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Stand 09.09.2016

Boxenbau Projekt 7: Aktives PC-Lautsprecher-Set

von K. Föllner
 

1. Einleitung:

Nachdem der Desktop-PC irgendwann aus dem Wohnzimmer geflogen ist, man nicht immer Kopfhörer nehmen sollte, die gekauften PC-Böxchen nervten und ich keine extra HiFi-Anlage in das Arbeitszimmer stellen wollte, wurde Mitte 2015 das nächste Boxenprojekt, ein Paar aktiver PC-Lautsprecher, in Angriff genommen.

Aktiv, also mit integrierter oder externer Endstufe ist ein Muss, da alle PC-Endstufen, wenn überhaupt vorhanden, dann sehr schwach und klanglich "unterdurchschnittlich" sind.

Als maximale Größe definierte ich mal 14cm Breite, 25cm Höhe und 20cm Tiefe, um den Schreibtisch nicht zuzustellen..
Aufgrund von LCD-Flachbildschirmen anstatt Röhren muss man heutzutage nicht mehr auf eine magnetische Schirmung achten, schaden tut sie aber nicht...
Prinzipiell gibt es meiner Meinung nach folgende sinnvollen Varianten für diese Anwendung:

  1. Verwendung eines Breitbänders, der mindestens den Frequenzbereich von 80 Hz bis 15 kHz abdeckt
  2. Zweiwegesystem mit zwei breitbandigen Chassis, die zusammen mindestens 60 Hz bis 16 kHz abdecken
  3. Variante 1 mit Subwoofer-Unterstützung
  4. Variante 2 mit Subwoofer-Unterstützung
Eine maßgebliche Einschränkung ist die schmale Form, die in der Front nur maximal 10cm-Lautsprecher zulässt. Zu breite Boxen finden nur schwer Platz auf dem Schreibtisch. Bei einem Zweiwegesystem könnte man einen größeren Tieftöner von 13cm oder 16cm noch in der Seite einbauen, die Trennfrequenz der Weiche müsste aber dazu schon niedrig sein, z.B. unterhalb 400 Hz, damit das ohne Auslöschungen und Löcher im Frequenzbereich gut funktioniert. Mit höherer Frequenz nimmt der gerichtete Schallanteil immer mehr zu.
Ein anderer Vorteil der Breitbandversion: Störgeräusche im hohen Frequenzbereich (durch interne Taktgeräusche, wie z.B. von Grafikkarten) werden meist besser unterdrückt, wenn hier die obere Grenzfrequenz etwas niedriger als bei reinen Hochtönern liegt.
Ich entschied mich als erstes mal für die einfache Breitbandvariante, auch da man hier die Weiche einsparen kann.

2. Treiberauswahl:

Hier gibt es viele kleine Breitbänder von z.B. Tang-Band, Monacor, Visaton, oder auch höherwertige von z.B. Fostex, Peerless, SEAS, scan-speak.
Der Breitbänder sollte in einer geschlossenen oder Bassreflex-Abstimmung bei moderatem Volumen ab 100Hz (-3dB) spielen können und möglichst klanneutral bis mind. 15kHz gehen. Die Kosten sollten mit max. 100 EUR für das Paar auch noch relativ günstig sein.
Die kleine Membranfläche bei niedriger, unterer Grenzfrequenz bedingt aber leider je nach Pegel große Auslenkungen, also sollte die lineare Auslenkung Xmax nicht zu klein sein. Vor allem Tang-Band bietet hier sehr langhubige Typen an, die aber meist nur eine kurze Zeit erhältlich sind. Auf der anderen Seite ist durch den Hörabstand von unter einem Meter der nötige Minimalpegel nicht so groß. Der Wirkungsgrad spielt so keine überragende Rolle, darf aber Werte um 80dB(1W 1m) nicht unterschreiten.

Ich probierte den Monacor SPX-31M, den es für unter 25 EUR (Straßenpreis) pro Stück gibt.

Herstellerlink: www.monacor.de/produktdetailseite/?artikelid=8327

Allg. Chassisdaten:
TS-Parameter:
F-Bereich f3 ... 20 kHz
Re = 6,4 Ohm
Prms = 20 W (40 Wmax)
fs = 110 Hz
Papiermembran mit Alu-Phaseplug
Qts = 0,58
Geschirmtes Magnetsystem
Qes = 0,69
belüftete Zentrierspinne
Qms = 3,707
Außendurchmesser 93 mm
Vas = 1,32 l
Magnetdurchmesser 68 mm
Le = 0,18 mH
Einbau-Durchmesser 71 mm
Sd = 32 qcm
Schwingspulendurchmesser 20 mm
Xmax  = +- 1,1 mm
Einbautiefe <= 55 mm
Z = 8 Ohm
Front- und Hintermontage möglich
SPL = 86 dB (1 W, 1 m)
Masse 0,5 kg (davon Magnet 119 g)
EBP = 159


Aufgrund der Güte Qts ist dieses Chassis für geschlossene Gehäuse geeignet, lässt sich aber mit Einschränkungen auch in einer BR-Abstimmung betreiben.

Mit einem linearen Auslenkung Xmax von +-1,1 mm und einem SPL von 86 dB sind bei 2 Lautsprechern auch bei 100 Hz Bassreflex 95dB an Schalldruck in einem Meter Entfernung (bei je 2W) drin.



3. Bassreflex-Abstimmung und Gehäusegröße

Wer dieses Chassis in einem geschlossenem Gehäuse betreiben will, da sind 3,5 Liter eine gute Wahl, so werden fu =135Hz bei einer Einbaugüte von 0,68 erreicht. (2,8 Liter für Butterworth), Als Satellit ist das ebenfalls ausreichend.

Bei nur 64 mm effektiven Membrandurchmesser muss auch das Reflexrohr nicht groß sein: 2,5 cm sind hier nahezu ideal. Das gewählte mit 25 mm Durchmesser muss eine Länge zwischen 4,5 und 6cm aufweisen. Es geht der Verlustfaktor QL bei der Bassreflex-Abstimmung mit ein, dieser lässt sich aber leider aufgrund des kleinen Volumens nur schwer schätzen, er sollte hier im Bereich 10...20 liegen.
Ich nahm mal 5,5 cm Länge bei einem Netto-Volumen von 3,6 Litern. Bei dieser Abstimmfrequenz von etwa 75 Hz liegt die untere Grenzfrequenz (-3dB) bei 65...70Hz! Die Simulation sagt 59Hz bei -8dB und 57Hz bei -10dB voraus. Das ist schon richtiger Bass und das aus einem so kleinen Chassis.

Bassreflex-Simulation

Die 3,6 Liter plus Reflexrohr plus Lautsprecher selbst ergibt etwa 3,8 Liter Innenvolumen.

4. Endstufe

Wie schon oben beschrieben, benötigt man eher wenig Leistung, kleine käufliche PC-Speaker haben oft 1...3 Watt Leistung pro Lautsprecher.
Ich halte 6W pro Ausgang für einen guten Kompromiss.

PS: Die DIN-HiFi-Norm schreibt hier minimal 10W vor. ;)

Aufgrund der kleinen Leistung, des großen Frequenzbereichs sind hier analoge (class-A/B oder gar class-A) Endstufen die beste Wahl. Mehr als 10W, also 20W, die der Lautsprecher verträgt, sind nur bei zusätzlichem Hochpass mit z.B. 100...120Hz sinnvoll, da sonst die Membranauslenkung zu groß wird.
Dann muss das Netzteil aber auch schon deutlich größer werden.

Was Leute hier nutzen wollen, ist ziemlich frei. Ich hatte noch ein altes Notebook-Netzteil (DC 20V, 2A) und diverse alte Endstufen-Schaltkreise da. Solche werden z.B. in Fernsehern oder Autoradios eingesetzt. Es können auch andere Bausätze oder alte HiFi-Verstärker dafür verwendet werden. Achtung, keine Class-B-Endstufen nutzen, die teilweise mit solchen Autoradio-ICs umgesetzt werden, deren Klirrfaktor ist zu hoch.

Schaltung Verstärker
IC1: TDA2615
P1: 2x20kOhm / log
R1: 20k
R2, R3: 10R
R4, R5: 120R/1W
R6, R7: 100R/0,5W
R8, R9: 22k
R10: 22k
C1, C2: 220nF
C3: 100uF/35V
C4, C5: 22nF
C6, C7: 1000uF/35V
C8: 220nF
C9: 470uF/35V oder mehr
C10: 220uF/25V
D1, D2: 1N4148 o.ä.
D3: Leistungs-Schottky >3A (optional)
D4: ZD36V
D5: LED (10mA)
T1: BC547C o.ä. (Standard-NPN: hfe>100; Ic abh. vom Relais, Uce>50V)

Ich nahm den TDA2615, da dieser mit höheren Versorgungsspannungen wie 20V vom Schaltnetzteil (mind. 1,6A) umgehen kann. Der IC benötigt trotzdem ein Kühlblech.
Der Schalter und R1 dienen für eine Mute-Funktion, die man aber auch weglassen kann.
Obwohl es durch den IC eigentlich nicht notwendig ist, spendierte ich dem Amp eine Einschaltverzögerung mit dem 24V-Relais oben rechts. Dieses kann man auch weglassen, dann entfallen zum Relais auch R4, R5, R8, R9, D1, D2, D4, T1, C10.

5. Gehäusebau

Als Gehäusematerial setzte ich Sperrholz mit eine Dicke von 8 mm ein.
Der Lautsprecher sollte frontal von außen aufgeschraubt werden. Um an die Front auch einen zusätzlichen Rahmen mit Frontbespannung befestigen zu können, ließ ich genügend Platz um den Lautsprecher und das Rohr herum.
Die Breite von 150 mm passt gut, ich nahm 1 cm mehr als vorgesehen, da so das Netzteil besser in den Sockel passt. Die Höhe nahm ich mit 20 cm. Damit ergibt sich theoretisch eine Tiefe von etwa 18 cm.

Die Position (Mittelpunkt) vom Lautsprecher wurde nach dem Goldenen Schnitt gewählt. Das Rohr ist dann mittig zwischen Plattenkante und Lautsprecher.

CAD

Die Box sollte einen schrägen Sockel erhalten, der den Breitbänder besser auf den Hörer ausrichtet. Die Planung sah vor, in diesen die Endstufe und evtl. in den anderen das Netzteil zu integrieren.

In der linken Box ist im Sockel das Netzteil, in der rechten die Endstufe.

Bild der linken Box:

6. Erweiterung

Wie schon in der Einleitung erwähnt, kann man dieses Lautsprecherpaar mit einem Subwoofer ergänzen, um auch Tiefbass erzeugen zu können und mehr Pegelreserven bei anderen Anwendungen zu haben.

Hier sollten zwei alte 16,5cm-Sinus-live Autolautsprecher noch eine Verwendung finden.

Siehe dazu später mal das Boxen-Projekt 8.



es folgt später mehr...

7. Alternativer Bau

Hier sind zwei Bilder eines anderen Selbstbauers, der das ganze aus Beton machte.