Technische Grundlagen und Vorteile der 100 Volt Technik

Es gibt Umgebungen, bei denen es primär nicht auf Musikwiedergabe ankommt, sondern der Fokus auf eine gute Sprachverständlichkeit gelegt wird. Oftmals kommen dann auch längere Leitungswege von den Verstärkern zu den Lautsprechern zusammen. Hier spielt die 100 Volt Technik – auch ELA (steht einfach für Elektroakustische Anlagen) – ihre Stärken aus.

Doch was ist das Besondere daran? Dieser Artikel führt Euch an diese besondere Beschallungstechnik heran.

Grundprinzip

In der konventionellen, niederohmigen Beschallungstechnik beträgt je nach Leistung der Beschallungsanlage die Spannung auf den Lautsprecherleitungen bei Vollaussteuerung zwischen ca. 20 und 30 Volt.

In der 100 Volt Technik sind hinter oder bereits im Leistungsverstärker Transformatoren (Übertrager) in die Lautsprecherausgänge eingebaut, sodass bei Vollaussteuerung die Betriebsspannung auf der Lautsprecherlinie 100 Volt beträgt. Vor den Lautsprechern befindet sich wieder ein Transformator, an dem konventionelle Lautsprecher in 4, 8 oder 16 Ω angeschlossen werden:

Grafik: Markus Kafurke

Dieses Bild zeigt das Prinzip stark vereinfacht. Die meisten 100 Volt Übertrager besitzen auf der Anschlussseite zu den Lautsprecherleitungen (Primärseite) mehrere Abgänge, um hier die abzugreifende Leistung einzustellen. In der Regel kann die Leistung in folgenden Stufen abgegriffen werden:

  • 1/1 (100 % Leistung)
  • ¾ (75 % Leistung)
  • ½ (50 % Leistung)
  • ¼ (25 % Leistung)

Der Übertrager entnimmt dabei der Lautsprecherleitung nur die eingestellte Leistung. Ist ein Übertrager für 100 Watt ausgelegt und ein 100 Watt Lautsprecher angeschlossen, so werden aus der Leitung bei Verwendung der Anschlussklemme „1/2“ nur 50 Watt genommen.

Auch finden sich oft auf der Lautsprecherseite (Sekundärseite) mehrere Anschlüsse für Speaker verschiedener Impedanzen (meist 4/8/16 Ω).

Die Übertrager funktionieren übrigens in beide Richtungen. Es ist dann darauf zu achten, dass die eingesetzten Transformatoren sowohl für die zu übertragende Leistung geeignet sind, als auch dass Primär- und Sekundärseite nicht vertauscht werden.

Mono oder Stereo?

Im Bereich der ELA wird auf Stereowiedergabe verzichtet. Erstens sind ELA-Anlagen in den allermeisten Fällen auf Sprachwiedergabe ausgelegt, und zweitens ist bei den verwendeten Abständen der vielen Lautsprecher zueinander ein gutes Stereobild kaum zu erzielen. Zugunsten der Sprachverständlichkeit spielt die Musikwiedergabe eine untergeordnete Rolle, da die Frequenzbereiche der menschlichen Sprache in der Regel einfacher zu handhaben sind, als das komplette Spektrum im Musikbereich. Ferner bedeutet die Übertragung in Mono nicht zwingend einen schlechten Klang. Heutige ELA-Systeme sind qualitativ so hochwertig, dass einem ungetrübten Musikgenuss nichts im Wege steht. Die Zeiten der mittenlastigen „Hurra-Tüten“ sind vorbei. Selbst Druckkammerlautsprecher gibt es heutzutage als so genannte „Musik-Hörner“, die eine deutlich verbesserte Bass- und Höhenwiedergabe aufweisen. Sie kommen immer häufiger in Sportstätten zum Einsatz, um z.B. bei einem Punktgewinn der Heimmannschaft bestimmte Torjubel oder Musik abzuspielen.

Einsatzgebiete

ELA-Anlagen in 100 Volt Technik sind vor allem in folgenden Umgebungen zu finden:

  • Gastronomische Betriebe und Hotels
  • Kaufhäuser
  • Kirchliche Einrichtungen
  • Schulen und andere öffentliche Einrichtungen
  • Feuerwehr- und Rettungswachen für den Alarmgong und Durchsagen
  • Industriebetriebe, Lager- und Werkhallen
  • Sportstätten (Turn- und Mehrzweckhallen, Sportplätze, Stadien)
  • Krankenhäuser, Pflegeheime

Vorteile einer 100 Volt ELA

Der Einsatz einer Beschallungsanlage, die in 100 Volt Technik aufgebaut ist, bringt viele Vorteile mit sich. Um die Vorteile verstehen und nachvollziehen zu können, sind einige physikalische Grundlagen notwendig, auf diese werde ich der Einfachheit halber erst am Ende des Artikels genauer eingehen.

 

Geringere Leitungsverluste

Der größte Vorteil der 100 Volt Technik liegt in den geringeren prozentualen Verlusten auf den Lautsprecherleitungen. Das ist vergleichbar mit der Nutzung von Hochspannungsleitungen bei der Energieversorgung.

 

Vereinfachte Verdrahtung

Bei niederohmiger Lautsprecherverdrahtung darf die Gesamtimpedanz der angeschlossenen Lautsprecher die zulässige Mindestimpedanz des Leistungsverstärkers nicht unterschritten werden. Will man mehrere Lautsprecher an einen Verstärker anschließen, so müssen die Lautsprecher durch gezielte Reihen- und Parallelschaltung nach diesem Aspekt kombiniert werden. Im Gegensatz dazu werden in einer 100 Volt ELA-Anlage einfach alle Lautsprecher parallel auf die Lautsprecherleitung geschaltet. Das reduziert den Installationsaufand und minimiert mögliche Fehler.

 

Beispiel 1: Einsatz von niederohmiger Technik

Nehmen wir als Beispiel ein Kaufhaus, in dem ein 1000 m² großer Verkaufsraum für Hintergrundmusik und Durchsagen beschallt werden soll. Um ein gleichmäßiges Lautstärkeverhältnis zu erreichen, sollen 25 einzelne Lautsprecher mit je 8 Ω Impedanz zum Einsatz kommen. Als Verstärker soll ein Modell verwendet werden, das eine minimale Lastimpedanz von 8 Ω erfordert.

Die Leitungsverluste vernachlässigen wir hier mal. Würden wir nun alle Lautsprecher parallel anschließen, kämen wir auf eine Gesamtimpedanz von 0,005 Ω. Dadurch wäre der Leistungsverstärker absolut überlastet und würde schnell einen gnadenlosen Tod sterben…
Um das zu umgehen, müssen die Lautsprecher nach folgendem Schema verschaltet werden:

Grafik: Markus Kafurke

Hierbei entsteht ein enormer Verdrahtungsaufwand. Dabei ist es unerheblich, ob die Leitungen der einzelnen Lautsprecher zu einer Verteilerstation geführt und dort zentral verdrahtet werden, oder die Verdrahtung und passende Beschaltung vor Ort am Lautsprecher selbst erfolgt. Betrachten wir nun mal zusätzlich den Fehlerfall, z.B. eine Leitungsunterbrechung. Die Fehlersuche erweist sich in beiden Fällen als zeitaufwändig und schwierig. Sollte in einer „Linie“ aus in Reihe geschalteten Lautsprechern eine Leitungsunterbrechung auftreten, so fallen alle in Reihe geschalteten Lautsprecher aus. Somit fällt deren Impedanz weg und die Gesamtimpedanz steigt auf 10 Ω, was wiederum eine Reduzierung der Gesamtlautstärke zur Folge hat. Als weiteres Problem stellt sich die mangelnde Erweiterungsfähigkeit dar. Würde das Kaufhaus seine Verkaufsfläche vergrößern und die bestehende Beschallungsanlage erweitern wollen, müsste alles komplett neu berechnet und ggf. neu verdrahtet werden.

Die Berechnung dieses Beispiels finden Sie im Abschnitt mit den technischen Grundlagen.

 

Beispiel 2: Einsatz von 100 Volt Technik

Nehmen wir dieselbe Umgebung aus dem Beispiel 1, unser Kaufhaus. Hier können alle zu verwendenden Lautsprecher parallel geschaltet werden. Wie oben geschildert, entnehmen die Lautsprecher nur die am Trafo eingestellte Leistung. Es ist lediglich darauf zu achten, dass die Gesamtleistung aller Lautsprecher die Leistung des Verstärkers nicht übersteigt:

Grafik: Markus Kafurke

In der Grafik sind die Lautsprecher der Einfachheit halber ohne vorgeschalteten Trafo dargestellt. Hier ist der Verdrahtungsaufwand deutlich geringer. Ferner hätten weder der Ausfall eines einzelnen Lautsprechers, noch einer ganzen „Linie“ irgendwelche negativen Einflüsse auf das Gesamtverhalten der Anlage. Auch eine Erweiterung stellt sich vom Installationsaufwand recht einfach dar. Die Lautsprecherleitungen müssten lediglich verlängert und die zusätzlichen Lautsprecher parallel aufgeschaltet werden. Die Gesamtleistung darf die Ausgangsleistung des verwendeten Verstärkers nicht überschreiten. Gegebenenfalls müsste ein Verstärker mit einer höheren Ausgangsleistung beschafft werden. Alternativ könnte aber ein zusätzlicher Verstärker eingesetzt werden, der nur die neu hinzugekommenen Lautsprecher versorgt. Das hält den Kostenrahmen in Grenzen.

Leitungsausfallsicherung durch Ringleitungen

Nehmen wir an, um ein Fußballfeld herum sollen mehrere Nahfeldlautsprecher (die auf den Bahnsteigen) platziert werden. Da wir von den Vorteilen der 100 Volt Technik überzeugt sind, werden wir diese hier auch einsetzen:

Grafik: Markus Kafurke

Nur für’s Protokoll: Die Abstrahlrichtung der Lautsprecher entspricht zur Vereinfachung des Verdrahtungsprinzips nicht der realen Ausrichtung!

Wir legen ein den Vorschriften entsprechendes Kabel einmal um das gesamte Fußballfeld und führen die Kabelenden zusammen. An der Stelle, wo das Lautsprechersignal eingespeist wird, verbinden wir die einzelnen Leiter polaritätsrichtig. Somit wird jeder einzelne Leiter von zwei Seiten in der nun entstandenen Ringleitung gespeist. Wird nun das Kabel an einer Stelle unterbrochen, so wirkt sich diese eine Unterbrechung nicht auf die Funktion des Gesamtsystems aus, da die Lautsprecher direkt vor und nach der Störstelle von der jeweils anderen Seite mit versorgt werden.

Erst eine zweite Unterbrechung würde die Lautsprecher, die sich zwischen den beiden Störstellen befinden, verstummen lassen. Die anderen Lautsprecher wären davon nicht betroffen.

Einfach umzusetzende Hörgerätetauglichkeit

Oft besteht gerade in Kirchen und Seniorenheimen die Anforderung, dass Trägerinnen und Träger von Hörgeräten über induktive Anbindung die Lautsprechersignale zusätzlich direkt auf in bestimmten Bereichen vorhandene Hörgeräte übertragen werden müssen.

Hierzu werden dann Induktionsschleifen im Fußboden-, Wand- oder Deckenbereich installiert. Fließt durch diese Schleifen ein dem Nutzsignal entsprechender, niederfrequenter Strom, baut sich innerhalb des Bereiches, um den die Schleife installiert ist, ein Magnetfeld auf. Dieses gibt das Nutzsignal wieder und kann über die so genannte Telefonspule des Hörgerätes aufgenommen und wieder in ein Audiosignal gewandelt werden.

Ein großer Vorteil induktiver Höranlagen besteht in der drahtlosen Übertragung. Der Benutzer kann sich somit innerhalb der Schleife frei bewegen und die Lautstärke an seinem Hörgerät individuell einstellen. Es gibt auch separate Empfangseinheiten, die oft in Museen anzutreffen sind, über die Besucherinformationen in Form von Audiobeiträgen gesendet werden. Gerade in Ballungsgebieten, in denen die Nutzung von Funkübertragung problematisch sein könnte, wird gerne auf diese Technik zurückgegriffen.

Heutzutage kommen sowohl zusätzlich, als auch alternativ Module zum Einsatz, die Bluetooth-taugliche Hörgeräte über diesen Funkstandard versorgen können.

Einsatz einer ELA-Anlage als Alarmeinrichtung

Heutzutage werden ELA-Anlagen nicht mehr als reine Beschallungs- und Informationssysteme verwendet. ELA-Anlagen sind in modernen Gebäuden fester Bestandteil des Sicherheitskonzeptes.

Man spricht dann von „Elektroakustischen Notfallwarnsystemen“ oder kurz ENS.

Dabei gibt z.B. die Brandmeldeanlage ein Alarmereignis an die ELA weiter, die dann vollautomatisch entweder das komplette Gebäude, oder nur die betroffenen Bereiche mittels teils mehrsprachiger Alarmtexte evakuiert. Im Zuge der zunehmenden Amokläufe kann so auch zwischen verschiedenen Alarmereignissen unterschieden und eine lageabhängige Verhaltensanweisung wiedergegeben werden.

Je nach Objektart und –größe sind ENS sogar gemäß der Europäischen Norm EN 60 849 vorgeschrieben.

Die Norm wurde 1998 verabschiedet, um einen europaweit gültigen und verbindlichen Standard einzuführen, wie in welchen Objekten die Personen bei einem Notfallereignis per Sprachalarmierung zu evakuieren oder instruieren sind. Je nach Mitgliedsstaat der EU können jedoch abweichende Regelungen gelten.
In Deutschland sind Elektroakustische Notfallwarnsysteme beispielsweise für folgende Objekte vorgeschrieben:

  • Beherbergungsstätten (Jugendherbergen, Hotels, etc.)
  • Krankenhäuser, Pflegeeinrichtungen
  • Versammlungsstätten mit einer Kapazität von mehr als 200 Personen
  • Sportstätten mit einer Kapazität von mehr als 500 Personen
  • Schulen
  • Verkaufsstätten mit einer Verkaufsfläche größer als 2000 m²

Für Gebäude, die vor 1998 erbaut wurden, gilt unter Umständen Bestandsschutz, teilweise gibt es auch Ausnahmeregelungen.

An diese Anlagen werden hinsichtlich der Ausfallsicherheit hohe Anforderungen gestellt. Die Installation darf aufgrund der Komplexität solcher Umgebungen ausschließlich durch einen zertifizierten Fachbetrieb erfolgen.

Für ENS-Anlagen gelten u.A. ebenfalls folgende Normen und Verordnungen:

  • VDE/DIN/EN/IEC 65 und Einhaltung der EMV
  • DIN EN 50065/50081/55020/55022
  • DIN VDE 0848 Teil 1-4, 0843 und 0845 (Statische Elektrizität und Überspannung)
  • EN 60849 (Auszug):
    • Sicherstellung der Betriebsfähigkeit durch zwingenden Abschluss eines Wartungsvertrages mit einem zertifizierten Fachbetrieb
    • Zwingendes Führen eines Betriebshandbuches, in dem Wartungsarbeiten, sowie Störungen dokumentiert werden müssen
    • Objektive Sprachverständlichkeit
  • DIN VDE 0800/0804/0828 in Bezug auf:
    • Selbstüberwachung des gesamten Systems vom Mikrofon bis zum Installationsbereich
    • Inklusive dauerhafter Überwachung
    • Einzel-Fehlermeldung und Sammelstörmeldung der Systemtechnik zur Weiterleitung an die Gebäudeleittechnik (falls vorhanden)
  • DIN 33404 Teil 3 (Normiertes Alarmsignal für Feueralarm), MP3 zum Download am Ende des Artikels.
  • Netzversorgungsunabhängige Notstromversorgung nach Vorgaben der örtlichen Genehmigungs- und Ordnungsbehörden und für mindestens 30 Minuten im Alarmfall
  • Gegebenenfalls in mehreren Sprachen abgespeicherte Alarmdurchsagen mit Verhaltenshinweisen, z.B. in Schulen zusätzlich für Amokalarm.
  • Alle Komponenten der Beschallungs- und Alarmierungsanlage müssen eine EN-54-16-Zertifizierung aufweisen (nach DIN EN 60849 (VDE 0828) und DIN VDE 0833-4)

Neben der redundanten Verkabelung der Lautsprecherlinien sowie Notstromversorgung sind auch permanente Überwachungen vorgeschrieben. Überwacht werden z.B. ständig:

  • Die Lautsprecherkreise hinsichtlich:
    • Kurzschluss, Erdschluss
    • Unterbrechung
    • Ausfall einzelner Lautsprecher (durch Impedanzüberwachung)
  • Der/die Verstärker
    • Es wird permanent ein nicht hörbarer Pilotton abgespielt. Am Verstärkerausgang wird geprüft, ob dieser auf den Lautsprecherkreisen ankommt. Falls nicht, wird automatisch auf Ersatzverstärker umgeschaltet (Havarie-Umschaltung).
  • Digitaler Sprachspeicher
    • Die automatisch wiederzugebenden Alarmtexte müssen auf einem nicht flüchtigen Speicher vorgehalten werden. Dieser wird zyklisch geprüft.
  • Feuerwehrsprechstellen
    • Manche Feuerwehren verlangen in ENS so genannte Feuerwehrsprechstellen.

Das sind Durchsagestationen, die bei der Verwendung höchste Priorität haben, also auch automatische, gespeicherte Durchsagen stummschalten. So sind lageabhängig individuelle Durchsagen und Anweisungen durch die Einsatzkräfte möglich.

  • Notstromversorgung
    • In einem Brandfall kann die Spannungsversorgung ausfallen. Daher muss die gesamte ENS über eine Akku-gepufferte Notstromversorgung verfügen. Diese wird ebenfalls permanent überwacht.
  • Die Alarmeingänge
    • Die Verbindung der Brandmeldeanlage zur ELA wird permanent auf Kurzschluss und Leiterunterbrechung überwacht.

Das macht solche Anlagen entsprechend kostspielig, insbesondere, wenn mehrere Räume, Trakte und Gebäude in das System eingebunden werden.

Technische Grundlagen

Wie weiter oben bereits angekündigt, komme ich nun zu den physikalischen Grundlagen. Hierzu müssen wir leider etwas ausholen, ohne Mathematik und Elektrotechnik geht es leider hier nicht.

Ohm’sches Gesetz

Das Ohm’sche Gesetz ist eine der wichtigsten Regeln der Elektrotechnik und besagt, dass das Produkt aus Stromstärke und Widerstand die Spannung ergibt, die an dem Widerstand abfällt. Durch Umstellen der Formel (U = R* I) kann man dann die jeweils unbekannte elektrische Größe leicht ausrechnen. Eigentlich gilt das Ohm‘sche Gesetz für Gleichspannungen, kann aber in Grenzen auch auf Wechselspannungen, also bei Impedanzen angewandt werden.

Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

Reihenschaltung

Hier berechnet sich der Gesamtwiderstand ganz einfach durch die Addition der Einzelwiderstände:

Parallelschaltung

In einer Parallelschaltung berechnet sich der Gesamtwiderstand wie folgt:

Beispielrechnung Kaufhaus

Für das Beispiel 1 mit dem Kaufhaus ergibt sich für die Parallelschaltung aller 25 Lautsprecher (8 Ω):

Betrachten wir nun aus dem Beispiel 1 die kombinierte Reihen- und Parallelschaltung:

In den Teilsträngen, in denen jeweils 5 Lautsprecher in Reihe geschaltet sind, ergibt sich jeweils die Teilimpedanz aus der Addition der Impedanzen der Einzellautsprecher des Stranges:

Schalten wir nun diese 5 Teilstränge mit je 40 Ω parallel:

Leistung

Die Leistung ist das Produkt aus anliegender Betriebsspannung und der Stromstärke.

Die Formel dazu lautet: P = U * I

Spezifischer Widerstand

Der Spezifische Widerstand(ϱ „Rho“) ist der Widerstand eines bestimmten Materials. Dieser bestimmt dann in Abhängigkeit des eingesetzten Leiterquerschnittes den Leitungswiderstand. Der Wert liegt für Kupfer bei 0,0172.

Leitungswiderstand

R ist der (Leitungs-)Widerstand, l Leiterlänge, ϱ der spezifische Widerstand und A der Leiterquerschnitt in mm². Zu beachten ist, dass hier der Leitungswiderstand aller Leiter berechnet werden muss. Der Wert muss gegenüber der Kabel- bzw. Leitungslänge also noch verdoppelt werden, da ein Lautsprecher ja mit zwei Leitern angeschlossen wird.

Beispielrechnung

Verwendet werden soll eine Kupferleitung mit 2 x 1,5 mm² Leitungsquerschnitt. Die Leitungslänge beträgt 337 Meter (entspricht einer effektiven Leiterlänge von 674 Metern).

Betreibt man an einem niederohmigen Verstärker einen entsprechenden Lautsprecher (8 Ω) mit der oben berechneten Leitung, so steht an dem Lautsprecher nur noch die Hälfte der Spannung, also ¼ der Leistung zur Verfügung.

Tabelle Leitungsverluste

Um einen guten Überblick über die Leitungsverluste im Vergleich der niederohmigen Technik zur 100 Volt Technik aufzuzeigen, habe ich Euch auf Basis der obenstehenden Formeln mal eine Tabelle erstellt. Der Wert in der Tabelle bezeichnet die am Lautsprecher verfügbare Leistung bei einer eingespeisten Leistung von 100 Watt:

Tabelle Leitungsverluste | Foto: Markus Kafurke

Hier sieht man ganz deutlich den Vorteil der 100 Volt Technik gegenüber niederohmiger Lautsprecheranlagen.

About the Author

Markus Kafurke
Markus Kafurke, Baujahr 1971, ist seit seinem 13. Lebensjahr im Bereich Tontechnik aktiv. Erst als Roadie der Band seines Schwagers, dort lernte er vom Tontechniker der Band die ersten Grundlagen. Mit 17 zum Rundfunk gestoßen, hier mehrere Jahre Moderator und Techniker im "Bürgerfunk" bei Radio Bonn-Rhein-Sieg. Zunächst autodidaktische Weiterentwicklung, später von erfahrenen Toningenieuren und Tonmeistern bei der Bundeswehr in der Informations- und Medienzentrale der Bundeswehr viel gelernt und dort als Redakteur, Sprecher und Techniker an Produktionen zur Truppeninformation (Fernseh- und Rundfunksendungen) sowie CD-Produktionen der Big-Band der Bundeswehr mitgewirkt. Diverse FOH-Einsätze bei verschiedenen Bands sowie Stadtfesten, Konferenzen, Versammlungen. Spezialgebiet Sprachbeschallung und ELA (100-Volt-Technik).