Gain

In Energiesystemen und Versorgungsnetzen ist die Verstärkung das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung an einem bestimmten Punkt in einem Stromkreis, Gerät oder Übertragungsnetz. Sie beantwortet eine einfache Frage: um wie viel mal stärker ist das Signal, das dieses Gerät verlässt, als das eingehende Signal? Die Verstärkung kann als einfacher Multiplikator ausgedrückt werden (eine Verstärkung von 2 bedeutet, dass die Ausgabe doppelt so hoch ist wie die Eingabe), als prozentualer Anstieg oder in Dezibel (dB), wobei eine Verstärkung von 3 dB ungefähr eine Verdoppelung der Leistung darstellt.

Versorgungsunternehmen und Stromnetze verlassen sich bei mehreren Anwendungen auf Verstärkungsberechnungen. Bei der Signalübertragung führen Verstärker eine Verstärkung ein, um schwache Signale über lange Strecken zu verstärken, was in SCADA-Systemen und der Kommunikation zwischen Kraftwerken und Kontrollzentralen entscheidend ist. In Audioüberwachungssystemen für Industrieanlagen bieten Mikrofon-Vorverstärker in der Regel eine Verstärkung von 20 bis 60 dB, um schwache Audiosignale auf ein nutzbares Niveau zu bringen. Optische Verstärker in Lichtwellenleiterkabeln führen eine Verstärkung von 20 bis 30 dB ein, um Verluste in der Faser selbst auszugleichen.

Verstärkung versus Dämpfung und das Dezibel-Problem

Verstärkung und Dämpfung sind Umkehrungen voneinander. Während Verstärkung ein Signal nach oben multipliziert, teilt Abschwächung oder Einfügungsdämpfung es nach unten. In Dezibel ist die Beziehung logarithmisch: eine Verstärkung von 20 dB entspricht einem Leistungsmultiplikator von 100, während eine Dämpfung von 20 dB bedeutet, dass das Signal nur noch 1/100 seiner ursprünglichen Leistung behält. Diese logarithmische Skala komprimiert den riesigen Bereich von Signalgrößen in echten Systemen zu überschaubaren Zahlen, verwirrt aber jeden, der damit nicht vertraut ist.

Praktische Verstärkungsspielräume sind beim Netzdesign von enormer Bedeutung. Eine Relaisstation in einer langen Übertragungsleitung muss ausreichend Verstärkung bieten, um ein verschlechtertes Signal wiederherzustellen, darf aber nicht so viel Verstärkung einführen, dass Rückkopplung, Schwingungen oder Rauschanfachung entstehen. Der Begriff Verstärkung erscheint auch in Regelsystemen: ein Proportionalregler hat eine Verstärkungseinstellung (manchmal Proportionalband genannt), die bestimmt, wie aggressiv das System auf Abweichungen vom Sollwert reagiert. Eine zu hohe Verstärkung führt zu Oszillationen und Instabilität; eine zu niedrige Verstärkung führt zu träger Reaktion.

Das Wort Verstärkung selbst spiegelt den grundlegenden Zweck der Verstärkertechnik wider: mehr zu erhalten, als man hineingibt. In der Elektrotechnik ist es seit den frühen Tagen des Rundfunks Standardterminologie; das Konzept lässt sich unmittelbar auf optische, thermische und mechanische Signalverarbeitung übertragen.