Informations- und Kommunikationstechnik

Die Zobel- oder Boucherot-Schaltung

Viele Audioendverstärker zeigen im Schaltbild parallel zum Lautsprecherausgang eine RC-Reihenschaltung. Der Widerstand hat Werte zwischen 10 ... 100 Ω und ist für eine höhere Verlustleistung ausgelegt. Der Kondensator hat einen Wert zwischen 10 ... 100 nF, wobei es sich meist um einen Folienkondensator handelt.

Die RC-Kombination wird Zobelglied oder Boucherot-Schaltung genannt. Sind keine Lautsprecher angeschlossen, so stellt sie für den Verstärker die Ausgangslast dar. Verfügt die Endstufe über Emitterwiderstände, so bestimmen diese mit 0,33 ... 0,5 Ω den Innenwiderstand der Endstufe. Er bildet mit dem Zobelglied einen von der Frequenz abhängigen Spannungsteiler mit Tiefpasseigenschaften. Im Bereich hoher Frequenzen ist der Kondensator der Boucherot-Schaltung so niederohmig, dass die Ausgangsamplitude an den Lautsprecheranschlüssen nur vom ohmschen Widerstandsverhältnis bestimmt wird.

Um bei der Frequenzanalyse einer Schaltungssimulation anschauliche Ergebnisse zu erhalten, wird für den Innenwiderstand des Verstärkers der höhere Wert und beim Zobelglied der kleinere Wert gewählt. Bis zur Frequenz von 20 kHz ist im Zobelglied XC » R und die Ausgangsamplitude entspricht der von U0. Ab 1 MHz ist XC≈0 und die Ausgangsspannung wird im Verhältnis R / (R + Ri) = 0,952 geteilt.

Die Bandbreite guter Audioendstufen mit Endverstärkern in integrierter Schaltungstechnik erreicht 100 kHz. Mit Transistoren diskret aufgebaute Endstufen können weitaus höhere Bandbreiten erreichen. In keinem Fall wird der hohe Frequenzbereich mit der Nennleistung abgegeben. Jeder Verstärker ist im Signalweg rückgekoppelt, oftmals vom Ausgang auf den Eingang. Das Zobelglied kann den Verstärker vor zu hohen Ausgangsfrequenzen schützen.

Zu den in Verstärkerstufen absichtlich eingebauten frequenzabhängigen Baugruppen erzeugen Halbleiter intern an ihren pn-Übergängen Phasenverschiebungen. Unbeabsichtigt können höherfrequente elektromagnetische Einstreuungen auf den Verstärker zu Mitkopplungseffekten führen. Oberhalb der Grenzfrequenz kann die beabsichtigte Gegenkopplung durch die Phasenverschiebung bestimmter Frequenzbereiche immer weiter in Richtung einer Mitkopplung gelangen. Ohne einen Tiefpassschutz könnten daher hohe Frequenzen über die bestehende und notwendige Signalrückkopplung den Verstärker zum unkontrollierten Schwingen mit möglicher Selbstzerstörung anregen.

Zobelglied mit AC-Frequenzgang

Die Boucherot-Schaltung zur Linearisierung der Lautsprecherimpedanz

Ein dynamischer Lautsprecher, der an einen Audioverstärker angeschlossener wird, belastet diesen mit einer RL-Reihenschaltung. Die angeregte Schwingspule ist nicht nur Verbraucher, sondern gleichzeitig auch Generator. Im Ausgangskreis fließt zusätzlicher Blindstrom. Wie an anderer Stelle beschrieben ist, wird durch die Lautsprecherinduktivität die Ausgangsbelastung frequenzabhängig.

Im Angebot für Audiozubehör findet man spezielle externe Filter, Zobelglieder mit dem Hinweis, dass diese die induktiven Blindströme kompensieren sollen. Die Impedanzkennlinie der Lautsprecher soll mit den nicht gerade preisgünstigen Filtern wieder linearisiert werden. Elektrotechnisch und mathematisch nachweisbar kann eine optimale Kompensation nur für eine feste Frequenz erfolgen, bei der XC gleich XL ist. Unter diesen Voraussetzungen kann bei gleichen Wirkwiderstandswerten für eine Lautsprecherinduktivität die dazu passende Kapazität des Zobelglieds auch errechnet werden.

Die Simulationsschaltung einer Endstufe mit serienmäßig vorhandenem Zobelglied wird mit einer RL-Serienschaltung belastet. Sie entspricht einem Lautsprecherwiderstand von 8 Ω. Für die Induktivität der Lautsprecherspule werden in Anlehnung an ein Messprotokoll 300 µH angenommen. Der Generatoreffekt der schwingenden Membran konnte in der Simulation nicht erfasst werden.

Zobelglied mit Belastung durch Lautsprecher, AC-Frequenzgang

Das Diagramm zeigt drei Messkurven. Die rote Vergleichs- und Bezugskurve ist der Amplitudenfrequenzgang des Verstärkerausgangs, der ohne Zobelglied nur mit der Lautsprechernachbildung belastet wurde. Der blaue Kurvenzug ergibt sich mit dem Zobelglied und der links dargestellten Schaltungsdimensionierung. Die grüne Kurve ist das Ergebnis bei der Verwendung eines speziell für die Lautsprecherwerte dimensionierten Zobelglieds. Der Wert des Kompensationskondensators wurde zu 4,7 µF errechnet.

Eine Linearisierung der Lautsprecherimpedanz mit dem serienmäßigen Zobelglied ist nicht zu erkennen. Die Ausgangsspannung nimmt aufgrund der induktiven Last zu höheren Frequenzen hin zu. Das Zobelglied dämpft wie am Anfang im ersten Diagramm bei unbelastetem Ausgang, ab 30 kHz die Ausgangsamplitude. Erst mit dem speziell berechneten Zobelglied kann eine recht gute Linearisierung der Lautsprecherimpedanz erreicht werden. Im grünen Kurvenzug nimmt die Ausgangsspannung bedingt durch den induktiven Blindwiderstand des Lautsprechers nur noch um 1% zu.

Die Boucherot-Schaltung zur Verbesserung der Klangeigenschaft einer Lautsprecherleitung

Jede elektrische Leitung hat neben dem ohmschen Wirkwiderstand noch induktive und kapazitive Eigenschaften. Insgesamt hat sie Tiefpasscharakter, der aber erst in Anwendungen mit hochfrequenten Signalen an Einfluss gewinnt.

Audiospezialisten meinen unter anderem, dass die Induktivität der Lautsprecherzuleitung negative Auswirkungen auf den Klang hat. So soll eine zu große Induktivität den Bass verlangsamen und ausdünnen und die Höhen zu leise darstellen, wodurch die Dynamik abnimmt. Hin und wieder wird auch der Skineffekt für einen schlechteren Klang verantwortlich gemacht. Besonders konfektionierte Lautsprecherleitungen sollen dem entgegen wirken. Es wird versprochen, dass der Einsatz einer edel gestalteten und damit teuren Zobel- oder Boucherot-Schaltung, die als separates Filter angeboten wird, Abhilfe schaffen kann. Mit dem Filter soll das Musikspektrum einen höheren Kontrast haben sowie lebendiger und räumlicher klingen. Die sprachlichen Zischlaute, das sind immer hohe Frequenzgemische, sollen gemildert werden.

Werbelastigen Verkaufsaussagen vertraue ich selber erstmal nur wenig. Es ist richtig, dass der induktive Blindwiderstand der Leitung Signale höherer Frequenzen dämpft. Die Grenzfrequenz der Leitung verschiebt sich entsprechend ihrem Tiefpasscharakter in den Bereich tieferer Frequenzen.

Angenommen, ein Lautsprechersystem mit der Impedanz 4 Ω wird an einen Verstärker angeschlossen. Die Zuleitung soll für Signale um 20 kHz einen schädlichen induktiven Widerstand von nur 0,5 Ω haben. Die Induktivität der Leitung müsste dann L = 4 µH betragen. Bei tiefen Frequenzen geht der induktive Widerstand gegen null. Den Bass ausdünnen, bedeutet entweder einige Frequenzbereiche oder den gesamten Bassbereich zu dämpfen. Diese Aussage lässt sich mithilfe einer schädlichen Leitungsinduktivität nicht erklären. Die Serien-Blindkomponente XL ist bei tiefen Frequenzen nicht wirksam.

Den Bass verlangsamen bedeutet diese Frequenzbereiche mit einer negativen Phasenverschiebung zu den anderen Frequenzen zu versehen. Das ist nur möglich, wenn neben der ohmschen Komponente eine Blindkomponente wirksam ist. Die Induktivität der Leitung ist zu klein und ihr kapazitiver Widerstand für tiefe Frequenzen ist wesentlich größer als der des Zobelglieds. Im Hörbereich führen die Leitungseigenschaften zu keiner störenden Phasenverschiebung. Eine Milderung der Zischlaute erfolgt durch das Herausfiltern hoher Frequenzanteile, gerade das macht die nicht korrigierte Leitung.

Im Verstärker sind die Werte der Bauteile R und C des Zobelglieds festgelegt. Das Filter wirkt im hohen Frequenzbereich und schützt den Verstärker so vor phasenbedingten Mitkopplungen. Ein Nutzen zusätzlicher Zobelfilter zur Verbesserung der Leitungseigenschaften ist nicht beweisbar. Auch steht ihr Anschaffungspreis in keinem Verhältnis zum Wert der darin verwendeten Bauteile.

Der ohmsche Schleifenwiderstand der 19 m langen Leitung wurde zu 0,45 Ω bestimmt. Dieser Wert lässt sich auch aus der Leiterlänge dem Leiterquerschnitt und der Leitfähigkeit von Kupfer errechnen. Der durchschnittliche Kapazitätswert beträgt 1,2 nF und der durchschnittliche Induktivitätswert 16 µH. Aus diesen Werten lassen sich die Belagswiderstände der Leitung angeben.

Der Einfluss des Zobelglieds auf eine Lautsprecherleitung

Leitungsvierpol, Zobelglied, Simulationsdiagramme

Die Belagswerte einer zweiadrigen Verlängerungsleitung, die im Normalfall auch zum Anschluss von Lautsprecherboxen benutzt wird, wurden experimentell bestimmt zu:
R' = 23,68 mΩ/m;  C' = 63,2 pF/m;   L' = 842,1 nH/m;  G' » 10 MΩ/m.
Mit diesen Daten wird im Simulationsprogramm der Einfluss des Zobelglieds auf die Leitung untersucht.

Die Simulation erfolgte wie in der Schaltung dargestellt, für eine Leitungslänge von 10 m zwischen dem Verstärkerausgang und dem Lautsprecher. Zum Vergleich bildete erstens nur ein ohmscher Wirkwiderstand mit 8 Ω und zweitens die Lautsprecher RL-Nachbildung den Leitungsabschluss. Die Simulationen wurden mit und ohne Zobelglied durchgeführt.

Bei rein ohmscher Belastung ist ein Einfluss des Zobelglieds auf die Anschlussleitung nicht erkennbar. Vergleicht man das untere Diagramm mit dem entsprechenden, weiter oben zuvor gezeigten, so macht sich das Tiefpassverhalten der Leitung erst bei Frequenzen oberhalb von 20 MHz bemerkbar. Das Tiefpassverhalten der Leitung hat auf die Übertragungskennlinie im Hörbereich keinen Einfluss. Auch mit angeschlossenem Lautsprecher ist kein Einfluss des Zobelglieds auf die Lautsprecherleitung erkennbar.