Leistungsanpassung

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Unter Leistungsanpassung von elektrischen Verbindungen (Schnittstellen) versteht man die optimale Leistungsübertragung von Signalen.

Bei Rundfunk- und Telefonverbindungen müssen bei sehr langen Leitungen die Impedanzen leistungsangepasst werden (Widerstandsanpassung), um Reflexionen des Signals an den Verbindungen der Leitung zu verhindern, die störende Echos verursachen.

In der Nachrichten- und Hochfrequenztechnik wird die Leistungsanpassung als Matching bezeichnet. Dabei werden die Ein- und Ausgangsimpedanzen von elektronischen Bauteilen, wie Filter, Verstärker, usw. , auf die normierten 50 $Ω$ angepasst, d. h. beide "Widerstände" sind gleich groß. R_i = R_a.

In der Tontechnik und im HiFi-Bereich gibt es bei der üblichen Verbindung von Geräten allein die dort vorteilhafte Spannungsanpassung, die mit Bridging bezeichnet wird. Bei jeder Schnittstelle egal ob digital oder analog bildet der Ausgangswiderstand der Quelle mit dem Eingangswiderstand der Last eine Anpassungsdämpfung. Besonders ist hier der Dämpfungsfaktor D_F für die Spannungsanpassung bei der Schnittstelle vom Endverstärker zum Lautsprecher zu beachten. Hierbei ist der Ausgangswiderstand des Verstärkers so um 0,1 Ohm oder kleiner und beträgt etwa nur ein Zehntel vom Wert des Eingangswiderstands. R_i << R_a.

Bei digitalen Schnittstellen ist Leistungsanpassung (Anpassung an den Wellenwiderstand) üblich - zur Vermeidung von störenden Reflexionen.

Inhaltsverzeichnis

1 Leistungsanpassung von elektrischen Geräte-Verbindungen
2 Leistungsanpassung von elektrischen Generatoren
3 Anpassung von Lautsprechern an Endverstärker
4 Siehe auch
5 Weblinks

[Bearbeiten] Leistungsanpassung von elektrischen Geräte-Verbindungen

Reflexionen und Leistungsverluste können bei Fehlanpassung auch bei Koaxialleitungen zwischen Antennen und Empfängern wie beispielsweise Fernseher, Satellitenempfänger oder Radio auftreten.
Auch in breitbandigen Kabel-Datennetzen und Kabelverbindungen für steile Impulse treten bei Fehlanpassung Reflexionen und verformte Flanken auf, was zu Fehlern führt.

Daher muss darauf geachtet werden, dass alle Komponenten die Kabel mit der korrekten Impedanz (50...75 Ohm bei Koaxialkabeln, 100...150 Ohm bei Zweidrahtleitungen / twisted pair) abschließen.

Bei der analogen Telefontechnik ist 600 Ohm bei der Schnittstelle als Ausgangswiderstand und Eingangswiderstand üblich.

[Bearbeiten] Leistungsanpassung von elektrischen Generatoren

Signalgeneratoren
Ein Schaltkreis wird als "leistungsangepasst" bezeichnet, wenn der Außenwiderstand R_a und der Innenwiderstand R_i gleich groß sind, also R_i = R_a ist.

$R_i=\frac{1}{G_i}\qquad U_q=R_i\cdot I_q=\frac{I_q}{G_i}\qquad I_q=G_i\cdot U_q=\frac{U_q}{R_i}$

Wenn $R i > > R a$ dann bricht die Klemmenspannung U nahezu zusammen, die Leistung ist also klein. Wenn $R i < < R a$ ist der Strom sehr klein, was ebenfalls zu einer geringen Leistung führt, Erinnerung: $P= U \cdot I$ . Der Wert der maximalen Leistungsabgabe liegt bei $R i = R a$ , daraus folgt $P = P_{max} = \frac{U_q^2}{4R_i}$ .

Bei einer ohmschen Quellimpedanz kann genau dann maximale Leistung auf den Verbraucher übertragen werden, wenn die Ausgangsspannung 50% der Leerlaufspannung beträgt.

Stromversorgungen
Bei Stromversorgungsgeräten und Generatoren gilt dieser Zusammenhang auch, jedoch würden diese dadurch überlastet. Sie arbeiten nahezu in Spannungsanpassung, d.h. die Ausgangsspannung sollte bei Nennbelastung nur wenig absinken.

Beispiele für Leistungsanpassung

Solarzellen haben nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinien und werden zweckmäßigerweise in Leistungsanpassung betrieben. Der Punkt der maximalen Leistung liegt bei diesen aufgrund der nichtlinearen Kennlinie jedoch nicht bei der halben Leerlaufspannung, sondern höher. Siehe hierzu Maximum Power Point.
Lötpistolen und Punktschweißgeräte enthalten Transformatoren, die nahe der Leistungsanpassung arbeiten. Dadurch können diese Transformatoren vergleichsweise klein sein. Dieses ist jedoch nur möglich, weil diese Geräte ausschließlich im Kurzbetrieb arbeiten, da die Verlustleistung (der Wirkungsgrad bei Leistungsanpassung ist nur 50%) ansonsten zu hoch wäre.

[Bearbeiten] Anpassung von Lautsprechern an Endverstärker

Diese wird häufig u.a. bei Röhrenverstärkern unrichtig als Leistungsanpassung angenommen. Bei Röhrenverstärkern wie auch anderen PA wird jedoch ein Ausgangswiderstand (Quellimpedanz) angestrebt, der möglichst klein gegenüber der Lautsprecherimpedanz ist. Man hat üblicherweise einen Dämpfungsfaktor von
D_F = R_a / R_i (mindestens) >= 10; üblicherweise 100 und mehr.
Das heißt, R_a ist 10 mal größer als R_i. Bei einem Lautsprecher mit 4 Ohm Nennwiderstand müsste der Verstärker hierzu einen Innenwiderstand von kleiner 0,4 Ohm haben. Das ist nahezu Spannungsanpassung.
Leistungsanpassung von Lautsprechern an Endverstärker ist nicht zweckmäßig, da hierbei der Lautsprecher zu wenig gedämpft würde - er soll ja strikt der Ausgangsspannung folgen. Weiterhin würde man unnötig Leistung verlieren.
Der Irrtum resultiert oft aus den Impedanzangaben auf dem Verstärker: ist dieser z. B. für 4 Ohm spezifiziert, bedeutet das, dass ein Lautsprecher mit einer Nennimpedanz von 4 Ohm oder größer daran angeschlossen werden darf. Die Quellimpedanz (Ausgangswiderstand) des Verstärkers ist jedoch wesentlich niedriger (je kleiner, desto besser). Der Anschluss einer zu geringen Lastimpedanz führt zu Überlastung, erhöhtem Klirrfaktor oder den Defekt des Verstärkers.