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4. Kopfhörerverstärker

Lautsprecher > Kopfhörer

Für den Antrieb von hochwertigen Kopfhörern erfreuen sich Kopfhörerverstärker (KHV) zunehmender Beliebtheit - und Skepsis. Die Verstärker leisten meist nur 1-2 Watt und können schnell einige hundert Euro kosten - damit sind die Verstärker ähnlich teuer wie komplette Stereoverstärker für Lautsprecherboxen mit deutlich höheren Leistungen.

Dazu kommt: Die Verstärkertechnik kann inzwischen auch in moderaten Preisregionen als ausgereift betrachtet werden. Blindtests zwischen Verstärkern zeigten in der Vergangenheit, dass klangliche Unterschiede zwischen Verstärkern fast unhörbar sind - siehe dazu auch den Abschnitt Klangliche Eigenschaften dieser Homepage.

Daher stellt sich die Frage mit Recht: Weshalb sollte ein teurer Kopfhörerverstärker angeschafft werden?



Abbildung 1: Kopfhörerverstärker von Musical Fidelity


Zunächst sei gesagt: Kopfhörerverstärker werden in den meisten Fällen in Kleinserie produziert. Die Preisgestaltung kann daher leider nicht mit asiatischen Großseriengeräten wie z.B. DVD-Playern verglichen werden.

Als Beispiel: Während einer meiner beruflichen Tätigkeiten wurden spezielle Platinen für eine Anpassung von Steuergeräten benötigt. Diese Platine bestand aus Standardbauteilen und einem Standardlayout - mit Entwicklungsaufwand lagen die Kosten für die 10 benötigten Exemplaren jedoch bei etwa 6000 Euro pro Stück.

Es ist daher verständlich, dass vergleichsweise puristische Kopfhörerverstärker in der gleichen Preisklasse wie AV-Receiver angeboten werden.


Ist ein Kopfhörerverstärker lohnenswert?


Auswirkungen der Impdedanz auf Bass und Klangfarbe

Tendentiell gilt:

  • Wenn die Ausgangsimpedanz des Kopfhörers kleiner ist als die Impedanz des Kopfhörers, ist die Lautstärke des Kopfhörers ausschließlich von der Signalspannung durch das Musiksignal abhängig (=Gut).

  • Eine hohe Impedanz des Hörers und eine niedrige Ausgangsimpedanz verbessert den Dämpfungsfaktor (=bessere Dämpfung von Resonanzen, Gut)


Die Hörbarkeit von beider Effekte ist stark von den jeweiligen Hörern abhängig und ist zentral für die Frage, ob ein Kopfhörerverstärker eine Verbesserung bringt.



Übliche Impedanzwerte bei Kopfhörern liegen tendienziell in den folgenden Regionen

  • Mobile Kopfhörer: 32Ohm

  • Heimkopfhörer: 120 Ohm

  • Studiokopfhörer: 300-600Ohm


Die Ausgangsimpedanz von einigen Kopfhörerausgängen als Beispiel:

  • Apple Iphone 4 (Smartphone): 0,97Ohm

  • Apple Macbook (Laptop): 1,27 Ohm

  • Graham Slee Voyager (mobiler KHV): 31, 31 Ohm

  • Beyerdynamik A1 (stationärer KHV): 100 Ohm

  • Musical Fidelity M1 HPA (stationärer KHV): kleiner als 1 Ohm


Quellen:
http://en.goldenears.net/KB_Columns/1389
http://www.premium-kopfhoerer.de/beyerdynamic-a1/
http://www.hifitest.de/test/ausstattungsliste/hifi_sonstiges/musical_fidelity-m1_hpa_9775


Beyerdynamik fühlt sich aus historischen Grunden 100 Ohm Ausgängen verpflichtet und entwickelt seine Kopfhörer entsprechend. Da Beyerdynamic tendentiell sehr frequenzneutrale Impedanzgänge bei seinen Kophförern bietet, ist der Betrieb aber auch bei niederohmigen Kopfhörerausgängen problemlos möglich (=Gut).

Kopfhörerbetrieb: am Vollverstärker/AVR

Bei Vollverstärkern wird in der Regel ein Spannungsteiler verwendet um die recht hohe Leistung für die Lautsprecher auf Kopfhörerniveau herunterzusetzen. Das resultiert oft bei hohen Ausgangsimpedanzen von 100 bis 300 Ohm Ausgangsimpedanz. Diese Aussage ist als Tendenz zu verstehen, einige Hersteller bieten bei Vollverstärkern natürlich auch sehr niederohmige Ausgänge.

Nachfolgend ist die häufig verwendete hochohmige Variante mittels Spannungsteiler beschrieben.

Die reguläre Spannung des Vollverstärkers U
in wird durch diese Schaltung auf die Spannung am Kopfhörer U2 abgesenkt.


Abbildung 2: Spannungsteiler für Kopfhörer


Die Funktion der Anordnung ist vereinfacht gesagt wie folgt: Ist der obere Widerstand R
1 fünfmal so groß wie der untere Widerstand R2 ist auch die Spannung U1 an dem größeren Widerstand fünfmal so groß wie über dem kleineren Widerstand U2. Indem man den oberen Widerstand entsprechend groß wählt, kann eine hohe Eingangsspannung Uin auf eine beliebig kleine Spannung U2 über dem kleinen Widerstand abgesenkt werden.

Anschließend kann parallel zu dem kleinerem Widerstand R
2 der Kopfhörer angeschlossen werden. Über diesem fällt die gleiche Spannung U2 ab wie über R2. Ist der Widerstand des Kopfhörers sehr viel höher als die Impedanz von Widerstand R2, beeinflusst der Kopfhörerwiderstand die Schaltung nicht.

Reale Werte für
R2 können z.B. bei etwa 150 Ohm liegen. Damit die Kopfhörerimpedanz die Schaltung nicht verändert werden Kopfhörer für den Heimgebrauch meist mit 300-600 Ohm gefertigt. Einige Studiohörer weisen noch höhere Werte auf.

Warum hat das Auswirkungen auf den Klang?

Die Impedanz von einigen Kopfhörern auf dem Markt ist stark Frequenzabhängig. Nachfolgend sind zwei Impedanzgänge von zwei der bekanntesten Kopfhörermodelle aus dem gehobenen Consumer-Segment. Der Kopfhörer 1 würde sich durch seinen sehr ausgeglichenen Impedanzgang sehr gutmütig an der Spannungsteilerschaltung eines üblichen Vollverstärkers verhalten. Der Kopfhörer 2 würde durch seine extrem schwankenden Impedanzwerte hörbare Verfärbungen bei den Klangfarben erfahren.


Abbildung 3: Impedanz von zwei Heim-Kopfhörern aus dem mittlerem Preissegment (ca 200 Euro)


Kopfhörer 1 wird laut Datenblatt mit einer Impedanz von 32 Ohm angegeben. Die Parallelschaltung zu den 150 Ohm des Vollverstärkers liefert eine Gesamtimpedanz von etwa 26 Ohm. Dieser Wert ist jedoch nahezu frequenzunabhängig - also ist auch der Spannungsabfall (=Lautstärke) über dem Kopfhörer quasi frequenzunabhängig.

Kopfhörer 2 schwankt zwischen 50 Ohm und 230 Ohm. In Parallelschaltung zu dem 150 Ohm R
2 des Vollverstärker-Spannungsteilers ergibt das eine Schwankung von ca 37 Ohm auf ca 93 Ohm! Dementsprechend schwankt beim Spannungsteiler auch die Spannung (=Lautstärke) des Kopfhörers in Abhängigkeit von der Frequenz um Faktor 3!

Die Auswirkung: Der Amplituden-Frequenzgang des Kopfhörers wird vom Innenwiderstand des AV-Receiver beeinflusst!

Kopfhörerverstärker werden mit Ausgangsimpedanzen von ca 0,1 bis 100 Ohm angeboten. Kopfhörer 2 würde an diesen Kopfhörerverstärkern eine jeweils andere Klangfarbe zeigen. Kopfhörer 1 würde klanglich kaum beeinflusst.


Kopfhörerbetrieb: an Mobilen Geräten


Mobile Geräte wie z.B. Smartphones oder MP3-Player besitzen meist sehr niedrige Ausgangsimpedanzen, sind daher unempfindlich gegenüber Impedanzschwankungen bei den Kopfhörern.

Die Schwäche liegt in der Regel eher bei den großen Koppelkondensatoren, dementsprechend fällt der Frequenzgang bei einigen Geräten unter 100Hz rapide ab.

Um hohe Akkulaufzeiten zu schaffen und ist die Spannung am Kopfhörerausgang zusätzlich stark begrenzt. Bei wirkungsgradschwachen Hörern für den Heimbereich sind viele mobile Geräte daher zusätzlich schlicht zu leise - und schwach bei der Dynamik.

Abhilfe schaffen Kopfhörer mit einem guten Wirkungsgrad und/oder mit niedriger Impedanz. Für letzteres gibt es einen einfachen Grund: Die an einem elektrischen Verbraucher (=Kopfhörer) umgesetzte Leistung berechnet sich zu



... was nichts anderes heisst, als das Kopfhörer mit einem niedrigen Widerstand mehr Leistung bekommen. Und dementsprechend lauter sind.

Mobile Kopfhörer werden für einen hohen Maximalpegel und ein besseres dynamisches Verhalten bei Impulsspitzen niederohmig ausgeführt.

Rauschen

Die maximale Leistung wird an mobilen Quellen an niederimpedanten Kopfhörern abgegeben. Das gilt leider nicht nur für das Musiksignal - auch das rauschen wird stärker. Kopfhörer mit einer hohen Impedanz sind prinzipiell weniger rauschanfällig!

Dämpfungsfaktor

Ähnlich wie bei Lautsprecherboxen können Überschwinger des Lautsprecherchassis durch eine niederimpedante Ansteuerung kurzgeschlossen werden. Der zugehörige Fachausdruck lautet Dämpfungsfaktor.



Abbildung 4: Sehr niederohmiger Kopfhörerverstärker von Meridian


Der Dämpfungsfaktor ist das Verhältnis aus Lautsprecherimpedanz und Innenwiderstand des Quellgerätes (z.B. die 150 Ohm des beispielhaften Vollverstärkers). Der Dämpfungsfaktor ist bei hochimpedanten Hörern grundsätzlich höher als bei niederimpedanten Modellen - und profitiert von einem niedrigen Innenwiderstand des Verstärkers.

Bei konventionellen Lautsprechern werden die Tieftöner im Bereich der Chassis-Resonanzfrequenz betrieben um die Pegelfestigkeit und Tiefbassfähigkeit des Chassis voll auszunutzen. Dementsprechend ist ein hoher Dämpfungsfaktor oft im Tiefton durch ein saubereres Impulsverhalten hörbar. Mitteltöner und Hochtöner bei Lautsprechern sind zumeist durch die Härte der Sicken bzw. durch das Luftvolumen deutlich stärker bedämpft als durch den elektrischen Innenwiderstand des Verstärkers. Hier bringt ein hoher Dämpfungsfaktor (=niedrig Ausgangsimpedanz) tendentiell wenig.

Bis auf einige wenige Mehrwege-Exoten wir bei Kopfhörer der komplette Frequenzgang mit einem Chassis reproduziert (=Breitbänder).  Daher werden die Chassis quasi zwangsläufig im Bereich der Resonanz betrieben.

Durch hohe Steifigkeiten und den Verzicht auf Reflexrohre liegen die Resonanzen bei Kopfhörern üblicherweise im Mittelton. Abbildung 3 zeigt diese Resonanz im Mittelton im Impedanzgang von Kopfhörer 2 deutlich.

Je nach Dämpfung durch das Luftvolumen und die Sicke kann der Dämpfungsfaktor für mehr Kontrolle im Mittelton führen. Durch eine hohe mechanische Dämpfung kann ein höherer elektrischer Dämpfungsfaktor aber völlig überflüssig sein - und keine hörbaren Vorteile bringen.

Einige meiner privaten Versuche mit einem Quellgerät mit einstellbarer Ausgangsimpedanz (=Dämpfungsfaktor) ergab bei mehreren untersuchten Kopfhöreren keine hörbaren Auswirkungen auf den Klang - es wird jedoch sicherlich Kopfhörer geben, die stärker auf den Dämpfungsfaktor reagieren. Eine Pauschalaussage bzgl. der Hörbarkeit des Dämpfungsfaktors soll hier also nicht getroffen werden.


Lohnt sich ein KHV


Die meisten (nicht alle) High-End Kopfhörer werden für den Anschluss an niederohmigen Kopfhörerverstärkern entwickelt. An hochohmigen Ausängen (Spannungsteiler-Vollverstärker-Klinken) klingen diese Kopfhörer verfärbt. In diesem Fall ist ein Kopfhörerverstärker ganz klar sinnvoll und der Unterschied ist deutlich hörbar.



Abbildung 5: Kopfhörerverstärker mit Röhren von Pathos



Lohnt sich ein KHV im Einzelfall? Viele Geräte haben gute Kopfhörerausgänge. Kopfhörer brauchen nur sehr wenig Leistung, ein renomierter Elektronikhersteller kann auch bei begrenztem Budget einen guten Klinkenausgang entwickeln.

Einige Hersteller von Vollverstärkern und AV-Receivern verzichten auf die Spannungsteiler-Lösung und bauen sehr gute separate Schaltungen für den Kopfhörerbetrieb in die Geräte ein. Gleichsam werden einige Soundkarten gezielt mit den guten klanglichen Eigenschaften der Kopfhörerausgänge beworben - viele dieser Geräte werden sogar über USB angeschlossen und weit vom PC entfernt aufgestellt um Störeinkopplungen von der restlichen Hardware zu verhindern, andere Soundkarten sind hochwertig gegen Einkopplungen geschirmt.

Wer ein Gerät mit einem guten Kopfhörerverstärker hat, wird im Vergleich zu einem separaten Kopfhörerverstärker keinen Unterschied hören. Kritisch wird es erst, wenn sehr wirkungsgradschwache und hochohmige Kopfhörer betrieben werden und die Soundkarten, etc. einfach nicht genug Spannung für den Betrieb mitbringen - was besonders für einige aktuell erhältliche High-End Magnetostaten gilt.

Einige Kopfhörerverstärker bringen USB-Anschlüsse mit und agieren somit de Facto als Soundkarten. Durch die digitale Ansteuerung kann ein miserabler und rauschender Soundchip in einem Latop umgangen werden - und durch ein hochwertiges Quellgerät ersetzt werden.

Selbstverständlich gibt es auch ein breites Angebot an Kopfhörerverstärkern mit Röhren, teilweise mit hohem Ausgangsübertrager-Innenwiderstand und einem prägnanten harmonischen Klirrspektrum für einen satten Röhrensound. Auch mobile Kopfhörerverstärker mit Batteriebetrieb sind erhältlich.

Kopfhörerverstärker sind aber leider immer noch Nischenprodukte mit kleinen Stückzahlen, dementsprechend sind die Preise von Kopfhörerverstärkern ähnlich hoch wie bei einfachen Stereoverstärkern - Teilweise sogar höher. Ob sich die Anschaffung im lohnt, muss im Einzelfall entschieden werden.

 
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