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Kopfhörertechnik

Wie funktionieren Kopfhörer-Verstärker?

Symmetrisch oder unsymmetrisch, hoch- oder niederohmig? Wir erklären, wie Sie mit dem richtigen Kopfhörer-Verstärker das Beste aus Ihrem Kopfhörer herausholen können.

  1. Wie funktionieren Kopfhörer-Verstärker?
  2. Kopfhörer-Verstärker: Dämpfung, Klirr, Anschluss
Kopfhörer MDR Z1R und Verstärker TA ZH1ES

© Sony

Kopfhörer MDR Z1R und Verstärker TA ZH1ES.

Wer den besten Klang aus seinem Kopfhörer hören möchte, kommt um einen speziellen Kopfhörer-Verstärker nicht herum. Ein stationärer Kopfhörer-Verstärker für Heim-Anwendung wird üblicherweise auf beide vorherrschenden Arten von Kopfhörern ausgelegt, also auf hoch- und niederohmige Exemplare. Man unterscheidet dabei grob zwischen Kopfhörern von etwa 10 bis 50 oder 60 Ohm Impedanz sowie den hochohmigen Kandidaten von 100 bis über 600 Ohm. An irgendeine Norm hält sich hier niemand, was einem Kopfhörer-Verstärker, wie man sich leicht vorstellen kann, das „Leben“ nicht leichter macht.​

Die Gründe für dieses Impedanzchaos stecken auch im Design. Ein Kopfhörer basiert (Exoten einmal ausgenommen) auf elektrodynamischen Treibern, also Schwingspulen und Magneten. Schwingspulen bestehen aus dicken oder dünnen, längeren oder kürzeren Drähten. Das bedeutet, dass sich ihr elektrischer Widerstand nach der Länge und der Drahtstärke einstellt. Abgesehen von diesen rein ohmschen Anteilen besitzen Spulen einen frequenzabhängigen elektrischen Widerstand, der sich hinzuaddiert und zu einem, wie die Elektroniker sagen, „komplexen“ Widerstand führt, den man meist mit einem Z kennzeichnet. Und genau wie bei Lautsprechern sollten die Schwingspulen natürlich auch möglichst leicht ausfallen, um die Impulstreue zu wahren.​

Entscheidend und sicher einleuchtend ist nun, dass dickere Drähte mehr Strom „vertragen“ als dünnere Drähte, also einen kleineren Widerstand aufweisen. Und ein Kopfhörer sollte ja auch laut genug spielen, weshalb man dem System ausreichend elektrische Leistung (Spannung, multipliziert mit der Stromstärke) zuführen muss. All diese Kriterien wirken also zusammen.​

Und nun betrachten wir die andere Seite, also jene des Verstärkers: Der grundlegende Unterschied zwischen Heim- und Mobilverstärkern (ganz egal, in welcher Inkarnation ein mobiler Kopfhörer-Amp vorliegt, also etwa jener in einem Handy) betrifft die zur Verfügung stehende Betriebsspannung. Da Batteriezellen Platz benötigen, ist die Betriebsspannung in mobilen Verstärkern recht niedrig:​ In der Praxis liegt sie bei rund drei bis vielleicht fünf Volt. Um ausreichend Leistung und damit Schalldruck zu gewährleisten, muss also die Stromstärke steigen. Folglich müssen die Schwingspulendrähte höher belastbar und damit dicker ausfallen. Damit sinkt der elektrische (Last-)Widerstand, den der Kopfhörer-Verstärker „sieht“.

Adapterklinke

© stereoplay

Aus dünn wird dick: nützlicher Adapter-Klinkenstecker von 3,5 Millimetern auf 6,35 Millimeter Durchmesser für zu Hause.

Anpassungsprobleme

Das Zahlenbeispiel dazu leihen wir uns aus dem Kopfhörer-Jahrbuch 2013/14, und von Georg Simon Ohm leihen wir uns dessen ohmsches Gesetz. Ein MP3-Player wird also mit einer Betriebsspannung von 3,7 Volt 42 Milliwatt (mW) an einen 32-Ohm-Kopfhörer abgeben können. Hätte der Kopfhörer 250 Ohm, wären es nur noch 5 mW, bei einem 600-Ohm-Kopfhörer nur noch schmale 2,3 mW. Und das ist der Grund, warum mobile Kopfhörer niederohmig ausgelegt werden müssen.​

Stationäre Kopfhörer-Verstärker können dagegen mit deutlich höherer Betriebsspannung arbeiten, wodurch auch ihre maximale Ausgangsspannung viel größer ausfallen kann. Leichtere, dünnere Schwingspulen mit größerem Durchmesser bei „Heim“-Kopfhörern sind akustisch von Vorteil und beanspruchen durch ihre höhere Impedanz weniger Strom.​

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In der Praxis legt man Wert darauf, dass ein guter Kopfhörer-Verstärker so ausgelegt ist, dass er mit nieder- und hochohmigen Hörern in etwa gleich gut zurechtkommt. Immerhin könnte es ja vorkommen, dass​ man nur einen niederohmigen Kopfhörer besitzt, der zu Hause und mobil benutzt wird. Unsere Messungen an Kopfhörer-Verstärkern werten folglich immer die Ausgangsspannung bei 32 sowie bei 300 Ohm Last aus.​​

Eine Ausnahme stellen in gewisser Weise die raren OTL-Röhren-Kopfhörer-Verstärker (OTL = ohne Übertrager) dar, die üblicherweise viel besser mit hochohmigen Lasten harmonieren. Mit Ausgangsübertragern bestückte Röhren-Kopfhörer-Verstärker besitzen dagegen zur optimalen Anpassung häufig hoch- und niederohmig angepasste Sekundärwicklungen am Übertrager und somit zwei verschiedene Kopfhörer-Ausgänge. Sehr hochwertige Kopfhörer für zu Hause sind überwiegend hochohmige Ausführungen.​

Kopfhörerverstärker ideal

© stereoplay

Dieses Diagramm verdeutlich die elektrischen Verhältnisse zwischen Verstärker und Kopfhörer. Der Widerstand ZV steht dabei für den Ausgangswiderstand des Amps, der Widerstand ZKH stellt die Impedanz der Schwingspule dar. Entscheidend ist, dass ZV und ZKH einen Spannungsteiler bilden.

Ausgangswiderstand versus Frequenzgang 

Wir haben eingangs schon erwähnt, dass die Impedanz von Kopfhörern frequenzabhängig ist, der Wechselspannungs-Widerstand also über der Frequenz mehr oder weniger stark schwankt. Diese Lastimpedanz bildet zusammen mit dem unvermeidlichen Ausgangs- oder Innenwiderstand des Kopfhörer-Verstärkers einen Spannungsteiler (siehe unser Diagramm). Ein Teil der Spannung fällt also schon am Innenwiderstand des Amps ab, der Rest steht am Lastwiderstand zur Verfügung.​

Das Verhältnis beider Spannungsabfälle ist proportional zum Verhältnis der Widerstände. Da man den Innenwiderstand legitim als ideal gleichbleibend betrachten darf, ändert sich die an der Schwingspule anstehende Spannung genau dann, wenn sich die Impedanz ändert. Ändert sich die Impedanz stark, entstehen also unerwünschte frequenzabhängige Pegelunterschiede. Die Schlussfolgerungen sind glasklar: Um einen linearen, gleichbleibend „geraden“ Frequenzgang zu erzielen, sind ein möglichst geringer Ausgangswiderstand des Verstärkers sowie ein möglichst gleichmäßiger Impedanzverlauf des Kopfhörers nötig.​

Impendanzgang Kopfhörer

© stereoplay

Ein typischer Impedanzverlauf eines Kopfhörers: Der „Buckel“ in der Kurve ist tatsächlich einer hier gut bedämpften Eigenresonanz-Stelle geschuldet, der weitere Anstieg des Widerstands rührt von der Schwingspulen-Induktivität her, die zu hohen Frequenzen hin immer wirksamer wird.

Diesen Gefallen tut uns die Physik freilich nur widerstrebend, in der Praxis weisen viele Kopfhörer einen kräftigen Impedanzanstieg zu hohen Frequenzen hin auf. Unser Diagramm zeigt einmal einen typischen Verlauf, wie er häufig anzutreffen ist. Allerdings sieht das Ganze – ähnlich wie bei Lautsprechern – theoretisch etwas schlimmer aus, als es in der Hörpraxis wirklich ist. Bei hochohmigen Kopfhörern mit nicht allzu großen Impedanzschwankungen und einem Kopfhörer-Verstärker mit einigen Dutzend Ohm Ausgangswiderstand sollte man die Folgen nicht überbewerten. Aber es wird klar, dass ein geringer Ausgangswiderstand prinzipiell anzustreben ist.​

Ganz geringe Werte bis zu einem Ohm hinunter sind bei einigen Mobilgeräten anzutreffen, sonst liegen die Werte von Kopfhörer-Verstärkern erfahrungsgemäß bei mehreren bis etwa 50 Ohm. Kopfhörer mit sehr gleichmäßigem Impedanzverlauf – ein bekanntes Beispiel ist der Sennheiser HD 800​ – bieten also klangliche Vorteile.​

Der Ausgangswiderstand ist auch der Grund, warum die früher oft anzutreffende Behelfskonstruktion, Lautsprecher-Ausgänge mithilfe von Spannungsteilern an den geringeren Spannungsbedarf von Kopfhörern anzupassen, für gehobene Anwendungen obsolet ist. Durch die dann sehr hohe Ausgangs-Impedanz sind harsche Frequenzgang-Beeinflussungen unvermeidlich.​​

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