"Clipping" und warum kann ein clippender Verstärker Lautsprecher beschädigen

[Mickey Mouse]

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?

Kannst du mir mal verraten, was deine ganzen Beiträge hier mit dem Thema zu tun haben sollen?!?

vielleicht müssen wir erstmal etwas Vokabeln üben:
Gleichspannung: (Wikipedia, Einleitung)

Eine Gleichspannung ist eine elektrische Spannung, die sich über einen längeren Betrachtungszeitraum nicht ändert. Sie hat zu jedem Zeitpunkt dasselbe Vorzeichen und denselben Betrag. In manchen Anwendungen wird auch dann von Gleichspannung gesprochen, wenn die Spannung lediglich – im Gegensatz zur Wechselspannung – nicht die Polarität wechselt.

So, willst du uns jetzt noch erzählen, dass dein Verstärker eine Gleichspannung ausgibt?!? So ein Schwachsinn...

"Normale" Verstärker haben heute keinen Koppel-Kondensator am Ausgang mehr. Um die Lautsprecher (den Tieftöner, Mittel- und Hochtöner haben ja in der Weiche (Hochpass) einen Kondensator im Signalweg) vor diesem Gleichspannungs-Anteil zu schützen, der bei einem defekten Verstärker auftreten kann, wird in vielen Geräten permanent überprüft, dass der Mittelwert wirklich 0V beträgt, ansonsten schlägt die Schutzschaltung zu.

Aber wie gesagt, das betrifft alles nur den Tieftöner und hat mit dem Thema hier (Clipping) rein gar nichts zu tun.

 

[e-ding]

Danke für die Erläuterung! Clipping war mir ein Begriff; auch, dass es durch "zu schwache" Verstärker ausglöst wird aber das wars auch schon. Die Zusammenhänge sind mir, auch ohne E-Technik-Diplom, jetzt klarer.

 

[Zwenner]

@FooFighter

Moin!
Ich weiß jetzt nicht ob ich die Frage richtig verstehen... alles was ein Verstärker an Energie am Ausgang erzeugt, wird auch auf den angeschlossenen Lautsprecher übertragen... Durch das abschneiden der Signalspitzen entstehen Oberwellen, diese Oberwellen sind das Problem.

Ich persönliche empfinde das experimentieren mit dem relativ hohem Sinus, für die Praxis als weniger sinnvoll. Das Problem für den Hochtöner in einem solchen Szenario sind doch die ersten Obertöne (da am meisten Energie) in Bezug auf die Grundfrequenz. Da der Hochtöner am Ende durch zu viel Leistung stirbt. Das Problem ist nicht das Rechteck, sondern die entstehenden Frequenzanteile.

Mickey Mouse hat das schon ganz gut dargestellt, #11.

@FooFighter

Ich habe deine Frage JETZT verstanden!

Eine Square Wave hat eine voltage ratio von 1, PEAK = RMS! (0dB Crest)
Eine Sine Wave hat eine voltage ratio: 1,44, PEAK 3dB ÜBER RMS. (3dB Crest)

Ein Verstärker der eine "Leistung" von 100W am Sinus bringt, könnte +3dB am Rechteck bringen.

Wolltest du darauf hinaus?

 

[FooFighter]

Eine Square Wave hat eine voltage ratio von 1, PEAK = RMS! (0dB Crest)
Eine Sine Wave hat eine voltage ratio: 1,44, PEAK 3dB ÜBER RMS. (3dB Crest)

Ein Verstärker der eine "Leistung" von 100W am Sinus bringt, könnte +3dB am Rechteck bringen.

Wolltest du darauf hinaus?

Danke für Dein Feedback. Ich glaube das hilft mir schon mal ein wenig weiter, ja. Danke.

Edit:

Was zur Veranschaulichung sicher spannend wäre, wäre ein "Musik-Frequnezspektrum" einmal ohne clippenden Amp, einmal mit.

Zurück zu meiner einleitenden Frage: Ein Rechteck-Signal führt bis zum max. 2 fachen an Energie, verglichen zum normalen Sinus. Also, wohin geht die Energie?

Im ersten Gedanken würde ich eine entsprechend "stark ausschlagende" Oberwelle erwarten. Im zweiten Gedanken glaube ich jedoch eher, d. alle Oberwellen zusammen bis zum max. 2fachen der Energie des "original Sinus" haben.

Es wäre toll (gewesen) den Gedanken mal von A bis Z komplett rund zu bekommen. Wie zum Beispiel leiten sich die Oberwellen vom Sinus ab, etc.

Das ganze wird jedoch messtechnisch vermutlich nur äußerst schwer zu belegen sein. Das ganze wird ja noch durch den clippenden Amp bzw. dessen Netzteil limitiert.

 

[Zwenner]

Was zur Veranschaulichung sicher spannend wäre, wäre ein "Musik-Frequnezspektrum" einmal ohne clippenden Amp, einmal mit.

http://sound.westhost.com/tweeters.htm

 

[FooFighter]

Merci

 

[Zwenner]

Mir stellt sich bei diesem Thema die Frage, was für einen defekten HT (in der Praxis!) beim clipping dafür verantwortlich ist, dass dieser stirbt. Sind es die anfallenden, zusätzlichen Oberwellen oder grundlegend die zu hohe Leistung?

Den ein übersteuernder Verstärker sollte doch vornehmlich durch peak clipping auffällig werden?
Ein permanent, stark übersteuernder Verstärker wird doch langfristig nicht betrieben?!
Da ein stark verzerrtes Klangbild einfach hörbar sein muss.

 

[Mickey Mouse]

wie bereits geschrieben, es ist das im Vergleich zu einem "normalen" Musik-Signal "verschobene" Frequenzspektrum zum Hochton hin (eben erhöhter Oberwellen Anteil).

Wenn du eine 3-Wege Box mit 100W Belastbarkeit hast, dann kann es gut sein, dass der Hochtöner nur so 5-10W ab kann.
Die Dinger sind ja komplett geschlossen, haben oft auch noch einen Metall-Deckel um den Magneten usw.
Sowas wie z.B. diesen Audax mit massiven Kühlrippen findet man doch nur sehr selten.

Eigentlich müsste man die entstehenden Verzerrungen hören, aber einige Leute nutzen auch Piezo-Hochtöner (die bekommt man nicht kaputt, die sind es schon wenn sie neu sind ) und hören keine Verzerrungen...
Bei einer Party geht das aber schnell. Man braucht sich ja auch nur mal die Spulen (die sollen ja auch so leicht wie möglich sein) angucken, ein Haar ist gegen den Draht da schon dick.

 

[Zwenner]

Ja sicherlich... nur mal ehrlich. Wieviel Leistung der Hochtöner bekommt ist die eine Sache, dass was er verträgt aber eine andere. Die Nennbelastbarkeit mit Hochpassfilter sollte deutlich über 5W bis 10W liegen. Standard 1" Hochton-Kalotte haben entsprechend gefiltert, eine angegebene Belastbarkeit von 30,40,50W aufwärts. Die 5W bis 10W sind doch praxisfremde Werte OHNE Frequenzweiche.

In meinem gepostetem Link sieht man das ja ganz gut. Da wird der HT bei 3kHz mit LRC getrennt. Bei 11,2V RMS, sind das da 3,7V RMS (also plus ms Peaks!) für den Hochtöner, in der Grafik "Without Clipping" sehe ich da schon Peaks über 10V (!). Beim leichten clipping sehe ich da auch noch keine wirklichen Probleme... 6,4V RMS über 20V ms Peaks.

Kritisch wird es beim starken clipping, weil hier die Peaks ÜBER 30V gehen, the amplifier has a supply voltage of ±30V. Daher kann man HTs nur mit wirklich stark übersteuernden Verstärkern grillen... bei dem "Slight Clipping" habe ich einen gain durch Oberwellen von around 10mV to an average of about 100mV, damit grille ich keinen HT.

Für mich verständlich gefährlich sind starke Oberwellen unterhalb der Trennfrequenz des HTs.

Nur ein stark übersteuernder Verstärker, erzeugt am Ende auch derartig starke Obewellen und komprimiert heftigst, dass am Ende die continuous power für den HT so hoch wird (Resultat), dass er stirbt.

EDIT:

Without Clipping
VRMS für den HT 3,7 / P=V²/R / bei 4 Ohm, 8Ohm = 3,42W, 1,71W RMS

Slight Clipping
VRMS für den HT 6,4 / P=V²/R / bei 4 Ohm, 8Ohm = 10,24W, 5,12W RMS

Moderate Clipping
VRMS für den HT 8,9 / P=V²/R / bei 4Ohm, 8Ohm = 19,80W, 9,90W RMS

In Figure 2A - Normal Signal, Without Clipping bekommt der HT wenn auch nur für ms Peaks von um die 12V... das wären 36W/18W je nach Nennimpedanz 4 vs 8 Ohm. So einfach kann man das in der Praxis natürlich nicht rechnen aber ich behaupte, eine normaler 1" Industrie-HT stirb bei 5W-10W RMS (mit 12dB HPF, sagen wir 2xfs) nicht.

Zur Kühlung... Ferrofluid - Abführung der Wärme über die Magnetpolplatte.
Und man finden auch ich preiswerten LS, sehr ordentliche LS-Konstrukte.

EDIT:
Was ich eigentlich damit sagen will: Eine klassischen HT - durch einen clippenden Verstärker unhörbar zu toasten, ist für meine Begriffe fast unmöglich...

 

[FooFighter]

Womit wir wieder bei der auslösenden Diskussion im eingangs verlinkten Beitrag wären.

Der Theorie hier folgend sollten die entsehenden Oberwellen immer weniger Energie führen als der normale Original-Sinus. Kommt also mein Verstärker ins Clipping, ich gebe Signale im Musikfrequenzspektrum wieder, sollte ein Sinus im Hochton in der Regel stärker sein, als die entsprechend "überspringenden" Oberwellen eines Mitteltonsignals.

In diesem Zusammenhang werde ich mir heute mal genauer anschauen, was passiert, wenn im Hochton Oberwelle und Sinus aufeinandertreffen. Das geht zwar auch aus dem von Dir verlinkten Beitrag hervor - ich möchte es mir trotzdem noch einmal anschauen.

Spannend wäre da auch die Frage, wie sich Oberwellen ausprägen, die erst am Ende des Frequenzspektrums entstehen. Wenn der Hochtöner em Ende seines Frequenzbereiches Klirr abbekommt.

Das ganze kann man auch in den ersten drei Grafiken meines Beitrages soweit erkennen. "k" bestimmt dort den Klirr, die Verzerrung. Wir von Zwenner beschrieben, fallen die Oberwellen bei kleinem Klirr entsprechend "leistungsschwach" (zumindest schwächer) aus (Vergleich Grafiken 2 und 3).

 

[Alliyah]

Jetzt muss ich mal dumm fragen:

Einerseits wird gesagt, wenn der HT zuviel Energie bekommt, dann wird er gegrillt.
Und das wird erreicht, wenn man einen zu schwachbrüstigen Verstärker nimmt.

Das klingt verwirrend ... ein zu schwacher Verstärker führt zuviel Energie an den HT.


Und jetzt die Frage ... verstehe ich es richtig, dass es sich wie folgt verhält:
Der schwache Verstärker kann innerhalb des Frequenzspektrums die Töne mit den Peaks nicht sauber wiedergeben, weil er nicht die Leistung hat bzw. nicht die kurzfristige Mehrleistung bringen kann, wenn mal ein starker lauter Ton kommt. Das heißt, der Ton kann nicht in seiner vollen Auslenkung gespielt werden sondern wird "abgeschnitten". Dadurch bilden sich im Diagramm dann diese "Tafelberge" (bis zum Extremfall eines Rechteckes). Dadurch liegt ein Hochton viel länger an (Tafelberg vs. Spitze bzw. Nadel) und der Hochtöner bekommt nicht nur einen kurzen Impuls, sondern einen langen (so lang wie der Tafelberg halt ist). Dadurch hat er zuviel Energie (obwohl der Verstärker zu wenig leistet) und der HT wird gegrillt.

Da man aber diese Tafelberge wunderbar hören sollte (das ist ja so ähnlich wie die "übermasterten" Musikproduktionen, wie z.B. Metallica mit Death Magnet im Loudless War, oder?), kann es eigentlich nicht vor kommen, dass man den HT hörend grillt.

 

[FooFighter]

Guten Abend Alliyah,

schön von Dir hier zu hören und danke für Deine Nachfrage.

Schaue Dir bitte noch einmal mein erstes Posting dazu hier an (also das Eingangsposting).

Das heißt, der Ton kann nicht in seiner vollen Auslenkung gespielt werden sondern wird "abgeschnitten".

Soweit richtig. Der Sinus wird abgeschnitten, desto stärker die Sinus-Verstärkerleistung überschritten wird.

Dadurch bilden sich im Diagramm dann diese "Tafelberge" (bis zum Extremfall eines Rechteckes).

Da beginnt glaube ich Dein Denkfehler. Das Sinus-Signal wird abgeschnitten. Das Sinus-Signal verbiegt sich bis zu einem Rechteck-Singal. Im Frequenzspektrum entstehen Oberwellen, "keine Rechtecke".

Dadurch liegt ein Hochton viel länger an

Im betrachteten Beispiel bleibt der Faktor Zeit unverändert. Das Sinus-Signal gewinnt in der "Fläche" an Energie.

Der Faktor Zeit wird auf der x-Achse in den obigen Grafiken gemessen. Und das bleibt ja unverändert.

....

Ich hoffe das habe ich soweit richtig verstanden.

....
Edith:

Ich ergänze das mal um zwei, drei Gedanken, die mir zu Anfang sehr geholfen haben, das ganze zu verstehen:

(sehr oberflächlich, sehr salopp, ... also bitte nicht in den falschen, technisch korrekten Hals bekommen)

1. Oberwellen entstehen im Frequenzspektrum immer oberhalb des Original-Sinus-Signals
2. Dadurch das es keine Oberwellen unterhalb des original Signals gibt, verdichten sich diese mit zunehmender Frequenz. (Das Frequenzspektrum verschiebt sich zum Hochton hin. Bitte beachte, Musik spielt recht breitbandig. Da kann dann jede Frequenz entsprechende Oberwellen auslösen und hat bildlich gesehen dann eine eigene "Schleppe" an Oberwellen zum Hochton hin).
3. Treffen unterschiedliche Oberwellen aufeinander, kommt vielleicht noch ein Originalsignal hinzu, gehe ich gegenwärtig von einer Summierung dieser aus. (Wobei Zwenners Beiträge da auch Bedenken auslösen).

 

[Zwenner]

Das Rechteck habe ich konstant, aber nur bei einer bestimmten Frequenz, am clipping point. Hier fällt die meiste Energie ab, da der Verstärker am Rechteck i.d.R. deutlich mehr bursten kann, als die angegebene Leistung.

Im schlimmsten Fall, wir hier die max Peak- (abhängig von der Versorgungsspannung) zur Dauerleistung. Ein stark übersteuernder Verstärker macht nichts anderes, als den Crest im Signal zu komprimieren (!). Der Verstärker wird gezwungen, eine Dauerleistung zu liefern, die er verzerrungsfrei nicht bereitstellen kann. Durch die harmonischen wird die RMS-Leistung für den betreffenden Lautsprecher aber dennoch mehr oder weniger höher, eben durch die erzeugten Oberwellen, durch´s clippen.

Eigentlich ist clipping "nur" ein übersteuern des Eingangs. Der Verstärker hat immer die selbe Leistung. Das Resultat ist eigentlich frequency distortion (Abschneiden und erzeugen von Oberwellen).

Wieviel Energie die zusätzlichen Oberwellen erzeugen, ist davon abhängig - wie stark der Verstärker übersteuert... Ob man die resultierenden Oberwellen, die Verzerrung hören muss ist davon abhängig wo der clipping point liegt und wie stark übersteuert wird. Ein kurzzeitiges Peak-Clipping im Bass, muss man nicht hören.

Einfach:
Die maximale Peakleistung ist u.a. von der Versorgungsspannung abhängig. Liegt die Versorgungsspannung bei +/-40V - habe ich am Rechteck im schlimmsten Fall... 40V.

Ein Sinus hat 3dB Crest. - Also liegt die Dauerleistung 3dB unter Peak. Der Verstärker kann theoretisch 3dB mehr am Rechteck bringen., da ein Rechteck kein Crest hat.

Trafo - Gleichrichter - Ladeelkos, die Elkos bringen DC zur Ausgangsstufe.

Nicht clippender amp: 30V Peak = VRMS * 0,707 = 21,21V, am Sinus
clippender amp: 30V PEAK = 30V RMS, da Rechteck

Am clipping point wird das Sinus zum Rechteck, es liegen nicht 30V kurz, sondern länger an.
Habe ich nun das Rechteck, gilt peak V x 0.707 = RMS nicht mehr, da kein Sinus vorhanden.

Am Sinus 21,21V*21,21V/8R = 56,2W (30V Peaks, 112,5W)
Am Rechteck (DAS ergibt sich durch Clipping): 30V*30V/8R = 112,5W

DAS passiert aber NUR - wenn der Verstärker stark übersteuert.
Dafür muss der amp die 3dB Crest im Sinus auf 0 komprimieren!
Mit anderen Worten, power compression = 3dB.

Jetzt zur Praxis, Musik ist kein Sinus. Musik hat IMMMER mehr Crest als 3dB.
Sagen wir, 10dB. Peak 10dB over RMS.

Peak maximal - 112,5W an 8Ohm. Durch 10 gleich 11,25W RMS. Davon bekommt der HT (bei Musik!) eventuell 10% - 1,125W. Sagen wir der HT geht bei dauerhaft (!) 10W kaputt. Dann müssten die Oberwellen 10dB drauf packen... rund die 10-fache Leistung oder die 3-fache Spannung.

Ergo: Clipping (Abschneiden, Rechteck) im HT-Bereich (sagen wir 4kHz) zerstört diesen i.d.R. sofort.

EDIT:
Das was an zusätzlicher Oberwellen-Energie durch das Clipping erzeugt wird, muss summiert werden. Clippingpoint 1Khz, die entsprechenden Oberwellen werden auf die RMS-Leistung des Hochtöners draufgedrückt. Dadurch entsteht mehr Energie für den Hochtöner, mehr RMS als wenn der Verstärker nicht clippen würde.

Praxis... ich treibe einen Verstärker bei Musik bei 1kHz ins clipping... sehr unwahrscheinlich?

PS: Es ist denkbar das der 50W Sinus an 8Ohm Verstärker an dem 4Ohm HT die 4-fache Leistung am clipping point abgibt, 200W. - 30V*30V/4R = 225W

Die Boxen haben am clippenden Verstärker zwei spezielle Feinde.
Niedrige Impedanz, Material mit kleinem Crest.

Denn komprimiert der amp 3dB von 6dB Crest im Musiksignal, bleiben 3dB über.
Hier ist es denkbar das mehrere clipping punkte entstehen... ergo Vmax an mehren Punkten.

Heavy clipping ist +dB über clippen! Mit anderen Worten bei 6dB power compression macht der amp aus dem Musikmaterial (6dB Crest) ein Art Gleit-Sinus. Hätte die Musik 20dB Crest, bleiben noch 14dB über.

Musik mit 20dB Crest ist für gewöhnlich Musik mit Bass.
Wo da dann der clipping point liegt, kann man sehr gut abschätzen...