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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 kleiner, 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 14 cm Breite, 25 cm
Höhe und 20 cm 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:
- Verwendung eines Breitbänders, der mindestens den
Frequenzbereich von 80 Hz bis 15 kHz abdeckt
- Zweiwegesystem mit zwei breitbandigen Chassis, die
zusammen mindestens 50 Hz bis 16 kHz abdecken
- Variante 1 mit Subwoofer-Unterstützung
- Variante 2 mit Subwoofer-Unterstützung
Ein anderer Vorteil der Breitbandversion: Entfall der Weiche und eine bessere räumliche Wiedergabe.
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 100 Hz (-3 dB) spielen können und möglichst klanneutral bis mind. 15 kHz 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 80 dB SPL (1W 1m) nicht unterschreiten.
Ich probierte den Monacor SPX-31M, den es für unter 25 EUR (Straßenpreis) pro Stück gibt.
Datenblatt
| 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 SPL (1 W, 1 m) |
| Masse 0,5 kg (davon Magnet 119 g) |
EBP = 159 |
Hier der vom Hersteller angegebene Frequenzgang: (Quelle: Hersteller-Webseite)
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 Kennschalldruck von 86 dB SPL sind bei 2 Lautsprechern auch bei 100 Hz Bassreflex 95 dB SPL an Schalldruck in einem Meter Entfernung (bei je 2 W) 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 =135 Hz
bei einer Einbaugüte von 0,68 erreicht. (2,8 Liter für
Butterworth), Als Satellit ist das ebenfalls noch
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 6 cm 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 Rohrlänge bei einem Netto-Volumen von 3,6 Litern. Bei dieser Abstimmfrequenz von etwa 75 Hz liegt die untere Grenzfrequenz (-3 dB) bei 65 ... 70 Hz! Die Simulation sagt 57 Hz bei -8 dB voraus. Das ist halbwegs OK.
Neben der eingesetzten SPX-31M habe ich den ähnlichen SPX-32M auch mal simuliert, der zu ähnlichen Ergebnissen führt.
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 6 W pro Ausgang für einen guten Kompromiss.
Fun Fact: Die alte HiFi-Norm DIN 45 500 schreibt auch mindestens 2x 6 W bei Stereoverstärkern, bzw. minimal 10 W bei Mono-Amps vor. Die DDR-HiFi-Norm TGL 28 660/05 forderte mindestens 2x10 W.
Aufgrund der kleinen Leistung, des großen Frequenzbereichs sind hier analoge (class-A/B oder gar class-A) Endstufen die beste Wahl. Mehr als 10 W, also 20 W, die der Lautsprecher verträgt, sind nur bei zusätzlichem Hochpass mit z.B. 100...120 Hz sinnvoll, da sonst die Membranauslenkung zu groß wird.
Dann muss das Netzteil und der Kühlkörper der Endstufe auch schon deutlich größer werden.
Was hier jeder hier nutzen will, ist ziemlich frei. Ich hatte noch ein altes Notebook-Netzteil (DC 20 V, 2 A) und diverse alte Endstufen-Schaltkreise da. Solche wurden 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.
Ich selbst spendierte zwei Stereo-Miniklinken- (3,5 mm) und zwei Cinch-Buchsen, die über Widerstände entkoppelt 3 Stereoeingänge (z.B. von verschiedenen Rechnern) ohne Umschalter bieten. Das ist in der Schaltung unten aber nicht eingezeichnet.
Ich nahm den TDA2615, weil er vorhanden war und er mit höheren Versorgungsspannungen wie 20 V von einem alten Laptop-Schaltnetzteil (mind. 1,6 A) umgehen kann. Der IC benötigt trotzdem einen Kühlkörper. Er kann bei einer 20 V Versorgungsspannung bis zu 5 ... 6 W an jeden 8-Ohm-Lautsprecher liefern. Dabei dürften etwa 5 W Verlustleistung auftreten.
Der gestrichelte Schalter links und R1 dienen für eine Mute-Funktion, die man (so wie ich) auch weglassen kann.
Die Kondensatoren C1, C2, C6 und C7 stellen Hochpässe dar, der die tieffrequenten Bässe von den Lautsprechern fernhält.
Obwohl es durch den IC eigentlich nicht notwendig ist, spendierte ich dem Amp eine Einschaltverzögerung mit dem 24-V-Relais oben rechts. Diese kann man auch weglassen, dann entfallen zum Relais auch R4, R5, R8, R9, D1, D2, D4, T1, C10. Dafür kann man nun mit dem nachgerüsteten Schalter rechts parallel zu C10 dann die Lautsprecher deaktivieren und den Kopfhörerausgang benutzen.
Genauso wurde später eine Zusatzplatine vorgesehen, die einen optionalen Ausgang für einen aktiven Subwoofer bietet. Siehe dazu unten im Kapitel 5.
Datenblattlink: Philips_TDA2615.pdf
Schaltplan zum Verstärkerteil:
Blau gekennzeichnet wurden nachträgliche Erweiterungen. (Erklärungen dazu siehe Kapitel 5)
IC1: TDA2615
P1: 2x 20 kOhm / log
(R1: 20 kOhm)
R2, R3: 10 Ohm
R4, R5: 120 Ohm / 1 W
R6, R7: 100 Ohm / 0,5 W
R8, R9: 22 kOhm
R10: 22 kOhm
C1, C2: 220 nF
C3: 100 uF / 35 V
C4, C5: 22 nF
C6, C7: 1000 uF / 35 V
C8: 220 nF
C9: 470 uF / 35 V oder mehr
C10: 220 uF / 25 V
D1, D2: 1N4148 o.ä.
D3: Leistungs-Schottky >3 A (optional)
D4: ZD 36 V
D5: LED (10 mA)
T1: BC547C o.ä. (Standard-NPN: hfe>100; Ic abh. vom Relais, Uce> 50 V)
5. Erweiterung
Wie schon in der Einleitung erwähnt, kann man dieses Lautsprecherpaar mit einem Subwoofer ergänzen, um auch ohne Equalizer genügend Bass und eventuell Tiefbass erzeugen zu können und mehr Pegelreserven bei anderen Anwendungen zu haben.Hier sollte ein alter 16,5-cm-Sinus-live Autolautsprecher noch eine Verwendung finden. Siehe dazu das Boxen-Projekt 8.
Um diese System direkt und einfach an den neuen Subwoofer anzuschleßen, wurde in der Box mit dem Verstärker eine zusätzliche Buchse eingebaut, die einen Mono-Audio-Ausgang und einen Schaltplus bietet. Dafür wurde eine GX12-Buchse mit 6 Pins eingebaut. Um den Sub gemeinsam mit dem PC-Boxen einzuschalten, wurden die Masse und der Plus der 20-V-Versorgung herausgeführt. Damit kann ein Relais direkt angesteuert werden. Die Masse liegt doppelt im Stecker an, um Störungen vorzubeugen. Den Relaisstrom über die Audiomasse fließen zu lassen, erscheint mir nicht sinnvoll. Um die 20 V auch gegen Kurzschluss zu schützen, wurde ein Polyswitch-Element (PTC) in Reihe geschaltet. Dieses wird bei zu großem Strom (größere Temperatur im PTC) hochohmig und begrenzt so den Strom. Eine Standard-Sicherung wäre hier ebenso möglich.
Um das Audio-Signal für den Subwoofer bereitzustellen wollte ich zuerst die oben dargestellte Zusatzplatine benutzen. Leider genügte die Ausgangsspannung, die dem Satellit-Verstärker voll ausreichte, dem Subwoofermodul nicht. Ich lass die Beschreibung hier als Lösung 1 mal drin.
1. Lösung: Zusatzleiterplatte mit Tranistoren in Kollektorschaltung:
Für das Audio-Signal wurde das Stereo-Signal direkt hinter den beiden Poti-Schleifern abgegriffen und mit je einer Transistorstufe entkoppelt, zusammengeführt (summiert) und über ein Pin nach außen geleitet. Während C1, C2, C3 und C4 bereits einen tieffrequenten Hochpass (ca. 35 Hz) darstellen, filtert der Kondensator C5 noch mit 1. Ordnung Frequenzen oberhalb 200 Hz. Dazu kommt eine Audiomasse zur Abschirmung des NF-Signals.
C1, C3, C5: 150 nF
C2, C4: 1,5 uF
C6: 100 uF / 35V
D1: 1N4148 o.ä.
R1, R5, R10: 100 k
R2, R6, R11: 110 k
R3, R7: 1,8 k
R4, R8: 10 k
R9, R13, R14: 10 R
R12: 3,3 k
R15, R16: 4,7 k
T1, T2: BC546/547/548 B/C (oder BC817C als SMD-Option)
T3, T4: N-Ch.Standard-Level MOSFET mit Uds >=30V und RDSon < 25 mOhm, z.B. IRF8707TR (SO8 bei Pollin für < 0,50 EUR pro Stück)
Schaltungsbeschreibung:
Auf der linken Seite sind zwei einfache Verstärkerstufen mit Bipolartransistoren in Kollektorschaltung (auch Emitterfolger genannt) vorhanden. Diese entkoppeln, stellen einen niedrigeren Ausgangswiderstand bereit und verursachen keine Phasendrehung. Dann wird durch das Zusammenschalten beider Ausgänge ein Monosignal erzeugt, das auch nach außen geleitet wird. Die Kombination R/R8 und C5 stellt auch gleichhzeitig einen Tiefpassfilter nit etwa 200 Hz Grenzfrequenz dar. Die Schaltung rechts dient zum Stummschalten des Ausgangs, damit bei deaktiviertem Lautsprecherausgang (also wenn das Relais aus ist) auch der Subwoofer stumm ist. Dazu werden zwei N-Kanal-FETs benutzt, die das Signal sehr niederohmig nach Masse ziehen und so unterdrücken. Bei Bipolartypen würde hier eine größere Spannung übrigbleiben, was hörbar wäre. Es werden zwei FETs antiseriell benutzt, damit bei höheren Pegel kein Clipping durch die Bulk-Diode entsteht. Bei Pegeln unterhalb von 0,7 Vp also <0,5 Vrms kann man auch den unteren FET T4 weglassen. Da der von mir benutzte Verstärker-IC (Spannungsverstärkung 30 dB) seine Vollaussteuerung bei ca. 300 mVpp erreicht, habe auch ich nur einen FET verwendet. Die Unterdrückung beträgt bei zwei 10-Milliohm-FETs, die mit den beiden quasi signal-parallelgeschalten 10 kOhm einen Spannungsteiler bilden, eine Dämpfung von 108 dB. Beide FETs sind mit niederohmigen Widerständen gegen Gate-Ringing voneinander entkoppelt. Durch den hochohmigen Spannungsteiler (100 kOhm und 110 kOhm) und die Gate-Kapazität von unter 1 nF pro FET ist der Ausgang in < 200 us ausgeschaltet. Das ist auch der initiale Normalzustand. Der Relais-Transistor T1 ganz oben aus der Schaltung im Kapitel 4, zieht über die Diode D1 und R12 die Gates nach Masse und schaltet die FETs "aus". Das aktiviert nun durch die hochohmigen FETs den Audio-Ausgang. Das Schalten dauert keine 10 Mikrosekunden. Einen Üerspannungsschutz benötigen die beiden Gates nicht, da durch den Spannungsteiler nur max. 52% der Betriebsspannung also unter 11 V anliegen. Die Z-Diode D4 aus der Originalschaltung oben schützt auch bei kurzzeitigen Spannungs-Peaks, die durch das Relais verursacht werden könnten.
Lösung 2:
Da der Ausgangspegel für das Subwoofermodul nicht ausreichte, war nun die naheliegende Lösung nicht zwei Stufen in Kollektorschaltung (mit Spannungsverstärkung V=1), sondern 3 Stufen in Emitterschaltung mit jeweils Verstärkung V=6 auf der Zusatzplatine aufzubauen. Damit hätte man auf jeden Fall genügend Pegel (V= 36 / +31 dB) und durch zwei nacheinander geschaltete Stufen gäbe es ebenso wie bei der obigen Lösung keine Phasendrehung.
Da aber auch der TDA-Verstärker-IC typisch +30 dB Spannungsverstärkung besitzt und die verwendeten Koppel-C's größer sind als für die Grenzfrequenz des Satelliten nötig (TDA-Eingang fu= 36 Hz, TDA-Ausgang < 20 Hz) wurden anstatt der Platine einfach zwei 10-Kiloohm-Widerstände an jeden Laustprecherausgang gehängt und diese zu einem Monosignal verbunden und dieses dann zur Ausgangsbuchse geleitet. Zusätzlich könnte man auch jedem Eingang-C noch einen weiteren Kondensator von 100 nF parallelschalten, um deren Grenzfrequenz von 36 Hz auf 25 Hz zu senken. Damit sinkt die untere Grenzfrequenz des Gesamtsystems von 44 auf 35 Hz.
6. 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 ohne Sockel beträgt bei mir 20 cm. Damit ergibt sich theoretisch eine Tiefe von etwa 18 cm.
Die Position (Mittelpunkt) vom Lautsprecher wurde nach dem Goldenen Schnitt (ca. 61,8 %) gewählt. Das Rohr ist dann zwischen Plattenkante und Lautsprecherausschnitt.
Die Box sollte einen schrägen Sockel erhalten, der den Breitbänder besser auf den Hörer ausrichtet. In diesen Sockel sollte dann die Endstufe und in den anderen das Netzteil integriert werden. In der linken Box ist das Netzteil samt Netzbuchse, Netzschalter und DC-Ausgangskabel, dazu ein längeres Lautsprecherkabel mit DIN-Lautsprecherstecker. In der rechten Box sind die (Mini-Klinken- und Cinch-) Eingangsbuchsen, Lautstärkeregler, die Endstufe sowie zwei DIN-Lautsprecher-Ausgangsbuchsen und ein kurzes LS-Kabel mit DIN-Stecker, um die rechte Box auch am linken Ausgang benutzen zu können. In der Front ist auch eine 6,3-mm-Kopfhörerbuchse.
Bild der linken Box, die auch das Netzteil enthält:
7. Klangbeschreibung die Erste (stand-alone)
Wie zu erahnen war, ist der Bass sehr dünn, da fehlt es
einfach. Vor allem bei aktueller Pop-, Dance-, Hip-Hop-Mucke
merkt man das komplette Fehlen von tiefen Bässen.Der Grundton- und Mittenbereich ist soweit sauber und klar. Im Hochtonbereich hält sich das Teil zurück und ist somit einfach unauffällig und unaufdringlich. Die Billigendstufe stört den Klang nicht wirklich.
Ansonsten ist die räumliche Staffelung der Stereobasis überraschend gut, hier zeigen sich die Vorteile der Breitbänder.
8. Klangbeschreibung die Zweite (mit Subwoofer)
Ich habe eine PC-Box sowohl mit als auch ohne zusätzlichen
Subwoofer gemessen:Die Ergebnisse sind unten zu sehen, die Graphen sind über eine Zwölftel-Oktave gemittelt.
Die blaue Linie ist die Messung ohne Subwoofer, die gelbe bei verpoltem (180°) Subwoofer und die dunkelgrüne mit phasengleich angeschlossenen Basstreiber.
Oberhalb 330 Hz sind die Verläufe identisch. Für einen 25 Euro Treiber sieht der Frequenzverlauf wirklich super aus. Dabei wurde nicht einmal direkt in der 0°-Achse gemessen. Man sieht auch, dass der Breitbänder im Bereich 70 ... 90 Hz deutlich weniger Pegel bringt, als von der Simulation erwartet, daher auch die Bassarmut beim Hören. Vermutlich weichen die TSPs stark ab oder schwanken z.B. abhängig vom Pegel. Auch scheint, dass die Tuningfrequenz des Reflexrohrs von 72 Hz sichtbar ist, vermutlich würde ein kürzeres Rohr, das bei 78...80 Hz abgestimmt ist, mit dem Satelliten allein, aber auuch mit dem Sub zu besseren Ergebnissen führen.
Der Subwoofer kompensiert den fehlenden Bass der Satelliten ganz gut. Ich vermute beim Einbruch zwischen 40 und 50 Hz ein Raumeffekt durch Reflexion, da hier auch der Breitbänder allein einen starken Einbruch zeigt.
So macht man am Ende den Subwoofer etwas leiser und benutzt den verpolten Betrieb, da dieser den Bereich von 130 ... 220 Hz nicht zu leise macht.
9. Alternativer Bau
Hier sind zwei Bilder eines anderen Selbstbauers, der das ganze aus Beton machte. Die Bilder bekam ich per E-Mail.
