Eingangsempfindlichkeit

Die Eingangsempfindlichkeit ist die Spannung, die ein Gerät an seinem Eingang braucht, um voll auszusteuern — bei einer Endstufe also, um ihre Nennleistung abzugeben. Je kleiner der Wert, desto weniger Signal genügt für die volle Leistung. Die Angabe beschreibt damit das Zusammenspiel zweier anderer Größen — der Verstärkung des Geräts und der Leistung, die es abgeben soll — und keine Eigenschaft für sich allein.

Ausführliche Erklärung

Die Angabe hat immer zwei Hälften

Eine Empfindlichkeit von „1,4 V“ ist für sich genommen unvollständig. Zu jeder Angabe gehört die Bedingung, unter der sie gilt, und das ist der Betriebszustand, den die Spannung herstellen soll. Bei einer Endstufe ist das die Nennleistung an einer bestimmten Last, bei einem Wandler die Vollaussteuerung der digitalen Skala, bei einem Prozessor der Punkt, an dem seine Eingangsstufe begrenzt.

Ohne diese zweite Hälfte lässt sich die Zahl weder vergleichen noch nachrechnen. „1,4 V für Nennleistung an 8 Ohm bei 1 kHz“ ist eine prüfbare Aussage; „Empfindlichkeit 1,4 V“ allein ist eine Zahl, die mehrere verschiedene Dinge bedeuten kann. Die Internationale Elektrotechnische Kommission hält das in ihrer Verstärkernorm IEC 60268-3 sehr genau auseinander: Sie nennt die Bedingungen, unter denen gemessen wird, ausdrücklich Nennbedingungen und legt fest, dass deren Werte aus der Herstellerspezifikation stammen und selbst nicht gemessen werden. Sie sind der Boden, auf dem alle anderen Messungen stehen.

Warum dieselbe Empfindlichkeit verschiedene Verstärkungen bedeutet

Hier liegt der eigentliche Kern des Begriffs, und er lässt sich an einer einzigen Baureihe zeigen. Crown gibt für die drei Modelle seiner Micro-Tech-Serie in der Schalterstellung 0,775 V Verstärkungen von 35,0, 36,0 und 38,0 dB an. Alle drei erwarten dieselbe Eingangsspannung, und alle drei verstärken verschieden stark — weil das größere Modell aus denselben 0,775 V mehr Spannung am Lautsprecher machen muss, um auf seine höhere Nennleistung zu kommen.

Stellt man denselben Schalter auf feste 26 dB Verstärkung, dreht sich das Bild um: Jetzt ist die Verstärkung auf allen drei Modellen gleich, und die Empfindlichkeit fällt auseinander — 2,1 V beim kleinsten, 2,5 V beim mittleren, 3,2 V beim größten. Dieselbe Baureihe, dieselbe Schaltung, zwei völlig verschiedene Zahlenbilder, je nachdem, welche der beiden Größen man festhält.

Der Zusammenhang ist eine Zeile Rechnung. Die Ausgangsspannung an der Nennlast ist U_a = √(P · R), die Verstärkung in Dezibel ist G = 20 · log10(U_a / U_e), und daraus folgt die Empfindlichkeit:

U_e = √(P · R) / 10^(G/20)

Zwei der drei Größen legen die dritte fest. Wer eine Endstufe nach ihrer Empfindlichkeit aussucht, wählt damit unausgesprochen auch eine Verstärkung — und umgekehrt.

Praktisch heißt das: Eine kleinere Empfindlichkeit macht eine Endstufe weder stärker noch besser. Die Nennleistung ändert sich dabei nicht um ein Watt; es ändert sich nur, wie viel Signal von vorn nötig ist, um sie abzurufen. Was eine höhere Verstärkung dagegen sehr wohl mit anhebt, ist das Rauschen aller Stufen davor — deshalb ist die empfindlichste Einstellung selten die beste.

Wie die Norm die Größe nennt

Wer die Eingangsempfindlichkeit im Verzeichnis der Kenngrößen von IEC 60268-3 sucht, findet das Wort nicht. Die Norm führt die Größe unter einem anderen Namen: „Minimum source e.m.f. for rated distortion-limited output voltage“ — die kleinste Quellenspannung, die zur verzerrungsbegrenzten Nennausgangsspannung führt. Der Name ist präziser, weil die Bedingung darin steckt. Er bezeichnet außerdem eine andere Stelle in der Kette: Die elektromotorische Kraft ist die Spannung der Quelle im Leerlauf, also bevor der Eingang sie belastet. Am Eingang selbst kommt weniger an, je nachdem, wie die beiden Impedanzen zueinander stehen — deshalb führt die Norm Spannungs- und EMK-Verstärkung getrennt.

Wichtiger als der Name ist die Rangfolge, die daraus spricht. Als Kenngröße, für die der Hersteller einen Nennwert angeben muss oder darf, nennt die Norm an erster Stelle die Nennspannungsverstärkung. Die Empfindlichkeit steht als Eingangskenngröße daneben, und ihre Bedingung — die Nenn-Quellen-EMK — gilt sogar ausdrücklich als etwas, das der Hersteller festlegt. Für die Praxis folgt daraus eine nützliche Umkehrung: Wo zwei Datenblätter sich nicht vergleichen lassen, weil das eine Empfindlichkeit und das andere Verstärkung angibt, ist die Verstärkung die stabilere Angabe. Sie ändert sich nicht, wenn jemand die Nennleistung anders definiert.

Wo sie einstellbar ist — und wo nicht

Ob sich die Empfindlichkeit eines Eingangs verändern lässt, hängt an der Geräteklasse und ist ein Planungskriterium für sich.

In der Installations- und Studiotechnik ist die Einstellbarkeit die Regel. Sie erscheint als Schalter mit wenigen festen Stellungen, als Drehregler oder als Parameter in der Gerätesoftware. Die drei Stellungen der oben genannten Endstufe zeigen die typische Staffelung: ein Wert für Consumer-Zuspieler, ein Wert für Studiopegel, dazu eine Stellung mit fester Verstärkung für Anlagen, in denen mehrere Endstufen im selben Verhältnis arbeiten sollen.

In der Unterhaltungselektronik ist sie meist fest verdrahtet. Ein Heimkinoverstärker, ein Netzwerkgerät oder ein Fernseher gibt seine Empfindlichkeit im günstigen Fall im Datenblatt an; einstellen lässt sie sich nicht. Das ist kein Mangel dieser Geräte — sie sind für eine Welt gebaut, in der alle Beteiligten dieselbe Pegelkonvention verwenden. Zum Problem wird es erst an der Nahtstelle zwischen den beiden Welten, und genau dort steht dann oft nur noch ein Gerät zur Verfügung, an dem sich überhaupt etwas einstellen lässt. Welches das ist, entscheidet sich beim Kauf und nicht bei der Inbetriebnahme.

Häufiges Missverständnis

Das hartnäckigste Missverständnis entsteht durch ein Wort, das im deutschen wie im englischen Sprachgebrauch zwei verschiedene Größen bezeichnet. Bei einem Lautsprecher meint „Empfindlichkeit“ den Kennschalldruckpegel: wie laut er bei einer bestimmten elektrischen Ansteuerung in einem Meter Abstand wird, angegeben in Dezibel. Bei einem Eingang meint dasselbe Wort eine Spannung. Die beiden Größen haben weder dieselbe Einheit noch dieselbe Richtung — beim Lautsprecher ist ein großer Wert der empfindlichere, beim Eingang ein kleiner. Wer beides verwechselt, rechnet in einer Anlage systematisch falsch herum; was der Kennschalldruckpegel wirklich aussagt, behandelt Wirkungsgrad und Kennschalldruckpegel.

Der zweite Irrtum liest die Empfindlichkeit als Qualitätsmerkmal. Ein Eingang mit 0,775 V erscheint „hochwertiger“ als einer mit 2 V, weil er weniger braucht. Tatsächlich verrät die Zahl über die Schaltung nichts — weder über Rauscharmut noch über Verzerrung noch über die Reserve nach oben. Sie beantwortet eine einzige Frage, und das ist die Frage nach der Passung zweier Geräte.

Der dritte Irrtum ist der teuerste, weil er in der Praxis regelmäßig zu einem Fehlkauf führt. Er lautet: „Meine Endstufe wird nicht laut genug, also brauche ich mehr Leistung.“ Häufig fehlt an dieser Stelle keine Leistung, sondern Spannung am Eingang — die Endstufe erreicht ihre Nennleistung schlicht nie, weil der Zuspieler sie nicht ausfährt. Die Probe darauf ist einfach und kostet nichts: Wird die Anlage bei aufgedrehtem Lautstärkesteller laut genug, ohne dass etwas verzerrt, ist die Leistung nicht das Thema. Verzerrt es dagegen, bevor es laut wird, ist die Empfindlichkeit zu hoch angesetzt und der Eingang wird übersteuert.

Nicht zu verwechseln mit

• Verstärkung (Gain): das Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung, angegeben in Dezibel. Sie ist eine Eigenschaft der Schaltung und bleibt gleich, egal welche Leistung das Gerät abgibt. Die Empfindlichkeit ergibt sich erst zusammen mit der Nennleistung.
• Kennschalldruckpegel eines Lautsprechers: ebenfalls „Empfindlichkeit“ genannt, aber ein Schalldruck in Dezibel und keine Spannung.
• Eingangsimpedanz: wie stark der Eingang die Quelle belastet. Sie entscheidet darüber, ob die angegebene Spannung überhaupt zustande kommt, und ist von der Empfindlichkeit unabhängig.
• Maximaler Eingangspegel: die Spannung, bei der die Eingangsstufe begrenzt. Der Abstand zwischen ihr und der Empfindlichkeit ist die Reserve des Eingangs.
• Aussteuerungsreserve: der Abstand vom Arbeitspunkt bis zur Begrenzung. Die Empfindlichkeit legt den Arbeitspunkt fest, die Reserve beschreibt, was darüber noch Platz hat.
• Nennpegel +4 dBu und −10 dBV: eine Aussage darüber, wie kräftig ein Line-Signal üblicherweise ist. Die Empfindlichkeit ist die gerätebezogene Antwort darauf, welche Spannung dieses eine Gerät erwartet.

In der Planung

Ein Wohnhaus bekommt aktive Lautsprecher im Wohnzimmer, dazu vier Deckenlautsprecher an einer Mehrkanal-Endstufe der Installationstechnik. Das Signal kommt aus einem Netzwerkgerät der Unterhaltungselektronik. Die Deckenlautsprecher bleiben in der Praxis leiser als die aktiven Boxen, und der Reflex ist, eine stärkere Endstufe zu bestellen.

Zuerst zu klären ist die Konzeptfrage: Auf welchem Pegel läuft diese Anlage, und an welcher einen Stelle wechselt sie ihn? Solange das nicht festgelegt ist, bleibt jede Gerätewahl ein Versuch. Der Wechsel gehört an genau einen Punkt, denn jede zusätzliche Verstärkungsstufe hebt das Grundrauschen mit an — Hintergründe dazu unter Grundgeräuschpegel und Line-Pegel und die Pegelkonventionen.

Das Verfahren beginnt deshalb mit einer Messung und nicht mit einer Bestellung. Am Ausgang des Zuspielers wird bei voller Aussteuerung die Spannung nachgesehen und mit der Empfindlichkeit der Endstufe verglichen. Der Vergleich gehört genau an diesen Punkt und nicht an den Nennpegel: Die Unterhaltungselektronik arbeitet mit −10 dBV und liegt damit rund 12 dB unter dem Studiopegel, für den die Endstufe ausgelegt ist — im Normalbetrieb kommt also deutlich weniger an, als sie erwartet, auch wenn die Spitze des Zuspielers rechnerisch hinreicht. Bleibt die gemessene Spannung unter der Empfindlichkeit, erreicht die Endstufe ihre Nennleistung nie, und keine größere Endstufe ändert daran etwas. Korrigiert wird an genau einem Punkt: an der Empfindlichkeit der Endstufe, sofern sie einstellbar ist, sonst an einem Gerät davor, das die Anpassung übernimmt.

Erst danach kommt die Gerätewahl, und sie hat jetzt ein hartes Kriterium: Der Eingang an der Nahtstelle muss seine Empfindlichkeit entweder einstellbar anbieten oder sie wenigstens beziffern. Ein Gerät, das dazu schweigt, lässt sich in eine ausgelegte Kette nur hineinprobieren — und das ist der Weg, der bei der zweiten Endstufe endet.

Verknüpfte Inhalte

Welche Spannungen im Normalbetrieb überhaupt üblich sind und warum es dafür zwei Konventionen gibt, behandelt Line-Pegel und die Pegelkonventionen. Wie sich der analoge Pegel auf die digitale Skala abbildet und warum die Empfindlichkeit dort die entscheidende Stellschraube ist, steht unter Bezugspegel zwischen analoger und digitaler Skala. Was oberhalb des Arbeitspunkts noch Platz hat, erklärt Aussteuerungsreserve, was unterhalb davon hörbar wird, Grundgeräuschpegel zusammen mit Dynamikumfang. Wie viel Leistung an einem Lautsprecher überhaupt sinnvoll ist, behandelt Verstärkerleistung; den Platz des Line-Pegels im Gesamtablauf zeigt Die Audiokette. Warum Dezibelangaben ohne Bezug wertlos sind, steht im Eintrag Dezibel.

Quellen

Der Geltungsbereich der Verstärkernorm, die Liste der Nennbedingungen samt der Festlegung, dass deren Werte aus der Herstellerspezifikation stammen, die Nennspannungsverstärkung als anzugebende Kenngröße sowie die Abschnittsüberschrift „Minimum source e.m.f. for rated distortion-limited output voltage“ stehen in IEC 60268-3 in der fünften Ausgabe von 2018; eingesehen wurde davon die frei veröffentlichte Vorschau. Der dreistufige Empfindlichkeitsschalter mit den Stellungen 0,775 V, 1,4 V und 26 dB, die zugehörigen Ersatzwerte 2,1, 2,5 und 3,2 V sowie die Verstärkungstabelle stammen aus dem Bedienungshandbuch der Micro-Tech-Serie von Crown Audio in der Fassung von 2004, vollständig am Objekt gelesen. Die Umrechnung zwischen Empfindlichkeit, Verstärkung und Nennleistung ist gerechnet und braucht keine weitere Fundstelle; die Gegenprobe an den beiden Schalterstellungen stimmt innerhalb der vom Hersteller angegebenen Toleranz. Gerechnet ist ebenso der Abstand von rund 12 dB zwischen den beiden Nennpegeln; die Pegel selbst sind im Eintrag Line-Pegel und die Pegelkonventionen belegt.