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Schaltungsanordnung zur Kompensation des Spannungsabfalls an einem
Lautsprecher Die Erfindung betriff.t-eine Schaltungsanordnung zur Kompensation eines
Spannungsabfalls am ohmschen Widerstand eines an einem Verstärker angeschlossenen
Lautsprechers.
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Dynamische Lautsprecher bestehen aus einer Membrane und einer damit
verbundenen antriebsspule, die sich in einem homogenen Magnetfeld befindet. Eine
an die Antriebsspule 9ngelegte ;Wechselspannung bewirkt eine Bewegung-der Antriebsspule.
Der Verlauf. dieser Bewegung ist so, daß eine in der Antriebsspule induzierte Gegen-EMK
gleich de anliegenden - Wechselspannung abzüglich eines Spannungsabfalles an einem
ohmschen Widerstand RL der Antriebsspule ist. Dieser Spannungsabfall ist dem durch
die Antriebsspule fließenden Strom proportional, und damit wird die Bewegung der
Antriebsspule auch von dem durch die Antriebssrule fließenden Strom abhängig. Es
ist so, als würde eine der angelegen Spannung genau folgen über einen Vorwiderstand
betrieben. An dieser Vorstellung wird
im folgenden festgehalten,
wobei mit La die Antriebsspule bezeichnet wird. Der Vorwiderstand ist gleich dem
ohmschen Widerstand RL der Antriebsspule. Der Widerstand der Zuleitung und der Innenwiderstand
eines Verstärkers liegen in Reihe zum Widerstand RL und werden im folgenden der
Einfachheit halber zum Widerstand RL zugeschlagen.
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Der Strom durch die Antriebsspule ist proportional der Kraft, die
von der Spule bei der Bewegung aufgebracht werden muß.
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Bei einer geschlossenen Lautsprecherbox wird bei gleich bleibender
Amplitude einer Eingangs spannung die Amplitude eines Innendrucks mit sinkender
Frequenz erhöht. Damit wirkt bei tiefen Frequenzen auf die Membran ein erhöhter
Gegendruck, der einen erhöhten Strom durch die Antriebsspule La erfordert.
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Am Widerstand RL entsteht dadurch ein erhöhter Spannungsabfall, der
die Amplitude der Spulen- und Membranschwingung verkleinert. Bür die Ubertragung
tiefer Frequenzen sind deshalb Lautsprecherboxen mit sehr. grnßem Volumen erforderlich,
bei denen der entgegenwirkende Innendruck und damit die zusätzliche Stromaufnahme
klein bleiben.
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Weitere Belastungsschwankungen ergeben sich durch Resonanzen: Eigenresonanz
des schwingenden Systems, schwache Resonanzen (der Luftsäule) im Innern der Lautsprecherbox
trotz der Därapfung und Resonanz des beschallten Raumes. Diese Belastungsschwankungen
bewirken ebenfalls Strom- und damit Amplitudenschwankungen.
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Der Widerstand RL bringt noch einen weiteren Nachteil. Bei Impulsbetrieb
sind eine Zeitkonstante des Anstiegs und des Abfalls und ein Uberschwingen abhängig
vom Widerstand RL, da die Beschleunigungs- und Bremskräfte wieder Ströme durch den
Vorwiderstand RL bedingen Die Form der Bewegung der Antriebsspule L weicht von der
Form eines angelegten Spannungsimpulses um so mehr ab, Je größer der Widerstand
RL ist.
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Die aufgeführten nachteiligen Auswirkungen des Widerstaiis RL können
durch ein bekanntes, in die Praxis bereits eingeführtes Servo-System auf eine kleinen
Teil ihres ursprünglichen Wertes reduziert werden. Beim Servo-System ist mit der
Antriebsspule La des Lautsprechers eine Meßspule mechanisch verbunden, die ebenfalls
in einem homogenen Magnetfeld angeordnet ist. Die in der Meßspule induzierte EMK
entspricht damit genau der Bewegung der Antriebs- und der Meßspulen und der Membran
des Lautsprechers. Diese EMK wird dem Verstärker als Cegenkopplung zugefiErt. Das
ganze System kann als Regelkreis aufgefaßt werden. Eine in der Meßspule induzierte
Spannung entspricht einem Istwert, eine Verstärker-Eingangsspannung einer Führungsgröße.
Die Meßspule besitzt ein gewisses Gewicht und die nechanische Kopplung zur Antriebsspule
La ist nicht beliebig starr. Eine dadurch bei höheren Frequenzen bedingte Phasenverschiebung
und weitere Laufzeiten im gesamten Regelkreis erlauben keine zu hohe Kreisverstärkung,
damit keine selbsterregte Schwingung erzeugt wird. Es passen sich deshalb die störenden
Wirkungen des Widerstandes RL'nur, teilweise kompensieren.
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Der Lautsprecher eines Servo-Systems ist wegen/der Zusatzteile verhältnismäßig
teuer und das zusätzliche Gewicht des schwingenden Systems erfordc-rt bei höheren
Frequenzen zusätzliche Leistung.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, den Spannungsabfall am ohmaschen Widerstand
des Lautsprechers, zu kompensieren, ohne, zusätzliche Kompensationsbauelemente am
Lautsprecher anbringen zu müssen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß zwischen dem Verstärker
und dem Lautsprecher ein Serienwiderstand geschaltet ist und daß eine Rückführschaltung
wenigstens einen Teil einer Spannung am Serienwiderstand
einem
Eingang des Verstärkers zuführt und hierdurch eine Eingangs spannung des Lautsprechers
um den Spannungsabfall am ohmschen Widerstand erhöht.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, handelsübliche
Lautsprecher ohnc teure's Servosystem vervellden zu könnc?n. Da ein zusätzliches
Gewicht am schwingenden System bewegt worden muß, ist bei herein Frequenzen auch
keine zus-tzlicr-c Leistung erforderlich. Die Erfindung läßt sich durch rein schaltungstechnische
Maßnahmen am Verstärker verwirklichen.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert
werden. Hierbei zeigt: Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Kompensationsschaltung, Fig. 2 eine Ausführungsform der Kompensationsschaltung uld
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Kompensationsschaltung.
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Das Prinzip einer Kompensationsschaltung ist in Fig. 1 gezeigt. Ein
Umsetzer U liefert an einem Ausgang eine Spannung, die einem von einem Verstärker
V zu einem Lautsprecher L fließenden Strom proportional ist. Diese Spannung wird
einem zweiten Eingang des Verstärkers V zugeführt und bewirkt dadurch eine Erhöhung
der am Lautsprecher L anliegenden Spannung.
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Der Umsetzer U und der Verstärker V sind so dimensioniert, daß diese
Erhöhung der Spannung einem Spannungsabfall an einem ohmschen Widerstand RL des
Lautsprechers L einschließlich einer Zuleitung entspricht.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform dieser Kompensations-Schaltung.
Ein Operationsverstärker OP 1 nimmt mit einem invertierenden Eingang über einen
Widerstand R1 die zu
verstärkende Spannung u1 auf. Er ist mit seinem
Ausgang über einen Serienwiderstand R5 mit einem ohmschen Widerstand RI und dem
Lautsprecher L verbundene Der ohmsche Widerstand RL umfaßt einon Innenwiderstand
des Lautsprechers L, die Verlustwiderstände der Zuleitrn'Igen und einen Innenwiderstand
des gesamten Verstärkers. Ein Gegenkopplungswid-erstand R2 verbindet den invertierenden
Eingang mit einem nicht an den Ausgang des Operationsverstärkers OP 1 angeschlossenen
Anschluß des Serienwi-derstandes R , Ein invertierender Eingang + des Operationsverstärkers
OP 1 ist über einen Widerstand R4 mit Masse verbunden. Ein weiterer Operationsverstärker
OP 2 ist in einer Rückführschaltung mit einem invertierenden Eingang über einen
Widerstand R6 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP 1 und über einen Gegenkopplungswiderstand
R7 mit seinem Ausgang verbunden. Der nicht invertierender Eingang des weiteren Operationsverstärkers
OP 2 ist über cinen Widerstand R8 mit dem nicht an den Ausgang des Operationsverstärkers
OP 1 angeschlossenen Anschluß des Serienwiderstandes und über einen Widerstand R9
mit Masse verbunden. Der Ausgang des weiteren Operationsverstärkers OP 2 ist über
einen Widerstand R3 an den invertierenten Eingang des Operationsverstärkers OP 1
angeschlossen. Eine Spannung uL am Lautsprecher L soll einer Eingangsspannung ül
proportional sein, unabhängig von der Größe eines durch den Widerstand RL und den
Lautsprecher L fließenden Stromes. Wenn sich die Größe der Widerstände R6, R7, R8
und R9 wie
Verhält und ein Strom durch den Widerstand R5 gleich dem Strom durch den Widerstand
RL gesetzt wird (die Abweichung ist sehr gering, da der Widerstand R2 und der Widerstand
R8 um einige Größenordnungen größer sind als der Widerstand R5 und der Widerstand
RL), erhält man die gewünschte Kompensation, wenn der Widerstand R5 entsprechend
gewählt wird, dabei ist die Verstärkung
Bei der Schaltung nach Fig. 3 erfordert die Rückführschaltung keinen zusätzlichen
Operationsverstärker. In dieser Schaltungsanordnung nimmt ein Operationsverstärker
OP 3 mit einem nicht invertierenden Eingang + die zu verstärkende Spannung u1 über
einen Widerstand R10 auf. Ein Widerstand R11 verbindet den nicht invertierenden
Eingang + mit einem Ausgang des Operationsverstärkers OP 3. Der Serienwiderstand
R verbindet wieder den Ausgang des Operationsverstärkers OP 3 mit der gedachten
Serienschaltung aus dem ohmschen Widerstand RL und dem Laut-.
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sprecher L. Ein invertierender Eingang des Operationsverstärkeres
OP 3 ist in einer Gegenkopplungsschaltung über einen Widerstand R13 mit dem nicht
an den Ausgang des Operatior.sverstärkers OP 3 angeschlossenen Anschluß des Serienwiderstandes
R5 und über einen Widerstand R12 mit Masse verbunden.
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Diese Cegenkopplungssch'ltung verkleinert die Gleichtakt-Spannung
an den Eingängen des Operationsverstärkers OP 3.
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Wenn der Strom durch den Widerstand R5 wie im vorigen Beispiel gleich
dem Strom durch den Widerstand RL gesetzt wird, erhält man Kompensation, wenn R5
= RL.
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ist.
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Hierbei
und
Die Verstärkung ist dann gleich
In den Kompensationsschaltungen nach Fig. 2 und 3 ist der Widerstand KL zum gröEten
Teil der aus Kupfer bestehende ohmsche Widerstand der Schwingspule. 5 gen des positiven
Temperaturkoeffizienten von Kupfer vergrößert sich bei einer Temperaturerhöhung
der Wert des Widerstandes RL. Diese Vergrößerung wird bei konstanten Widerstand
R5 nicht kompensiert. Wird fiir den Widerstand R5 ein Widerstand mit gleichem Temperaturkoeffizienten
wie für den Widerstand RL gewählt, dann bleibt eine auf die Widerstände RL und R5
gemeinsam wirkende Schwankung der Umgebungstemperatur ohne Einfluß auf die Kompensation.
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Eine durch Verlustwärme in RL entstehende zusätzliche Widerstandserhöhung
kann nur dann kompensiert werden, wenn die Widerstände R5 und RL thermisch verkoppelt
sind, z.B. durch 3 R und RL Anbringen des Widerstandes R5 als Bifilarwicklung auf
einem Körper der Antriebsspule.
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Für die Verstärker in Fig. 2 und Fig. 3 wurden zum Zwecke einer besseren
Verständlich1eit Operationsverstärker vorgesehen. Hierdurch wird auch die formale
Beschreibung der Kompensationsbedingungen einfacher als bei Verwendung von Verstärkern
mit geringer Verstärkung im unbeschalteten Zustand. Die Kompensation kann auch mit
solchen Verstärkern erreicht werden, die im unDeschalteten Zustand nur eine so geringe
Verstärkung aufweisen, daß sie nicht als Operationsverstärker bezeichnet werden
können. In diesem Fall müßte bei der formalen Beschreibung der Kompensationsbedingungen
auch die Verstärkung im unbeschalteten Zustand angegeben werden. Bei dem heutigen
Stand der Technik ist es vertretbar, integrierte Operationsverstärker zu verwenden
und dadurch eine
bessere Übersichtlichkeit zu erzielen. In diesem
Fall sind der Verstärker OP 1 in Fig. 2 und der Verstärker OP 3 iri Fig. 3 Operationsverstärker
mit nacllgeschaltetem I.eistung3verstärker.
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Bei der Schaltung nach Fig. 3 geht der Innenwiderstand einer vorausgehenden
Stufe in die Kompensationsbedingungen mit ein.
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Es ist deshalb zweckmäßig, für die vorausgehende Stufe einen als Spannungsfolger
geschalteten Operationsverstärker zu verwenden.
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Bei Mehrkanal-Lautspechen ist es sinnvoll, für jeden Kanal einen getrennten
Verstärker vorzusehen und die Frequenztrennung mit aktiven Filtern vor der Kompensation
in jeweiligen Endstufen durchzuführen.