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Auch wenn Elektor sicher kein HiFi-Magazin ist und auch nicht werden will, so verfolgen wir selbstverständlich die Entwicklung auf diesem Gebiet aufmerksam und kritisch.

Die üblichen Produktbesprechungen und Testberichte werden Sie dennoch nicht in dieser Zeitschrift finden. Es gibt aber, unter der Flut von Neuerungen, deren Aktualität kaum über den Monat der Veröffentlichung hinausreicht, ganz selten Meilensteine der Entwicklung auf einem bestimmten Gebiet der Hi-Fi-Technik.

Wir glauben, daß die technische und akustische Relevanz des neuen Quad-Elektrostaten es verdient, in dieser Dokumentation festgehalten zu werden.

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....... benötigte immerhin 18 Jahre für die Aufzucht seines jüngsten Sprößlings. Derart perfektionistisches Produktdesign stempelt QUAD unweigerlich zum "klassischen" Außenseiter selbst der britischen Hi-Fi-Branche, und das will sicher auch schon etwas heißen!

Daß sich ein solcher in vielfacher Hinsicht außergewöhnlicher Lautsprecher nicht mit einer oberflächlichen Standard-Besprechung abtun läßt, versteht sich fast von selbst.

Um der Sache und unseren Lesern gerecht zu werden, möchten wir sowohl auf die Technik der Elektrostaten im allgemeinen als auch auf die Raffinessen des ESL 63 im besonderen mit der gebotenen Sorgfalt und Ausführlichkeit eingehen.
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Das erfordert einen extrem hohen Oberflächenwiderstand der Folie. Die 3um (Mikron) starke Polyesterfolie im
QUAD ESL 63 macht von Elektronenleitung Gebrauch, indem man sie mit einem Donator-Atom pro 10 Millionen nichtleitender Atome dotiert (das dürfte das größte Entwicklungs-Problem für Quad gewesen sein).

Die festen Platten des Elektrostaten sind perforiert und daher luftdurchlässig, sie bilden einen Plattenkondensator. Die der Gleichspannung am Kondensator überlagerte Wechselspannung erzeugt ein Wechselfeld, das "Signal-Feld", die treibende Kraft der Membrane ist schlicht und einfach Gesamtladung mal (Signal-) Feldstärke.

Wenn sich die Membrane bewegt, wird sie im Plattenkondensator eine Ladungsverschiebung verursachen, die Änderungsrate der
Membranbewegung (Schnelle!) ist proportional zur Änderungsrate der Ladungsverschiebung (Verschiebestrom).
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Die praktische Ausführung der festen Platten besteht auch aus thermoplastischem Material mit einer leitenden Schicht an den Außenseiten. Das vermindert die Isolationsprobleme im ESL 63 und erlaubt auch die Verwendung von spezifisch geformten Elektroden (siehe Bild 2).

Ein interessanter Aspekt ist die Frage der Dämpfung der Eigenresonanz. Bei einem elektrostatischen Wandler handelt es sich um die Resonanz zwischen der Steife (Compliance) als Folge der Rückstellkraft (mechanische Spannung) der Membrane und der Masse der Luft in der unmittelbaren Nähe der Membrane (und der sehr kleinen Masse der Membrane selbst). Musikalisch vorgebildete Leser werden vielleicht anmerken, daß diese Belastung durch die Luftmasse den gleichen Sachverhalt darstellt wie der, der eine Endkorrektur bei der Stimmung einer Orgelpfeife erforderlich macht.

Eine elektrische Dämpfung dieser Resonanz kann durch Regelung des Bewegungsstroms ("motional current") erfolgen (bei dynamischen Lautsprechern, der Spannung).

Im ESL 63 findet man auch eine interne akustische Dämpfung durch einen dem Luftstrom entgegengesetzten akustischen Widerstand (Dämpfung durch Verringerung der Luftdurchlässigkeit).
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Lautsprecher-Boxen üblicher Bauart gibt es eigentlich in dieser Form nur deshalb, um von einem dynamischen Lautsprecher mit relativ kleiner Membranfläche eine brauchbare Baßwiedergabe zu erhalten.

Sie haben sich aus den hinten offenen Radiogehäusen entwickelt, als man erkannte, daß die nach hinten in Gegenphase zum Frontsignal abgestrahlte Welle durch Auslöschung des Frontsignals die Baßwiedergabe stark vermindert.

Abgesehen von den Baßhörnern, bei denen es sich um akustische Anpaß-Transformatoren mit enormen Abmessungen handelt, gibt es zwei grundsätzliche Lösungsansätze: Eine Absorption der nach hinten abgestrahlten Welle in einer geschlossenen Box oder die Verwendung der Rückwelle in einem phasendrehenden Resonanzsystem, um die Baßleistung zu verstärken (Baßreflex- und Transmission-Line-" Labyrinth "-Systeme).
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Wie man gleich noch sehen wird, gibt es zwei spezifische Elektrostat-Eigenschaften, die es überflüssig und sogar unerwünscht machen, Elektrostaten in derartige Boxen einzubauen.

Unnötig ist der Einbau in Boxen, weil sich die Fläche des Strahlers leicht so groß machen läßt, daß das Interferenzproblem zwischen Vor- und Rücksignal nur noch bei den allertiefsten Audio-Frequenzen stört.

Und in diesem Bereich läßt es sich auch noch durch Baßanhebung - ohne Verzerrungen - beseitigen, da das Antriebssystem selbst prinzipiell linear arbeitet, solange es nicht übersteuert wird.

Unerwünscht ist der Einbau in Boxen deshalb, weil geschlossene Boxen unausweichlich mit einem beträchtlichen Innendruck arbeiten müssen. Ein solcher Druck würde die sehr fragile Membrane des Elektrostaten überfordern.

Eines der Probleme von elektrostatischen Wandlern ist die Tatsache, daß bei höheren Frequenzen ein erheblicher Blindstrom durch den durch die Platten gebildeten Kondensator fließt.

Peter Walker hat bereits 1954 darauf hingewiesen, daß sich dieses Problem durch die Verwendung mehrerer Lautsprechersegmente als Shunt-Elemente einer LC-Laufzeitkette lösen läßt.

Unter der britischen Patentnummer 1228775, veröffentlicht 1971, findet sich die Erklärung, wie diese Anpaßanordnung gehandhabt werden kann, um das Strahlungsdiagramm eines großflächigen elektrostatischen Lautsprechers zu beeinflussen.

Die Signalspannung am ESL 63-Wandlersystem kann Spitzenwerte von mehr als 10 Kilovolt annehmen. Dies ist erforderlich, um Feldstärken nahe der Ionisationsgrenze (Durchschlagsspannung) entlang eines Luftspalts zu erreichen, der der Membrane ausreichend Bewegungsfreiheit für die Wiedergabe niedriger Frequenzen läßt.

Einen NF-Transformator zu entwickeln, der solche Spannungen mit voller Hi-Fi-Bandbreite und geringen Verzerrungen erzeugt, war sicher eine interessante, aber bestimmt nicht leichte Übung.

Der ESL 63 hat zwei identische, ziemlich schwere Transformatoren, deren Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind. Diese Unterteilung erlaubt es nicht nur, den notwendigerweise großen Trafo in dem relativ kompakten Standsockel des Lautsprechers unterzubringen, sondern verhilft auch zu einer Verringerung der Streu-Induktivität und Streukapazität, die die obere Grenze der Bandbreite bestimmen.

Bei dieser Gelegenheit muß auch einmal gesagt werden, daß es nicht einen einzigen Grund gibt, der die Verwendung von Übertragern mit Eisenkern in Audio-Schaltungen ausschließt. In vielen Fällen ist ein Transformator die beste, wenn nicht sogar, wie hier, die einzige Lösung.

Um die Ladung der Membrane trotz der Leckstromverluste und zusätzlicher Einbußen durch lokale Ionisationsvorgänge aufrechtzuerhalten, benötigt man eine sehr hohe Spannung.

Die Spannung sollte so hoch sein, daß die erzeugte Polarisationsfeldstärke in den beiden Luftspalten (zwischen Membrane und den beiden festen Platten) etwa den halben Betrag der Ionisationsfeldstärke annimmt.

Im ESL 63 ist das eine Spannung von etwa 5,25 kV, das entspricht einer Feldstärke von 2 kV/mm. Die Membranladung ist natürlich proportional zur Polarisationsfeldstärke.
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Ein weiteres, ganz nettes Detail ist die Weiterleitung der Hochspannung über eine Neon-Lampe mit parallelgeschaltetem Kondensator. Diese bildet, zusammen mit einem 10M-Widerstand und den viel höheren Leckwiderständen, eine ebenfalls klassische Schaltung: die blinkende Neon-Kippstufe.

Die Blinkfrequenz gibt hier einen Anhaltspunkt für die Ladungsabgabe an die Membrane. Vermutlich das Ergebnis von Peter Walkers Interesse, zu sehen, was da vorgeht. Man kann ihn beinahe sagen hören: "... extrem empfindlich und viel besser als grobschlächtige Meßinstrumente mit all den Kilovolts drumherum".
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Ein Elektrostat ist im Prinzip bis zum Ionisationspunkt linear. Sobald irgendwo Ionisation einsetzt, bleiben nur noch wenige Millisekunden, um die Spannung abzuschalten. Geschieht dies zu spät, sind bleibende Schäden unvermeidlich. Die Schutzschaltung muß daher praktisch ohne Verzögerung ansprechen, und auch lange genug wirksam sein, um die hitzigen Ionen wieder abzukühlen.

Bild 6 zeigt die Schutzeinrichtungen im ESL63. Die hochfrequenten Störsignale, die von jedem Ionisationsvorgang ausgehen, werden durch eine Antenne - ein Stück Draht im Hochspannungsteil - aufgefangen und durch Transistor T3 detektiert. Überschreitet der HF-Pegel an T3 einen bestimmten Wert, triggert das Timer-IC 555 und zündet den Triac T1.
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Und dann ... Leistungsverstärker, nehmt euch in acht: Dieser Lautsprecher schlägt zurück!

Solange der Lautsprecher eingeschaltet ist, erhält der Triac T3 über die Leuchtdiode immer Zündstrom und leitet. Fällt die Netzversorgung des Lautsprechers aus, oder ist der Lautsprecher einfach abgeschaltet, so sperrt T3.

Triac T1 kann nun auch über die Triggerdiode (DIAC)T2 gezündet werden, wenn am Audio Input eine ausreichend hohe Signalspannung liegt. Dies, um zu verhindern, daß der ausgeschaltete Lautsprecher bei Ansteuerung durch die Endstufe Schaden nimmt.

Diese Schaltung schützt den Lautsprecher ziemlich zuverlässig, aber wer schützt den Verstärker vor der Notwehrreaktion des Lautsprechers? Die Schutzschaltung schließt nämlich den Verstärkerausgang über T1 einfach kurz. Dadurch wird auch mit Sicherheit verhindert, daß man den QUAD ESL 63 mit Verstärkern betreibt, deren Schutzschaltung diesen Torturen nicht gewachsen ist.

Die Schutzschaltung des ESL 63 kann auch dann ansprechen, wenn der Verstärker gar nicht in der Lage ist, eine zu hohe Spannung zu liefern. Wir haben zumindest erlebt, daß das Einschalten einer Kaffeemaschine den Lautsprecher zum Ausschalten veranlaßt.
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Dieses ohne jede Vorwarnung rabiat ausschaltende Schutzverhalten kann einem den Musikgenuß ganz schnell verleiden. Das muß auch den Quad-Leuten irgendwann aufgegangen sein, neben dem totalen Musikentzug haben sie daher auch Verzerrungen als Sanktion für alle, die es gerne laut mögen, eingebaut.

Dieser sogenannte "Soft Clipper", der verwöhnte Ohren etwas weniger drastisch beleidigt, produziert hörbaren Klirr, wenn der Pegel sich bis auf 3 dB an die Abschaltschwelle genähert hat.

Wie das funktioniert, zeigt Bild 7. Das Signal vom Verstärker gelangt über kleine Vorschalt-Widerstände an die beiden Übertrager. Tr2 ist ein Schalttransistor mit einstellbarer Schaltschwelle. Sobald der Scheitelwert der Eingangsspannung in der positiven oder negativen Halbwelle 40 V überschreitet, wird der Transistor Tr1 auf gesteuert und läßt einen zusätzlichen Strom durch die beiden Widerstände fließen, was die Eingangsspannung der Übertrager auf hörbar nichtlineare Weise verringert.

Da gerade einem so hochwertigen Lautsprecher Verzerrungen weniger gut zu Gesicht stehen, wäre vielleicht eine optische Vorwarnung die bessere Lösuna aewesen.
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Damit das Kind auch einen richtigen Namen hat, wurde der ESL-63 auf FRED getauft. Diese (rein zufällige?) Buchstabenkombination stellt eine Abkürzung für "Full Range Electrostatic Doublet" dar.
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• Anmerkung : Den Namen "Fred" hatte ich doch schon mal woanders gehört - ja, bei dem dänischen Bandgerät von Lyrec. - aha.

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Das Prinzip der Abstrahlung expandierender Wellenfronten von einer flachen Membrane unter Verwendung einer angezapften Verzögerungsleitung zur Anpassung illustriert Bild 7. Diese Anordnung wurde von anderen Rezensenten bereits dahingehend interpretiert, daß eine virtuelle, punktförmige Schallquelle in einem Abstand von etwa 30cm hinter dem Lautsprecher erzeugt wird.

Tatsächlich ist die Situation beim ESL 63 aber doch etwas komplexer. Ein "Doublet" ist in diesem Fall ein akustischer Dipol, der aus zwei identischen Schallquellen unterschiedlicher Polarität besteht. Jede der beiden Schallquellen ist klein im Verhältnis zur Wellenlänge und befindet sich in einem ebenso kleinen Abstand zur anderen Quelle.
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Es sind immer die beiden gleichbleibenden Probleme, die die Lautsprecherwiedergabe im Wohnraum beeinträchtigen: Frühe Reflexionen und stehende Wellen.

Einen einfachen Fall des erstgenannten Problems zeigt Bild 11. Der Lautsprecher steht auf einem harten, also sehr reflektiven Boden, so daß das vom Lautsprecher abgestrahlte Schallsignal sowohl auf direktem als auch auf indirektem Weg (nach Reflexion am Boden) zum Hörer gelangt.

Das indirekte Signal wird wegen des etwas längeren Wegs etwa ein bis zwei Millisekunden später und etwas abgeschwächt beim Hörer eintreffen. Man kann sich auch vorstellen, daß sich der Boden wie ein akustischer Spiegel verhält. (Bild 11b).
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Die größere Entfernung, die das indirekte Signal zurückzulegen hat, entspricht immer bei irgendeiner Frequenz, bei Wohnräumen meist im mittleren Frequenzbereich, einer passenden halben oder ganzen Wellenlänge, so daß beim Hörer durch Interferenz eine teilweise Auslöschung in diesem Frequenzbereich auftritt.

Das Ergebnis sind relativ breite Einbrüche im Frequenzgang bei Frequenzen, bei denen der Wegunterschied eine halbe Wellenlänge oder ein ungeradzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge ausmacht. Bei Frequenzen, deren ganze Wellenlänge dem Wegunterschied entspricht, sind die beiden Signale in Phase, was Spitzen im Frequenzgang zur Folge hat, die normalerweise noch unangenehmer sind als die Absenkungen.

Bild 11 zeigt die Situation bei nur einer Reflexion. Tatsächlich werden aber mehrere Reflexionen und auch Mehrfachreflexionen auftreten. Dies war auch bei der ersten Hörprobe deutlich der Fall, nicht zuletzt wegen eines akustisch "katastrophalen" Steinfußbodens.

Daß der Lautsprecher unter diesen Umständen gar nicht anders konnte als mehr oder weniger dezent zu "tröten", hat denn auch niemanden überrascht. In einem Raum mit Teppichboden war von derartigen Interferenzen kaum noch etwas zu merken.

Nach dem Höherstellen der Lautsprecher mit Hilfe von etwa 35cm hohen Beistelltischen ergab sich eine überraschende Verbesserung, der Unterschied war größer als die paar dBs, die aufgrund der in Bild 11 gezeigten Verhältnisse zu erwarten gewesen wären.

Seltsam. Bis wir bemerkten, daß der größte Teil der Bodenreflexionen nach dem Höherstellen der Lautsprecher wohl buchstäblich unter den Tisch gefallen war. Ein großer Tisch in einigem Abstand von den Lautsprechern sorgte nun für eine zusätzliche Dämpfung.
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Was das Kapitel "stehende Wellen" anbelangt, bietet der ESL 63 als ""sauberer" Dipolstrahler einige Vorteile gegenüber dynamischen Lautsprechern. Da die Abstrahlung ausschließlich entlang der Achse erfolgt, ist eine Koppelung mit Reflexionen weniger wahrscheinlich, da sich die Reflexion ebenfalls entlang dieser Achse bewegen müßte.

Die allgemein verbreitete Meinung, daß ein Elektrostat wenig Bässe erzeugt, hängt wahrscheinlich zum Teil auch damit zusammen. Der Raum spielt beim Dipol-Elektrostaten einfach nicht die Rolle eines Baßresonators, wie es mit jedem anderen Lautsprecher erwartet werden kann. Sollte es dennoch mit dem Elektrostaten zu einer Baßanhebung durch den Wohnraum kommen, so läßt sich das durch eine etwas andere Lautsprecheraufstellung schnell beseitigen.
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Gleichwohl ist der ESL 63 in der Lage, hörbare Bässe zu produzieren. Nach Angaben von QUAD liegt der -6dB-Punkt bei 35Hz, der Schalldruck fällt nur mit 18dB/pro Oktave ab, also wesentlich sanfter als beispielsweise bei Baßreflexboxen (24dB/Okt.).

Bei Messungen im schalltoten Raum ist die Baßwiedergabe der einer konventionellen Box mit etwa 40L Volumen und 22cm-Woofer mindestens ebenbürtig. Daß sich im Wohnraum beim Elektrostaten ein ungewohntes Baßgefühl einstellt, liegt wohl daran, daß sich der Dipolstrahler bei tiefen Frequenz im Wohnraum nicht viel anders verhält als im schalltoten Raum, während der konventionelle Konuslautsprecher durch stehende Wellen in den Bässen "geboostet" wird.

Die extrem saubere und trockene Baßwiedergabe des ESL 63 ist etwas gewöhnungsbedürftig und sicherlich nicht nach dem Geschmack der HiFi-Freunde, denen der Sinn eher nach sehr mächtigen Baßlautstärken a la Klipsch-Horn steht.
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