Kopfhörerimpedanzen erklärt

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Schluss mit ohmschen Dörfern

Das Thema Kopfhörerimpedanzen wirft immer wieder fragende Blicke auf. Was sagen mir die Zahlen zwischen 20 und 600 Ohm? Ist ein In-Ear-Kopfhörer immer lauter und warum klingen die großen Modelle besser? Wir haben die Antwort!

Um die Leistungsangaben eines Kopfhörers zu verstehen, muss man zunächst seinen Signalweg näher betrachten. Am Ausgang eines Kopfhörerverstärkers liegt abhängig der gewählten Lautstärke eine bestimmte Spannung an. Der angeschlossene Kopfhörer, auch als Last bezeichnet, wird benötigt, damit ein Strom fließen kann. Wie hoch die Stromstärke ausfällt, ist abhängig von der jeweiligen Impedanz der Last, sprich der des Kopfhörers. Dabei gilt das ohmsche Gesetz: U = R * I. Um den Strom, welcher durch den Kopfhörer fließt, zu berechnen stellen wir die Gleichung nach I = U/R um. Daraus schlussfolgern wir, dass je größer die Impedanz der Last ausfällt, desto geringer ist der Strom, der fließen kann. Genauso gilt, je höher die Impedanz, desto mehr Leistung ist nötig, für einen guten Kopfhörerpegel. In der Praxis bedeutet dies, dass Kopfhörer mit einer niedrigen Impedanz, unter 100 Ohm (Ω), vorrangig für batteriebetriebene Zuspieler geeignet sind, währenddessen hochohmige Modelle, zwischen 150 und 600 Ω, meist mit separaten Kopfhörerverstärkern betrieben werden.
 
Zur Verdeutlichung: Liegt am Ausgang des Kopfhörerverstärkers eine Last mit einer Impedanz von 0 Ω an, ist ein Kurzschluss bereits vorprogrammiert. Der Verstärker würde in diesem Fall versuchen zuviel Strom bereitzustellen, was zum Abschalten und Durchbrennen des Gerätes führen würde. Dem gegenüber steht eine unendlich hohe Impedanz, die etwa bei einem gebrochenen Kabel auftritt. Dies unterbindet den Stromfluss und damit auch die Übertragung des Audiosignals. Das Optimum ist dementsprechend der Mittelweg. Doch warum gibt es dann trotzdem Kopfhörer mit unterschiedlichen Impedanzen? Betrachten wir zunächst die niederohmigen Modelle. Diese werden vorrangig für den mobilen Einsatzzweck, sprich für die Verwendung mit tragbaren Geräten wie Smartphones und MP3-Playern, konzipiert. Die darin verbauten Akkus arbeiten mit einer eher geringen Betriebsspannung, welche die maximale Ausgangsspannung am Kopfhörerausgang begrenzt. Dies hat zufolge, dass ein niederohmiger Kopfhörer, wie er oftmals direkt mit einem einfachen MP3-Player mitgeliefert wird, an einer niedrigen Ausgangsspannung mitunter lauter betrieben werden kann.
 
Um einen hochohmigen Kopfhörer zu erklären, blicken wir zunächst einmal in dessen Gehäuse hinein. Analog zum Lautsprecher wird die mit der Membran verbundene Schwingspule im elektrischen Feld eines Magneten bewegt und produziert dadurch Schall. Das Material der Wahl ist hierbei aufgewickelter Kupferdraht, dessen Querschnitt und Gewicht maßgeblich klangbeeinflussend sind. Niederohmige Wandler benötigen einen relativ dicken, schweren Draht mit mehreren Windungen, was in Verbindung mit der Membran zu einer hohen Massebewegung führt. Merke: Von Natur aus werden komplexe Audiosignale bei hoher Masse weniger präzise übertragen als bei einer geringeren. Um diese Erkenntnisse zu nutzen, gibt es Kopfhörer mit dünnerem und leichterem Draht mit entsprechend weniger Wicklungen, wodurch die Schwingspule jedoch gleichbedeutend hochohmiger wird. Das heißt: je leichter die Schwingspule, desto neutraler der Klang, desto leiser die Wiedergabe, umso höher der Spannungsbedarf und größer die Impedanz. Je schwerer die Schwingspule ausfällt, umso mehr verzichten wir auf Transparenz und Impulstreue, erhalten dafür im Allgemeinen eine höhere Lautstärke. Dies ist Voraussetzung für die lautstärkepegelbegrenzten Ausgänge mobiler Endgeräte, die durch EU-Richtlinien vorgegeben werden.

Ohmsches Gesetz

Das ohmsche Gesetz wurde nach dem Physiker Georg Simon Ohm benannt, der einen direkten Zusammenhang zwischen den Grundgrößen Spannung, Strom und Widerstand hergestellt hat. Es besagt, dass sich die Stärke eines durch eine Spannung (U) fließenden Stroms (I) direkt proportional zur Spannung verhält. Verglichen mit einer Wasserleitung, in der das Wasser durch einen Schlauch gedrückt wird, wird der Strom von der Spannung durch einen Widerstand (R) getrieben.
 
Daraus folgt: je größer die Spannung oder kleiner der Widerstand, desto größer der Strom. Die Formel R = U/I ist die geläufige mathematische Darstellung des Gesetzes. Sofern mindestens zwei Werte bekannt sind, lassen sich die drei Grundgrößen eines Stromkreises berechnen.

Dynamischer Wandler

Der dynamische Schallwandler ist das weltweit am meisten eingesetzte Prinzip unter den Kopfhörern. Die Arbeitsweise ist dem eines klassischen Lautsprechers gleichzusetzen. Auf die schwingfähige Kopfhörermembran ist eine Ringspule geklebt, durch die der Musikstrom fließt und somit als Elektromagnet wirkt. Je nach zugeführtem Signal ziehen sich die Magneten gegenseitig an bzw. stoßen sich ab.
 
Dadurch wird die Membran in Schwingung versetzt und Töne – Schalldruckwellen – werden hörbar. Der Vorteil dieses Systems ergibt sich aus den folgenden Eigenschaften: mechanische Robustheit, geringe Betriebsspannung, hohe Wiedergabequalität und einen geringen Anschaffungspreis.
(Torsten Pless)

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