"Clipping" und warum kann ein clippender Verstärker Lautsprecher beschädigen

[FooFighter]

Bevor ich den Beitrag eines anderen Foren-Mitglieds "sprenge", leite ich das Thema "Clipping" mal in einem extra Beitrag aus.

Auslösende Diskussion:

https://www.computerbase.de/forum/threads/heco-metas-700-defekt-dumpfer-klang.1409900/

Mikey Mouse hat in diesem Beitrag angeschnitten, das "Clipping" bzw. ein clippender Verstärker Hochtöner beschädigen können. Da es im Netz recht viel zum Thema "Clipping" zu lesen gibt, u. a. Wahrheit und Lüge, viel unverständliches, nun dieser Beitrag

Was ist "Clipping"

Wikipedia definiert das soweit unkommentiert so:

Als Übersteuern bezeichnet man in der Signalverarbeitung das Beaufschlagen von signalverarbeitenden Einheiten mit Eingangssignalen außerhalb des erlaubten Eingangsbereiches. Als Folge einer Übersteuerung treten unerwünschte Effekte auf wie Nichtlinearitäten. Typischerweise werden Ausschläge, die über den Eingangsbereich hinausgehen, abgeschnitten. Diesen Effekt bezeichnet man als Clipping (englisch to clip = abschneiden, kappen).

Ein Verstärker kann durch einen zu hohen Eingangspegel oder eine zu hohe Verstärkung in die Sättigung kommen, bei der das Ausgangssignal nicht mehr formtreu dem Eingangssignal folgt, sondern geklippt und dadurch verzerrt wird. Dabei wird die Signalkurve an den oberen und unteren Signalspitzen "abgeschnitten". Derartige Vorgänge kann man sich bildlich in Form einer Sinuskurve vorstellen, die an den oberen und unteren Ausbuchtungen mittels zweier horizontaler Geraden abgeflacht wird.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Übersteuern_(Signalverarbeitung)

Insbesondere das zweite Zitat beschreibt sehr gut, was bei einem clippenden Verstärker passiert.

Wenn du es genauer, bzw. etwas wissenschaftlicher haben möchtest, dann musst du dir die Fourier Analyse eines Rechteck-Signals angucken.

Recht hat Mickey Mouse. Schauen wir uns das ganze doch einfach einmal an.

​

Ein ganz normaler "Sinus" wie er von einem Verstärker mit 100% Sinusleistung ausgegeben würde. Keinerlei Clipping/Störprodukte/Klirr.

Wie sieht nun ein Sinus-Signal eines clippenden Verstärkers aus (also mit Störprodukten/Klirr):

​

Hier wird das Sinus-Signal um den Faktor 1,286 über die vorgegebene Sinusleistung hinaus verstärkt. Man kann schon recht deutlich erkennen, d. keine saubere Sinus-Welle mehr erzeugt wird. die Signalspitzen werden abgeschnitten.

Es geht selbstverständlich deutlich schlimmer:

​

Womit wir bei der von Mikey Mouse erwähnten Fourier Analyse eines Rechteck-Signals wären. Der Sinus wird in diesem Beispiel soweit "verbogen" das er einem Rechteckt ähnelt.

Was ist nun so schlimm daran wird sich manch einer denken. Die Signalspitzen werden ja schließlich abgeschnitten. Schauen wir also mal genauer hin:

​

Ein Sinus-Signal (rote Linie) führt Energie innerhalb des Signals. (Ich werde die Grafik noch einmal überarbeiten und den energieführenden Teil markieren -> also der Bereich in der Welle zwischen den beiden Flanken ist gemeint).

​

Ich habe hier wenig künstlerisch einfach einmal das Rechteck-Signal (dunkelgrün) über den Sinus (rot) gelegt. Die hellgrünen Flächen sollen verdeutlichen, was an diesem Rechteck-Signal so gefährlich ist. Es führt (fast) das doppelte an Energie mit.

Soweit erst einmal zur theoretischen Rechteck-Signal Analyse. Meiner persönlichen Meinung nach, meinem persönlichen Wissensstand wirft das ganze jedoch einige Fragen auf, dazu dann später mehr.

In dem oben verlinkten Beitrag diskutierten wir, warum bzw. ob ein clippender Amp einen Hochtöner beschädigen kann. Da gibt es auch die unterschiedlichsten, theoretischen Ansätze.

Zur weiteren Veranschaulichung würde ich nun auf den Begriff "Oberwellen" eingehen und beide Themen ineinander überleiten.

Übertragen wir also die Rechteck-Signal-Analyse und schauen was passiert.

Zunächst unser Rechteck-Signal bei diesmal 440Hz:

​

Übertragen wir das in ein Frequenzspektrum sieht das wie folgt aus:

​

Rot umrandet sehen wir den generierten Sinus bei 440Hz. Spannend sind hier die grün markierten Obertöne/Oberwellen/Störprodukte/Klirr die wir nie generiert haben.

Es ist also richtig. Man kann mit einem clippenden Amp Hochtöner theoretisch beschädigen. Auch wenn gerade kein Hochtonanteil im Musikspektrum anliegt.

Man kann jedoch auch erkennen, wie die Obertöne mit höherer Ordnung an Energie verlieren. Hier bin ich mir momentan noch ein wenig unsicher. Eigentlich, nach Rechteck-Theorie müssten die Oberwellen im ersten Gedanken bis zur doppelten Energie führen. Bisher kann ich mir das nur soweit zusammenreimen, das alle Oberwellen zusammen bis zur doppelten Energie des Original-Sinus haben?!

Korrekturen, Änderungswünsche, Anregungen soweit sachlich sind gerne gesehen. Aufschreiben und in einem Forum niederschreiben hilft lernen.

Vielen Dank auf jeden Fall noch einmal an Mikey Mouse für den lehrreichen Denkanstoß!

Im Beitrag vorzufindende Grafiken wurden bei folgenden Quellen entliehen:

http://www.hifi-forum.de/viewthread-237-469.html

http://www.hth-lautsprecher.de/theorie/clipping.htm

(Ich hoffe meine Gedanken einigermassen verständlich zusammengebracht zu haben). Jetzt seid Ihr erst einmal dran...

 

[herrhannes]

EDIT: Das Folgende ist Unfug... Clipping = Gleichspannung an der Spule und damit maximaler Strom, da keine entgegengesetzte Induktionsspannung durch Stromänderung, die den Stromfluss bremst. Und keine Verschiebung von Strom und Spannung, da ja eben beides konstant.

 

[FooFighter]

Clipping = Gleichspannung sollte eigentlich nicht anliegen. Die Amplitude bleibt ja bestehen, sie wird nur oben oder unten abgeschnitten.

Jetzt von einem Mittel- oder Tieftonchassis in der Praxis aus gesehen, d. Chassis schwing auf max. aus, verweilt dort eine gewisse Zeit, wird auf max. eingezogen und verweilt auch dort die Weile bis es in die Ausgangsstellung zurückkehrt.

Das Signal ähnelt nur einer Gleichspannung. Letztlich dürfte ein solchen Signal auch eher selten anliegen, es fängt ja bereits weitaus früher an zu verzerren, clippen, in den Klirr zu gehen.

 

[Prollpower]

Genau, in dem Fall ein induktiver Blindwiderstand...
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/1006241.htm

Man sagt auch, mit einer zu schwachen Endstufe bekommt man recht schnell selbst leistungsfähige Lautsprecher klein, als wenn die Endstufe um einiges höher bemessen, als die Lautsprecherleistung ist, weswegen man lieber ein paar Watt mehr als Reserve hat.

 

[herrhannes]

Clipping = Gleichspannung sollte eigentlich nicht anliegen. Die Amplitude bleibt ja bestehen, sie wird nur oben oder unten abgeschnitten.

Jetzt von einem Mittel- oder Tieftonchassis in der Praxis aus gesehen, d. Chassis schwing auf max. aus, verweilt dort eine gewisse Zeit, wird auf max. eingezogen und verweilt auch dort die Weile bis es in die Ausgangsstellung zurückkehrt.

Das Signal ähnelt nur einer Gleichspannung. Letztlich dürfte ein solchen Signal auch eher selten anliegen, es fängt ja bereits weitaus früher an zu verzerren, clippen, in den Klirr zu gehen.

Was soll eine Gleichspannung denn anderes sein als eine gleichbleibende Amplitude? Natürlich ist es, solange abgeschnitten wird, eine Gleichspannung.

Ergänzung (8. November 2014)

Genau, in dem Fall ein induktiver Blindwiderstand...

Nein. Den hat man nur bei Wechselspannung. Nicht bei einer Gleichspannung, sprich bei "längerem" Clippen.

 

[FooFighter]

Was soll eine Gleichspannung denn anderes sein als eine gleichbleibende Amplitude? Natürlich ist es, solange abgeschnitten wird, eine Gleichspannung.

Schaue Dir bitte noch einmal das generierte Rechteck-Signal bei 440Hz an.

https://www.computerbase.de/forum/attachments/440hz-rechtecksignal-png.452323/

Das ist Wechselspannung, oder? Deutlicher wird es vll. mit Grafik 2. Bereits da clippt der Amp:

https://www.computerbase.de/forum/attachments/sinus_1-286-png.452305/

Ich kann da keine Gleichspannung erkennen.

Was soll eine Gleichspannung denn anderes sein als eine gleichbleibende Amplitude?

Da habe ich mich vll. ein wenig ungünstig ausgedrückt. Das generierte Signal ist doch alles andere als eine gleichbleibende Amplitude.

Bitte verstehe mich nicht falsch. Wenn ich da falsch liege und Du mir das verständlich vermitteln kannst, warum, wäre ich dankbar. Ich hoffe es ist ersichtlich, d. ich nach dem obigen Beitrag a) Falschaussagen eingestehe b) die nötige Lernbereitschaft zeige.

 

[herrhannes]

Ein Rechtecksignal mag global gesehen eine Wechselspannung sein (mit unendlicher Energie übrigens, deswegen wirst du nie ein echtes Rechtecksignal erreichen), aber solange du den waagerechten Verlauf hast, liegt eine Gleichspannung an.

 

[FooFighter]

Hmmm,.. das werde ich so mal zusammen mit dem Mittagessen der Verdauung zuführen - Mahlzeit!

(nein, nicht ironisch oder anstössig gemeint, verdauen = verarbeiten )

Man kann jedoch auch erkennen, wie die Obertöne mit höherer Ordnung an Energie verlieren. Hier bin ich mir momentan noch ein wenig unsicher. Eigentlich, nach Rechteck-Theorie müssten die Oberwellen im ersten Gedanken bis zur doppelten Energie führen. Bisher kann ich mir das nur soweit zusammenreimen, das alle Oberwellen zusammen bis zur doppelten Energie des Original-Sinus haben?!

... um das Thema mal von Gleich und Wechselspannung zurück zur gestellten Frage zu führen.

 

[Prollpower]

Ergänzung (8. November 2014)

Nein. Den hat man nur bei Wechselspannung. Nicht bei einer Gleichspannung, sprich bei "längerem" Clippen.

Ne, kam ja auch falsch rüber. Um zu verstehen was clipping ist, muss man erst einmal verstehen wie eine Spule arbeitet und was sich bei Gleich- zu Wechselspannung ändert. Bei Wechselspannung reden wir von einem induktiven Blindwiderstand oder nicht?
Ok in dem Fall clipping mehr oder minder große Gleichspannungsanteile in den Wellen

 

[herrhannes]

Induktiver Blindwiderstand bei Spule und kapazitiv bei Kondensator, ja.

 

[Mickey Mouse]

der Eingangspost gefällt mir sehr gut!

die Diskussion über Gleichstrom ist hier aber (meiner Meinung nach) völlig unsinnig und hat mit dem Thema nix zu tun!
Im Gegenteil:
Clipping -> Hoch-Töner Tod
Gleichstrom -> Tief-Töner Tod

Das "Problem" liegt im grün umrandeten Teil! Man sieht hier ja sehr deutlich, dass ein 440Hz Signal eines clippenden Verstärkers einen enormen Hochton-Anteil über 2kHz produziert.

Was man nicht vergessen darf: diese ganzen Bilder dienen ja nur zur Veranschaulichung der Problematik. Kein Mensch hört sich einen 440Hz Sinus so laut an, dass der Verstärker ins Clipping gerät. Der normale Hochton Anteil des Musik Signals "nebenbei" kommt ja noch dazu!

Man braucht jetzt also gar nicht bis in aller letzte Detail ausrechnen, wie viel Energie nun in diesen Oberwellen steckt!

Nehmen wir einfach an, dass ein normaler Lautsprecher für ein normales Musikspektrum ausgelegt ist.
JEDE Welle (egal welcher Frequenz), die durch Clipping oben/unten abgeschnitten wird, erhöht deutlich den Hochton-Anteil, das zeigen doch die Bilder oben!

Und in Summe grillt das den Hochtöner, so einfach ist das!

Klar, einige LS haben da mehr Reserven oder einige Hersteller (z.B. Nubert) bauen da Sicherungen ein, die zu hohe Leistungen vom HT ableiten/kurzschließen.

 

[herrhannes]

Unfug

 

[kisser]

Willst du uns hier verscheissern?

Am besten hältst du dich fern aus diesem Thread solange du keine Ahnung von Signaltheorie hast.

Auf gar keinen Fall enthält ein Clipping-Signal einen Gleichanteil. Kanst dir ja mal das Spektrum eines Rechtecksignals anschauen. Bei der Frequenz 0 Hz ist da nix.

 

[herrhannes]

Dann erklär du mir mal, wie man ein ideales Rechtecksignal produzieren will? Dass der Mittelwert 0 ist, bedeutet nicht, dass keine Gleichspannung auftritt (nur dass der Gleichanteil 0 ist, welcher einer eine Verschiebung des gesamten Signals an der y-Achse bedeutet). Als was würdest du eine gleichbleibende Amplitude denn bezeichnen?

Edit: Wenn man es ganz extrem ausreizt, hat man je nachdem ungefähr die Versorgungsspannung des Verstärkers am Ausgang. Und die ist, tadaaa, eine Gleichspannung.

Edit2: Aber es stimmt natürlich, von einem Gleichanteil dürfte natürlich der Hochtöner durch Frequenzweichen usw. wenig mitbekommen.

Ich gebe mich daher geschlagen, die Schäden an HT stammen in dem Fall von den Obertönen, die durch die "Eckigkeit" entstehen und nicht durch die Gleichspannung, von der sie überhaupt nichts mitbekommen.

Um dem TT gefährlich zu werden, müsste die Periodendauer ja auch viel zu gering sein. Da hatte ich echt nicht gescheit nachgedacht -.-

 

[kisser]

Mach dich erst mal schlau, bevor du weiter solchen Unsinn von dir gibst.

Und nein, die Versorgungsspannung eines Verstärkers ist meistens symmetrisch (Klasse B Verstärker). Und damit durch eventuelle Unsysmmetrieen keine Gleichspannung an den LS gelangt, sind die Verstärkerendstufen immer kapazitiv ausgekoppelt (bei Klasse A Verstärkern ohnehin unerlässlich).
Es ist also absolut unmöglich, dass ein Verstärker eine Gleichspannung an einen LS abgibt.

 

[Prollpower]

Mit gleichspannung ist, so wie ich das verstehe, das scharfe abschneiden der Welle gemeint, nicht das die Wechselspannung sich in die positive oder negative Spannung verschiebt (Offset).
Gleichspannung ist nicht der Begriff der das beschreibt was damit ausgedrückt werden soll.

Muss man auch nicht gleich so aggressiv reagieren.

 

[herrhannes]

Genau das meinte ich, einen Gleichanteil hat das Signal trotzdem nicht, wie bereits geschrieben. Eine Gleichspannung ist es zumindest abschnittsweise aber doch.
Was das mit der unsymmetrischen Versorgungsspannung zu tun haben soll, erschließt sich mir in dem Zusammenhang aber nicht.
Dass es natürlich durch die kurze Periode keine Rolle spielt, habe ich ja bereits geschrieben.

 

[FooFighter]

Es ist also absolut unmöglich, dass ein Verstärker eine Gleichspannung an einen LS abgibt.

Danke!

Ich würde das sogar verschärft formulieren: Wenn ein Verstärker eine Gleichspannung an einen LS abgibt, ist er definitiv defekt.

 

[Zwenner]

So verschärft - ist es sogar richtiger formuliert.
Möglich ist das sehr wohl, nur dann ist der Audio-Verstärker eben defekt, zum Beispiel: Defekte Koppelkondensatoren.

 

[FooFighter]

Moin Zwenner,

eine wahrliche Freude, Dich hier mal wieder zu sehen, zu lesen.

Dann hat sich meine Tippselei ja wirklich gelohnt, wenn man jmd. wie Dich damit herbekommt.

Du hast nicht zufällig etwas Bildungsstoff zu der von mir oben gestellten Frage (wohin geht die Energie des Rechteck-Signals)?