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Kopfhörerverstärkerleistung

Berechnet die erforderliche Verstärkerausgangsleistung, Spannung und Strom zum Betrieb von Kopfhörern auf einen Ziel-SPL.

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Formel

P = 10^((SPL − S)/10) mW, V = √(P × Z)

S— Headphone sensitivity (dB/mW)
Z— Headphone impedance (Ω)

Wie es funktioniert

Die Leistungsanforderungen an den Kopfhörerverstärker hängen von der Impedanz (Z, in Ω) und der Empfindlichkeit (S, in dB SPL pro Milliwatt) des Kopfhörers ab. Im Gegensatz zur Lautsprecherempfindlichkeit, die auf 1 W/1 m ausgelegt ist, bezieht sich die Kopfhörerempfindlichkeit auf 1 mW, die an den Kopfhörer abgegeben wird. Die erforderliche Leistung in Milliwatt, um einen Ziel-SPL zu erreichen, ist: P_mW = 10^ ((SPL_Target − S)/10). Daraus ergeben sich die erforderliche Effektivspannung und der benötigte Strom aus dem Ohmschen Gesetz: V_rms = √ (P_W × Z) und I_ma = (V_rms/Z) × 1000. Kopfhörer mit hoher Impedanz (150—600 Ω) benötigen höhere Spannungsschwankungen, während IEMs mit niedriger Impedanz (8—32 Ω) einen höheren Strom benötigen. Aus diesem Grund steuern Desktop-Kopfhörerverstärker mit Hochspannungsschienen planarmagnetische und hochohmige dynamische Kopfhörer besser an als DAC-Ausgänge von Smartphones.

Bearbeitetes Beispiel

Kopfhörer: 300 Ω Impedanz, 100 dB/mW Empfindlichkeit. Ziel-Schalldruck: 110 dB. Erforderliche Leistung: P_mW = 10^ ((110 − 100)/10) = 10^1,0 = 10 mW P_W = 10/1000 = 0,010 W Erforderliche RMS-Spannung: v_RMS = √ (0,010 × 300) = √3,0 = 1,73 V Erforderlicher Strom: I_mA = (1,73/300) × 1000 = 5,77 mA Ein typisches Smartphone hat eine maximale Ausgangsleistung von ~1,0—1,5 V RMS, sodass es diese Kopfhörer auf etwa 107-108 dB antreiben kann — ausreichend, aber mit minimaler Kopffreiheit. Für Spitzenwerte wird ein spezieller Verstärker empfohlen, der mindestens 2 V RMS an 300 Ω abgibt.

Praktische Tipps

  • ✓Für die meisten Anwendungen zu Hause bei angenehmer Lautstärke (~85 dB SPL) ist der Strombedarf gering (unter 1 mW). Konzentrieren Sie sich bei der Auswahl des Verstärkers eher auf ein niedriges Grundrauschen und einen angemessenen Spannungssprung als auf die maximale Leistung.
  • ✓Faustregel: Die 100-fache Leistung, die zum Erreichen des Soll-Schalldruckpegels erforderlich ist, gibt Ihnen 20 dB Headroom — genug für vorübergehende Spitzen ohne Clipping. Wenn Sie 1 mW für 90 dB benötigen, bietet ein 100-mW-Verstärker eine komfortable Kopffreiheit.
  • ✓Planarmagnetische Kopfhörer (z. B. HiFiMAN, Audeze) haben in der Regel 20—60 Ω, haben aber eine niedrige Empfindlichkeit (90—95 dB/mW) und benötigen sowohl Strom als auch Spannung — sie profitieren am meisten von speziellen Kopfhörerverstärkern.

Häufige Fehler

  • ✗Empfindlichkeitseinheiten verwechseln — Datenblätter für Kopfhörer können die Empfindlichkeit als dB/mW oder dB/V (bei 1 V RMS) angeben. Umrechnung: Wenn die Empfindlichkeit in dB/V angegeben wird, dann ist dB/mW = dB/V − 10·log( 1000/Z). Für 300 Ω: dB/mW = dB/V + 10·log( Z/1000) = dB/V − 5,2 dB.
  • ✗Ziel ist ein Schalldruck, der zu Hörschäden führen kann — 110 dB SPL am Ohr sind gemäß den NIOSH-Richtlinien nur für ~1 Minute sicher. 85 dB für 8 Stunden ist der empfohlene Grenzwert. Stellen Sie mit dem Rechner sicher, dass Ihr Verstärker mit Headroom 100—105 dB erreichen kann, und nicht, um die Ausgangsleistung zu maximieren.
  • ✗Die Ausgangsimpedanz des Verstärkers wird ignoriert — ein Verstärker mit hoher Ausgangsimpedanz (>10 Ω) bildet zusammen mit dem Kopfhörer einen Spannungsteiler, wodurch die Leistungsabgabe reduziert und der Frequenzgang verändert wird, da die Kopfhörerimpedanz nicht flach ist.

Häufig gestellte Fragen

Smartphones geben in der Regel 1—1,5 V RMS an hochohmige Lasten aus. Bei einem 300-Ω-Kopfhörer mit 100 dB/mW ergibt 1 V P = 1²/300 = 3,3 mW, was 100 + 10·log♦ (3,3) ≈ 105 dB ergibt — was moderat klingt, aber kaum Kopffreiheit lässt. Ein spezieller Verstärker mit einer höheren Spannungsschiene löst dieses Problem.
Die Impedanz (Ω) bestimmt, wie viel Spannung und Strom der Kopfhörer für einen bestimmten Leistungspegel benötigt. Die Empfindlichkeit (dB/mW) bestimmt, wie laut diese Leistung in Ton umgewandelt wird. Ein hochohmiger Kopfhörer mit hoher Empfindlichkeit und ein Kopfhörer mit niedriger Impedanz und niedriger Empfindlichkeit benötigen möglicherweise dieselbe Verstärkerleistung, aber sehr unterschiedliche Spannungspegel.
Ja. Ein symmetrischer Ausgang verdoppelt effektiv den Spannungshub im Vergleich zu einem Single-Ended-Ausgang, wodurch die abgegebene Leistung bei gleicher Lastimpedanz vervierfacht wird. Dies ist besonders vorteilhaft für Kopfhörer mit hoher Impedanz, die eine hohe Spannung benötigen, um den Hörpegel zu erreichen.

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