XLR / Symmetrie / Balanced

Die Grundbegriffe der HiFi-Technik

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Erzkanzler
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XLR / Symmetrie / Balanced

Beitrag von Erzkanzler »

Moinsen Zusammen,

anbei ein sehr schöner Artikel von David Messinger über die Grundzüge der symmetrischen Signalverabeitung:

SYMMETRISCH UND UNSYMMETRISCH
Symmetrische Signalführung und symmetrisches Schaltungskonzept - das Eine hat mit dem Anderen nichts zu tun!

DIE SYMMETRISCHE SIGNALFÜHRUNG
Im Normalfall werden HiFi Elektronikkomponenten mittels Cinchkabel miteinander verbunden. Diese Verbindung wird als unsymmetrisch bezeichnet. Ein Pol überträgt das Audiosignal und der andere liegt an einer zentralen Audiomasse. Solange kurze Kabel zur Anwendung kommen und die gesamte Anlage an einer gemeinsamen Netzversorgung angeschlossen ist, funktioniert diese Verbindung tadellos. Kritisch kann es bei der Verwendung von langen Kabeln werden und wenn die Geräte von unterschiedlichen Netzversorgungen ihren Strom beziehen. Brummen, Rauschen und Knackgeräusche, teilweise sogar Verzerrungen können die Folge sein. Um das zu verhindern, haben manche CD-Player (teilweise auch Tuner) der gehobenen Preisklasse zusätzlich zu den Cinchbuchsen XLR-Anschlüsse für die symmetrische Weiterverarbeitung ihrer Ausgangssignale eingebaut. Bei der symmetrischen Leitungsführung gibt es keinen Massebezugspunkt. Es gibt zwei Pole, einer davon überträgt das "normale" (nicht invertierte) Tonsignal und der zweite das dazu "spiegelverkehrte" (invertierte), also um 180 Grad phasengedrehte Tonsignal. Der dritte Pol liegt an Masse und dient nur zur Abschirmung. Die symmetrische Übertragung hat den entscheidenden Vorteil, dass Störungen die von außen auf das Kabel einwirken, sich zwischen den Signalleitungen gegenseitig aufheben. Nicht ohne Grund ist das die (analoge) Standardverbindung, welche in den Tonstudios zur Anwendung kommt.

DAS SYMMETRISCHE SCHALTUNGSKONZEPT
Jede akustische Schallschwingung - in mechanischer oder elektrischer Form vorliegend - bewegt sich um eine Null -Zeitachse. Es gibt demnach positive- und negative Halbwellen. In einem Verstärker werden die elektrischen Schwingungen in der Regel von zwei zueinander spiegelverkehrt angeordneten Schaltungskreisen verstärkt. Basis so einer Schaltung sind zwei verstärkende Elemente (Transistoren oder Röhren), die "in Reihe" zusammen geschaltet werden. An den äußeren Enden dieser Anordnung (an den Kollektoren bzw. Anoden) wird jeweils ein Plus- und ein Minuspol der Spannungsversorgung angelegt. Diese Art der Zusammenschaltung wird "Gegentaktschaltung" genannt. Man findet sie heute in praktisch allen Verstärkern, auch in den billigsten. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden sich im Gegentakt befindlichen Transistoren oder Röhren (an den Emittoren bzw. Kathoden) ergibt sich ohne Aussteuerung ein elektrisches Nullpotential. Dieses Potential ändert sich (oszilliert) abwechselnd in Richtung Plus und Minus, analog zum elektrischen Signal, das am Eingang anliegt. Bei einer Endstufe wird an diesem Punkt der (meist rote) Pluspol einer Lautsprecherbox (eigentlich der passiven Frequenzweiche) angeschlossen. Der (meist schwarze) Pol am Ausgang des Verstärkers ist dessen schaltungstechnischer Bezugspunkt bzw. dessen fixes Nullpotential, er wird mit dem zweiten Anschluss der Box verbunden. An diesem Punkt werden auch alle sich in der Box befindlichen Lautsprecherchassis mit einem Ende ihrer Schwingspule angeschlossen. Die Lautsprecher werden also unsymmetrisch betrieben.
Bemerkung: wir haben es bisher bewusst vermieden, den schwarzen Pol einer Endstufe- oder einer Box mit "Minus" zu bezeichnen, weil diese Bezeichnung im Grunde genommen falsch ist. An diesem Pol liegt (Ausnahme Brückenschaltung) keine (Minus-) Spannung an!

Bild
"Klassische" Schaltung einer Endstufe mit symmetrischem Eingang und Gegentaktschaltung im Ausgang (Accuphase)

GETRENNTE VERSTÄRKERZÜGE IM GERÄT - DER "KÖNIGSWEG"
Manche High-End Verstärker arbeiten mit zwei getrennten Verstärkerzügen pro Kanal. Einer davon verstärkt das nicht invertierte (das unveränderte) und einer das invertierte (das um 180 Grad phasengedrehte) Signal einer symmetrischen Signalquelle. Diese doppelte Signalführung ist recht aufwändig und schon deshalb teuer, weil dazu auch exakt der doppelte Materialeinsatz notwendig wird. Zur perfekten Funktion ist es besonders wichtig, dass beide Verstärkerzüge möglichst synchron arbeiten. In diesem Zusammenhang wird die Lautstärkeregelung zu einem zentralen Thema, denn hier müssen vier Ebenen mit möglichst geringen Pegelunterschieden zueinander geregelt werden. Jede Ungenauigkeit zwischen den beiden Polen eines Kanals führt zu Gleichspannungsanteilen, die Verzerrungen hervorrufen können. Dieses Problem kann mit einer elektronischen Lautstärkeregelung leicht gelöst werden. Mit Potentiometern ist das schon schwieriger, weil diese immer relativ große Toleranzen zwischen den einzelnen Schleiferbahnen aufweisen.
Die symmetrische Signalverarbeitung findet man meist nur in recht teuren Vorverstärkern, wo sich der doppelte Materialeinsatz noch in Grenzen hält. Bei Endstufen, selbst im absoluten High-End Bereich, wird davon sehr selten Gebrauch gemacht, weil der hohe technische Aufwand (dazu müssen pro Kanal zwei Endverstärker in Brücke geschaltet werden) keine positiven Auswirkungen beim Anschluss einer passiven Lautsprecherbox mit sich bringt. Auch messtechnisch verbessert sich nichts. Genau genommen ist sogar das Gegenteil der Fall, weil der Dämpfungsfaktor sich halbiert. Allerdings erhöht sich die Ausgangsleistung recht ordentlich (im Idealfall um den vierfachen Wert), aber das ist nur dann hilfreich, wenn wenig Betriebsspannung zur Verfügung steht (z.B. im Auto).

Das Vorhandensein von XLR-Buchsen an einem Verstärker ist aber kein Indiz dafür, dass die Verstärkung im Gerät zweizügig erfolgt! In den meisten Fällen werden beide Signale mittels einer einfachen Schaltung zusammengeführt und einzügig verstärkt. Wenn so ein Gerät auch ausgangsseitig XLR-Buchsen besitzt, wird das Signal dann kurz vor dem Ausgang wieder symmetriert.
Bei einer Endstufe mit XLR-Eingang ist das ähnlich, dort wird das Signal aber am Ausgang unsymmetrisch ausgegeben. So passt es auch mit der Frequenzweiche einer passiven Lautsprecherbox am Besten zusammen. Nur bei einer gebrückten Endstufe wird das Signal vom Eingang bis zum Ausgang doppelt geführt. Es gibt aber im HiFi-Bereich nur einen Anwendungsfall, wo sich dieser Schaltungsaufwand tatsächlich lohnt, nämlich beim aktiven Boxenkonzept, denn nur dort werden die Endverstärker direkt an die Lautsprecherchassis angeschlossen.

Die passive Frequenzweiche einer Lautsprecherbox verhindert das konsequente Durchziehen eines symmetrisch aufbereiteten Tonsignals von der Quelle bis zu den Lautsprecherchassis - EINE AKTIVE FREQUENZWEICHE ABER AUCH! Hier die Erklärung: eine aktive Frequenzweiche beinhaltet mehrere Hoch- und Tiefpassfilter. Sie arbeitet im Niederspannungsbereich mit aktiven Schaltungen. Wenn sie auf analoger Basis konstruiert wurde, spielen die Frequenz bestimmenden Bauteile (Widerstände, Kondensatoren, eventuell auch Spulen) eine entscheidende Rolle für die exakte Funktion der Filter. Dazu werden Bauteile mit geringen Toleranzen verwendet. Die Schaltung einer aktiven Frequenzweiche ist aber ebenso unsymmetrisch wie die einer passiven! Bei einer (theoretisch möglichen) symmetrischen Schaltungsauslegung müssten die Toleranzen der Bauteile für die dann notwendigen zwei Verstärkerzüge extrem genau selektiert werden. Der Bauteile- und Zeitaufwand wäre enorm, der klangliche Gewinn vermutlich nicht hörbar!

ZUSAMMENFASSUNG

Ein symmetrisches Schaltungskonzept ist bei modernen Geräten längst Standard.
Geräte, welche "echte" symmetrische (zweizügige) Signalverarbeitung beinhalten, sind aufwändig gebaut, eindeutige klangliche Vorteile ergeben sich dadurch aber nicht.
Endstufen haben immer ein symmetrisches Schaltungskonzept, trotzdem ist ihr Ausgang im Normalfall unsymmetrisch. Nur wenn zwei Endstufen "in Brücke" geschaltet werden, ist ihr gemeinsames Ausgangssignal tatsächlich symmetrisch und beide Pole (Plus und Minus) sind signal- bzw. spannungsführend.
In einer passiven Lautsprecherbox wird ein bis dahin symmetrisch verstärktes Tonsignal unsymmetrisch weiter verarbeitet.
Auch beim aktiven Boxenkonzept lässt sich die symmetrische Signalverarbeitung nicht konsequent von der Quelle bis zur Lautsprecherbox durchziehen, weil die aktive Frequenzweiche das verhindert.
Symmetrische NF-Verbindungskabel haben bei größeren Längen Vorteile, weil sie weniger störanfällig sind. In einem Tonstudio macht das durchaus Sinn, bei Geräten für den Heimbetrieb und den meist nur sehr kurzen Verbindungskabeln ergibt sich dadurch kein nennenswerter Vorteil.

Achtung! Dieser Artikel wurde zur Gänze von David Messinger erstellt. Es ist nicht gestattet, diesen ganz oder auch nur Teile davon zu kopieren und in fremde Homepages einzufügen, so als wenn der Verfasser ein anderer wäre!
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Den Original-Artikel gibt es hier:
http://www.hifiaktiv.at/diverses/symmet ... trisch.htm

Später mehr.

Grüße
Martin
If music be the food of love, play on. (William Shakespeare)
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