werden. Hierzu im Widerspruch steht die Forderung nach einer geringen schwingenden Masse, nach kleinen Gehäusegrößen und nach einem geringen

■so Herstellungsaufwand. Der mechanischen und thermischen Belastbarkeit der Lautsprecher sind daher Grenzen gesetzt. Aus architektonischen Gründen sollen zudem Lautsprecher und Leistungsverstärker unauffällig und daher klein und kompakt sein. Dieser Wunsch nach hochwertigen aber kleinvolumigen Wandlersystemen kann heute insbesondere dadurch realisiert werden, daß der Frequenzgang (zumal im Baßbereich) elektronisch linearisiert wird. Hierbei bietet sich eine Kombination von aktiven Frequenzfiltern und mehreren Leistungsverstärkern (mindestens zwei, davon einer für den Baßbereich, maximal einer für jedes Wandlersystem) an. Es sind auch Verfahren bekannt, die ein von der Membranbewegung abhängiges Korrektursignal zur Verbesserung der Wiedergabeeigenschaften verwenden. Die Linearisierung des Frequenzganges unterhalb der Resonanzfrequenz des Baßlautsprechers erfordert aber eine hohe Leistung des Verstärkers, da die Leistung in diesem Frequenzbereich je Frequenzhai-

bierung (Oktave) um ca. 12 dB (das 16fache) zunehmen muß. Der erforderliche Membranhub nimmt ebenso um 12 dB (das 4fache) zu, die Membrangeschwindigkeit um 6 dB (das zweifache). Bei Signalpegelspitzen im Frequenzbereich unterhalb der Resonanz! requenz wird daher eine Begrenzung im Verstärker und ein Anschlagen oder Kratzen der Membrane und Schwingspule häufiger auftreten als im übrigen Frequenzbereich. Zudem ergeben sich bei großen Membranauslenkungen ein nichtlineares Verhalten und bei großen Membrangeschwindigkjiten Intermodulationen (Dopplereffekt). Im Hochtonbereich ergibt sich vornehmlich eine thermische Überlastung auf Grund der geringen Wärmekapazität und -ableitung. Die kurzzeitige Impulsbelastbarkeit ist daher bedeutend höher als die Dauerbelastbarkeit. Es muß daher immer ein Kompromiß getroffen werden zwischen exakter Wiedergabe von kurzzeitigen Signalpegelspitzen und der Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen und Zerstörung durch Signale größerer Dauer.

Es ist auch schon eine Verstärkeranordhung bekannt DE-OS 22 3\ 647, bei der als Nebeneffekt die Belastung von Verstärkern und Wandlern vermindert werden soll. Hierbei wird der Frequenzgang pegelabhängig und automatisch verändert, und zwar in der Weise, daß bei geringen Pegeln der Baß- und der Hochtonbereich angehoben werden und zu großen Pegeln hin der Frequenzgang stetig linearer wird. Hierdurch soll die bei kleinen Lautstärken abweichende Ohrempfindlichkeit kompensiert werden. Eine Belastungsverminderung kann mit dieser Anordnung nur erreicht werden, wenn eine vorhandene Frequenzkorrektur, die bei geringen Abhörlautstärken ihre Berechtigung haben kann, bei hohen Abhörlautstärken nicht unwirksam gemacht wird. Eine Frequenzgangkorrektur wird bei einer HiFi-gemäßen Übertragung aber nicht verwendet, solch eine lautstärkeabhängige Frequenzgangkorrektur wird von breiten Kreisen der Benutzer und Kritiker hochwertiger HiFi-Übertragungsanlagen generell abgelehnt. Eine so'che Schaltung bietet sich daher wohl kaum einem HiFi-Geräteentwickler an. Bei der vorgeschlagenen Verstärkerschaltung sind zudem elektronische Pegelstellglieder (Feldeffekttransistoren) dauernd in einem großen Dynamikbereich in Funktion, was nichtlineare Verzerrungen zur Folge hat, die weit über dem üblichen Niveau von hochwertigen Verstärkern liegen. Die Pegel- bzw. Frequenzgangbeeinflussung ist in Abhängigkeit vom Pegel generell relativ schwach und insbesondere bei hohen Pegeln fast ohne Wirkung, so daß ein für eine wirkliche Übenastungsbegrenzung notwendiger harter Einsatz der Pegelbeeinflussung bei sehr hohen Pegeln nicht erreicht werden kann. Auch ist der Pegel (die Spannung) rieht ein sicheres Kriterium für die Überlastung und die Frequenzgangänderung hat entsprechend den Anforderungen an eine gehörphysiologische Lautstärkekorrektur langsam zu erfolgen, so daß eine ausreichende Sicherheit gegen Überlastung nicht gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Überlastungen zu verringern, ohne daß auffällig hörbare Nachteile eintreten. Ein elektroakustischer Wandlersystem kann daher für den Normalfall und damit einfacher und kleiner dimensioniert werden, bei außergewöhnlichen Anforderungen verhütet das erfindungsgemäße Verfahren deutlich hörbare Verzerrungen und Beschädigungen des Wandlersystems. Im üblichen Betriebszustand soll dagegen möglichst keine Beeinflussung vorhanden sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst Je nach Signalpegel und -dauer wird der Frequenzgang des elektroakustischen Wandlersystems automatisch so beeinflußt, daß eine Überlastung nicht eintritt Da Signalpegel und -dauer die thermische Belastung von Wandler und Leistungsverstärker bestimmen, können diese auch indirekt über die Betriebstemperatur (Erwärmung) des Wandlers und des Leistungsverstärkers den Frequenzgang beeinflussen. Eine Veränderung des Frequenzganges kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, daß ein Hoch-, Bandoder Tiefpaß mit steuerbaren Filtereigenschaften verwendet wird und/oder ein Frequenzbereich bei Mehrwegsystemen im Pegel beeinflußt wird. Die Beeinflussung der Filtereigenschaften und des Pegels kann mit Hilfe der allgemein bekannten Verfahren über elektrisch direkt oder indirekt wirkende Elemente erfolgen.

In den zeichnerischen Darstellungen werden Feldeffekttransistoren (1.) verwendet. Die F i g. 1 zeigt eine einfache Steuerung für den Baßbereich. Bei steigender Eingangsspanr.ung wird der steuerbare Widerstand (1.) eines /iC-Hochpasses (2.1.) verkleinert, so daß sich die Übergangsfrequenz des ftC-Gliedes nach höheren Frequenzen verschiebt und eine Pegelabsenkung bei tiefen Frequenzen herbeigeführt wird. Der Pegel wird also in den Frequenzbereich besonders stark abgesenkt, wo eine Überlastung besonders leicht eintreten kann. Die Ansprechzeiten der Steuerung (3.1.) sind so diemensioniert, aaß die Steuerung gehörmäßig nicht auffällt. Eine optimale Ausnutzung des Wandlers (4.) und des Leistungsverstärkers (5.) kann über eine frequenzabhängige Steuerung erzielt werden.

F i g. 2 zeigt eine einfache Regelung, bei der der steuerbare Widerstand (1.) des /?C-Gliedes (2.1.) vom Ausgang des Leistungsverstärkers (5.) über ein Regelglied (3.2.) beeinflußt wird. Hierbei kann neben der Ausgangsspannung auch der Ausgangsstrom und die Ausgangsleistung, sowie äquivalente Größen vie die thermische Belastung bzw. Betriebstemperatur des Wandlers (4.) und des Leistungsverstärkers (5.) zur Regelung herangezogen werden.

Während es im Baßbereich darauf ankommt, den Pegel bevorzugt im tiefen Frequenzbereich abzusenken und so die eventuell vorhandene elektronische Frequenzgangkorrektur bei hohen Pegeln zu vermindern, ist es im Hochtonbereich vorteilhaft, den Pegel für den Hochtonwandler im ganzen Hochtonbereich gleichermaßen abzusenken, aber nur bei hohen Pegeln von größerer Dauer. Die Ansprechzeiten der Steuerung bzw. der Regelung sind der thermischen Belastbarkeit anzupassen.

Eine erfindungsgemäße Anordnung bei einem elektroakustischen Dreiwegewandlersystem mit korrigiertem Baßfrequenzgang (in 6.a), aktiven Frequenzfiliern (6.a, 6.b, ö.cjund drei Leistungsverstärkern (5.a, S.b, 5.c) zeigt F i g. 3. Im Baßbereich (a) ist eine Überlastbegrenzung (zur Herabsetzung von Verzerrungen) durch einen variablen Hochpaß (2.1.a; entsprechend Fig. 2), im Hochtonbereich (c) ist eine Überlastbegrenzung (zum Schutz vor thermischen Beschädigungen) durch einen variablen Spannungsteiler (2.2.c) vorhanden. Der Mitteltonbereich (b) kann ausreichend dimensioniert sein, da eine Pegelbeeinflussung hier im Gegensatz zu den kritischen Enden des Übertragungsbereiches (Baß und Höhen) nur von geringem Vorteil wäre.

Fig.4 zeigt den Frequenzgang eines derartigen elektroakustischen Dreiwegewandlersysstems bei ver-

schiedenen Eingangspegeln und Dauertonbeirieb (durchgezogene Linien). Bei nur kurzzeitigen Belastungsspitzen ergeben sich gegenüber den durchgezogenen Linien die gestrichelt gezeichneten geringeren Abweichungen, also ein linearer Frequenzgang, vornehmlich im Hochi^nbereich. Bei genügender Sicherheit vor Überlast wird der Frequenzgang nicht beeinflußt (z. B. die drei unteren Kurven in F i g. 4).

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile zeigen sich in einem weitgehend vollwertigen Schutz des Wandlers und des Leistungsverstärkers und in der Vermeidung von starken auffälligen Verzerrungen. Einer Begrenzung auf z. B. die halbe Leistung entspricht eine Frequenzgangbeeinflussung von 3 dB, was tragbar ist. Bei Anwendung der Erfindung ist es möglich, Leistungsverstärker und Wandler kleiner zu dimensionieren, was den Preis und den Raumbedarf des gesamten Wandlersystems vermindert. Die Nachteile (z. B. Begrenzung des Leistungsverstärkers, Kratzen der Schwingspule) einer elektronisch unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenz korrigierten Kompaktlautsprechereinheit gegenüber einer unkorrigierten bei der Wiedergabe hoher Pegel entfallen. Im Hochtonbereich wird der Kompromiß zwischen Impuistreue und Belastbarkeit verbessert. Die Wirkung des vorgeschlagenen Verfahrens setzt ausschließlich bei drohender Überlastung ein, die pegelbeeinflussenden Elemente sind im Normalzustand ohne Wirkung. Das Verfahren kann unabhängig und zusätzlich zu beliebigen frequenzgangbeeinflussenden Elementen (z. B. Bewegungsgegenkopplung eines Baßlautsprechers) eingesetzt werden. Lineare und nichtlineare Verzerrungen treten verfahrensbedingt im Normalzustand nicht auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Begrenzung der maximalen Belastung von elektroakustischen Wandlersystemen, insbesondere von Lautsprechern bzw. Lautsprecherkombinationen, einschließlich des bzw. der Leistungsverstärker und einzelne Frequenzbereiche bestimmender Filter, dadurch gekennzeichnet, daß zur Belastungsbegrenzung eine kontinuierliche Pegelabsenkung in einzelnen Frequenzbereichen erfolgt durch eine Steuerung oder Regelung der Fil'.ereigenschaften von dem oder den Leistungsverstärker^) vorgeschalteten Filtern über Signale, die aus für die Belastung charakteristischen Kenngrößen abgeleitet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgroße für den Steueroder Regelkreis selbst frequenzabhängig bewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechzeiten des Steuerbzw. Regelkreises den dynamischen Überlasteigenschaften und der physiologischen Hörbarkeit angepaßt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Pegelabsenkung in den einzelnen Frequenzbereichen bei einem elektroakustischen Mehrwegewandlersysstem getrennt vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kontinuität der Pegelabsenkung nur auf ihre gehörphysiologische Wirkung bezieht, die Pegelabsenkung selbst aber in mehreren (>4) diskreten kleinen Stufen (< 1,5 dB) bestehen kann.