Die Total Harmonic Distortion (THD), zu Deutsch Gesamtklirrfaktor, ist ein Maß für die Stärke der nichtlinearen Verzerrungen in elektrischen Signalen. Besonders in der Audio-, Mess- und Energietechnik spielt sie eine entscheidende Rolle, da sie Rückschlüsse auf die Reinheit und Qualität eines Signals zulässt.
Total Harmonic Distortion (THD) bezeichnet das Verhältnis der harmonischen Oberschwingungen zur Grundfrequenz eines Signals. Dabei handelt es sich um Vielfache der Grundfrequenz, die bei idealer Signalform – einem reinen Sinus – nicht auftreten würden. Diese zusätzlichen Frequenzen entstehen durch nichtlineare Verzerrungen in Bauteilen oder Schaltungen.
THD wird in der Regel in Prozent angegeben und zeigt, wie stark ein Signal vom Ideal abweicht. Ein THD-Wert von 1 % bedeutet beispielsweise, dass die Summe der Oberschwingungen 1 % der Grundschwingung entspricht. Je geringer dieser Wert, desto „sauberer“ ist das Signal.
Die Total Harmonic Distortion ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen den Effektivwerten der harmonischen Oberschwingungen und der Grundschwingung. Für die Berechnung ist entscheidend, wie stark die einzelnen Amplituden der Oberschwingungen im Verhältnis zum Grundton ausgeprägt sind.
Zur Analyse wird das Signal mit Hilfe einer Fourier-Transformation in seine Frequenzanteile zerlegt. Die gebräuchlichste Methode ist die Fast Fourier Transform (FFT). Damit lässt sich genau erkennen, welche Frequenzen – etwa bei einer Referenzfrequenz von 1 kHz – im Signal enthalten sind.
Moderne Messgeräte zeigen den THD-Wert nach interner Berechnung direkt an. Neben der Prozentangabe wird oft auch das Frequenzspektrum dargestellt, um die Verteilung der Oberschwingungen visuell zu machen.
In der Praxis entstehen harmonische Verzerrungen durch nichtlineare Komponenten wie Halbleiter, Transformatoren oder Lautsprecher. Diese Komponenten erzeugen zusätzliche Frequenzanteile, die das ursprüngliche Signal verfälschen können.
Typische Anwendungsbereiche:
Auch in industriellen Anwendungen, wie bei Frequenzumrichtern oder Schaltnetzteilen, kann eine hohe THD negative Auswirkungen auf die elektrische Netzqualität haben.
Der Begriff Klirrfaktor wird häufig synonym zur Total Harmonic Distortion verwendet. Streng genommen gibt es aber Unterschiede. Der Klirrfaktor bezieht sich oft auf das Verhältnis der nichtlinearen Verzerrung zum Gesamtsignal, während die THD speziell die Oberschwingungen im Verhältnis zur Grundfrequenz betrachtet.
Zudem gibt es die erweiterte Messgröße THD+N (Total Harmonic Distortion plus Noise), die neben den Oberschwingungen auch das Rauschen berücksichtigt. Diese Angabe ist besonders in der Audio- und Messtechnik gebräuchlich, da sie die tatsächliche Signalverzerrung realistischer abbildet.
Die Höhe der THD hängt von verschiedenen Faktoren ab:
Die THD wird beeinflusst durch die Form und Größe der Spannung, die an das System angelegt wird. Ein konstantes und sauberes Spannungssignal trägt maßgeblich zur Minimierung von Verzerrungen bei.
Zur Reduktion der THD werden unter anderem symmetrische Signalwege, aktive Filter, linear arbeitende Verstärker und Gegenkopplungen eingesetzt. Auch die Verwendung hochwertiger Komponenten hilft, Verzerrungen auf ein Minimum zu reduzieren.
Je nach Einsatzbereich gelten unterschiedliche THD-Richtwerte als akzeptabel:
| Anwendung | Typischer THD-Wert |
|---|---|
| Hi-Fi-Audioverstärker | < 0,1 % |
| Netzstrom (öffentliche Versorgung) | < 5 % |
| Funktechnik / Mobilfunk | < 1 % |
| Industrieanlagen / Netzlast | < 8–10 % (zulässig) |
Normen wie die IEC 61000 oder entsprechende DIN-Vorschriften definieren Grenzwerte, insbesondere für industrielle Anwendungen oder den Netzanschluss von Geräten.
Die Total Harmonic Distortion ist ein zentrales Maß zur Beurteilung der Signalqualität in elektrischen und elektronischen Systemen. Sie beschreibt den Anteil harmonischer Verzerrungen, verursacht durch Oberschwingungen, und wird in Prozent oder dB angegeben.
Eine geringe THD steht für hohe Signalreinheit – und ist damit essenziell in Bereichen wie Audiotechnik, Messtechnik, Kommunikation und Energietechnik. Durch moderne Analyseverfahren und gezielte Systemauslegung kann die THD heute effizient gemessen und minimiert werden – ein entscheidender Faktor für Qualität, Effizienz und Sicherheit.
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