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Boxenbau Projekt 8: Subwoofer für PC-Boxen
von K. Föllner
1. Einleitung:
Warum diese Box gebaut wurde?
- Weil mehrere verschiedene Tieftöner schon seit über 20 Jahren Jahren ungenutzt herumlagen.
- Weil mir der Bass bei meinen PC-Monitorboxen fehlte.
Durch Corona-Dauer-Homeoffice werden diese seit März
2020 jedoch auch sehr häufig benutzt.
Zum direkten Nachbau eignet sich diese Box eigentlich
nicht, da es diese Tieftöner so nicht zu kaufen gibt. Sie
stammen aus einer alten (Ende der 90-er)
Car-HiFi-Zweiwege-Kombi. Aber vielleicht kann man den Rest
übernehmen und nur die Bassreflex-Abstimmung etwas
anpassen.
Ich hatte auch alte 16-cm-Original-BMW-Tieftöner, die
unter dem Sitz verbaut waren, vermessen. Deren Güte würde
sogar passen (Qts um 0,3), aber Dank fs=52 Hz bekommt man
diese Teile für einen Subbwoofer einfach nicht tief genug
abgestimmt.
Ich überlegte, ob ich hier einen Aktiv-Subwoofer oder
zwei Monitorboxen bauen sollte. Ich überlegte auch, ob man
einen Hybriden machen könnte, der für beides nutzbbar
wäre. Aber so richtig geht das nicht, wenn man das als
Aktiv-System umsetzen will. Passive Boxen mit externer
Endstufe gehen auch nur bedingt, da die Monitore mit 4 Ohm
nicht an alle neuen Verstärker angeschlossen werden
können. Daher entschied ich mich für die aktive
Subwoofer-Variante.
2. Treiberauswahl Tieftöner:
Der Sinus-live-Basstreiber "16 B 8" war der Tieftöner, der
neben einer Weiche zu einem passendem kleinen
Neodym-Hochtöner "NEO 100" dazugehörte. Diesen besitze ich
nicht mehr, er blieb beim Autoverkauf im Fahrzeug. Dort
setzte ich ihn zusammen mit einem 16-cm-RTO-Tieftöner an
einer Passivweiche ein. Etwas mehr Details dazu sind hier
unter Auto-Installationen
Nr. 1 beschrieben.
Eckdaten des Tieftöners 16B8 laut Beschriftung und einer alten Messung von mir:
| Mechanische Angaben |
Elektrische Parameter
(Messung) |
| Front- und Hintermontage möglich | Re = 3,5 Ohm |
| Schwingspulendurchmesser 25 mm | IZ = 4 Ohm |
| Außendurchmesser 165 mm | fs = 43 Hz |
| Magnetdurchmesser 100 mm | Qts = 0,43 |
| Einbau-Durchmesser 144 mm | Qes = 0,44 |
| Einbautiefe 72 / 80 mm* | Qms = 4,3 |
| Eigenvolumen 0,5 / 0,8 l * | Vas = 16,9 l |
| Sd = 133 cm² | SPL = 87 dB SPL (1 W, 1 m) |
| Masse 1,3 kg | Frequenzbereich 30-5000 Hz |
| Xmax = +- ? mm | Prms = 100 W (140 W max) |
3. Treiberauswahl Hochtöner:
Dieses Kapitel ist durch die Entscheidung zum Aktivsubwoofer eigentlich komplett obsolet. Ich lasse es informativ aber mal drin.Bevor ich mich für die Subwoofer-Variante entschied, begab ich mich auf die Suche nach einem preiswerten und passenden Hochtöner für eine Monitorbox. Ich wollte ein neutralen Gewebekalotte für wenig Geld. Hier kann man sicher einiges an Klang wettmachen.
Ich nahm damals den Monacor DTM104 in der 4-Ohm-Variante, da auch der Tieftöner 4 Ohm Impedanz hat..
Datenblatt zum Hochtöner: Monacor_DTM-104-4.pdf
| Herstellerangaben: Bezeichnung: Monacor DTM104/4 Prms = 45 W (über Weiche) Pmax= 100 W (über Weiche) Schwingspulendurchmesser d= 25 mm Re = 3,6 Ohm Impedanz Z= 4 Ohm Resonanzfrequenz fres= 1200 Hz empf. Frequenzbereich: 2500 ... 19000 Hz Kennschalldruck: 90 ... 97 dB SPL (1 W, 1 m) Masse m= 520 g UVP: 29,00 EUR pro Stück Das Paar gibt es im Versand für unter 50 EUR. |
Maße von der
Herstellerseite. |
Hier der vom Hersteller angegebene Frequenzgang, sowie Impedanzverlauf:
(aus dem PDF von der Hersteller-Webseite):
4. Bassreflex-Abstimmung und Gehäusegröße
Bei den ersten Simulationen fällt schnell auf, wie tief
dieser "kleine" Tieftöner schon herunter reicht.Ich verwende ein 46 mm Bassreflexrohr, was 13 % der Membranfläche entspricht und auch bei geschätzten +- 4 mm Hub noch keine starken Luftgeräusche verursachen sollte.
Dieses Rohr mit einer Länge von 143 mm passt genau in das 16-Liter-Volumen. Damit wird eine untere Grenzfrequenz von etwa 40 Hz (-3 dB) erreicht, minus 8 dB bei 34 Hz und -10 dB bei 32 Hz. Das reicht für den Bassbereich vollkommen aus.
Mit zwei Treibern sind 28 ... 35 Liter nötig, mit mehr Volumen geht es etwas tiefer. Wobei über 32 Liter netto für einen kleinen PC-Woofer doch etwas groß sind. Das wären mehr als 34 cm Außenlänge bei einem würfelförmigen Gehäuse. Bei 17 Litern sind es "nur" 28 cm. Bei Frontabmessungen von 35 x 30 cm sind bei einem Treiber 21 cm, bei zwei 39 cm Boxentiefe notwendig.
Der sinnvolle Maximalpegel liegt bei zwei Treibern über 100 dB SPL in 1 m Entfernung, dafür wird eine Leistung von etwa 2x 10 W benötigt. Mit nur einem Treiber wären es theoretisch 40 Watt, aber hier wird schon eine lineare Auslenkung von mindestens 5 mm benötigt, die dieser Woofer vermutlich hat. Aber einige Dezibel weniger würden auch reichen.
Hier konnte ich mich nur schwer entscheiden, ob man einen oder zwei Treiber benutzt. Aufgrund des kleineren Gehäuses wählte ich einen Treiber.
5. Frequenzweiche, Verstärker und Netzteil
Eine Suche bei ebay ergab für knapp 30 EUR ein komplettes class-D-Modul mit dem Namen "MS-100 Class-D Subwoofer Verstärker Mono Aktiv". Das Modul ist inklusive Vorstufen mit einstellbarer Frequenzweiche. Da lohnt sich ein Selbstbau nicht wirklich. Ein passendes Schaltnetzteil dazu (24 V / 5 A) kostete etwa 18 EUR. Das Modul soll 40 W an 8 Ohm oder 95 W an 4 Ohm bereitstellen, an 2 Ohm sollen dann 100 W möglich sein. Diese Leistungsangaben gelten jeweils für eine 24-V-Versorgung. Rechnet man das nach, stellt man fest, dass das gar nicht möglich ist, da an 4 Ohm bei 24 V theoretisch maximal 72 Watt möglich sind, in der Praxis bei akzeptalen Klirrfaktor ist sicher auch bei 66 Watt Schluss. (Mit einem Laptop-Netzteil, das nur 20 V bereitstellt, wäre die Ausgangsleistung dann nochmals etwa 30 % geringer.) Das Modul benötigt mindestens 8 V und verträgt maximal 25 ... 26 V. Die einstellbare, obere Grenzfrequenz liegt zwischen 90 Hz (Poti-Linksanschlag) und 210 Hz (Rechtsanschlag). In der Mittelstellung sind es dann 120 Hz. Die Flankensteilheit nach oben beträgt aber nur 12 dB/Oktave. Die untere Grenzfrequenz des Moduls habe ich mit 18 Hz gemessen. Das Modul verwendet als Leistungstreiber den Texas-Instruments-Chip "TPA3116", der 2 Lautsprecher-Ausgänge bereitstellt oder wie hier gebrückt betrieben wird.Eckdaten des Moduls (Herstellerangaben):
Ausgangsleistung: 40 W an 8 Ohm oder 95 W an 4 Ohm bei 24 VDie Leiterplatte hat eine Größe von 83 x 55 mm, die Höhe samt Kühlkörper liegt bei 29 mm. Die beiden Potis und die 3,5-mm-Klinkenbuchse (Stereo-Audioeingang) ragen über die Kante der Platine heraus.
Schutzschaltungen: Kurzschluss- und Übertemperatur
Wirkungsgrad: etwa 90 %
Klirrfaktor THD: < 0,1 % bei 50 W an 4 Ohm, Versorgung 24 V
Rauschabstand SNR: > 89 dB
Die 2-Ohm-Variante (parallel schalten von zwei Treibern) würde ich in jedem Fall vermeiden. Dann schon lieber die geringere Ausgangsleistung bei 8 Ohm (Reihenschaltung beider Treiber) verwenden.
Auch ein Phasenumschalter sollte noch vorgesehen werden, da dieser leider im Modul nicht vorhanden ist. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten. Erstens direkt am Lautsprecher mit einem Doppel-Umschalter, der genügend Strom kann. Bei 100 Watt an 4 Ohm sind das 5 A, bei 40 W an 8 Ohm wären das 2,2 A. Oder zweitens eine zusätzliche Vorstufe. Hier ist nur ein einfacher Umschalter für wenig Strom notwendig, dafür wird aber eine zusätzliche, invertierende Verstärkerstufe mit Spannungsverstärkung =1 gebraucht. Auch sind mechanische Schalter mit niedrigen Strömen in Audiopfaden nicht immer ideal, da mit diesen keine Reinigungsfunktion der Kontakte auftritt. Also spätestens nach einigen Jahren gibt es sicher Aussetzer.
Daher entschied ich mich für die erste Variante, wie auch im Bild unten zu sehen.
Erst ein Versuch sollte zeigen, ob eine weitere Einschaltverzögerung mit Relais für den Sub nötig ist. (Aber man braucht dafür nichts.)
6. Verbindung mit dem PC-Lautsprechersytem
Um den Subwoofer mit dem PC-Boxensystem zusammen ein- und auszuschalten, wurden neben der Audiomasse und dem Mono-Audiosignal (L+R) noch zwei Pins mit der Plus- und Minusspannung aus der rechten PC-Box zusammen in einem Stecker herausgeführt. Die Schaltspannung soll im Subwoofergehäuse direkt ein Relais aktivieren, das dann das Netzteil auf der Primärseite zuschaltet.Mindestens ein zusätzlicher Stereo-Audioeingang und ein echter Netzschalter parallel zum Relaiskontakt sollten aber auch die Funktion ohne die PC-Boxen erlauben. (z.B. als kleiner Heimkino-Sub)
Zusatzschaltung im PC-System.
Die beiden Widerstände sollen eine Entkopplung an dem Klinken-Stereo-Eingang ermöglichen.
Die folgende Mini-Schaltung für die Leistungsanzeige wurde ebenso auf der Leiterplatte platziert. Die beiden Ausgänge sind direkt mit dem Lautsprecherausgang verbunden. Sekundär darf keine Verbindung mit der Masse hergestellt werden.
C1: 10 uF, >=35V
D1: Brückengleichrichter mind. 100 V, 1 A
D2: Z-Diode 12 V
D3: Z-Diode 18 V
D4: LED low-current gelb
D5: LED low-current rot
R1, R2: 10 Ohm 1 Watt
R3: 820 R
R4, R6 :10 k
R5: 470 R
Schaltungsbeschreibung:
Die Wechselspannung des Lautsprechers wird mit dem Vollbrückengleichrichter D1 gleichgerichtet. Walweise können auch 4 Einzeldioden (z.B. 1N4004) in Graetz-Beschaltung benutzt werden. R1 und R2 dienen dabei zur Strombegrenzung und Schutz des Lautsprecherausgangs. Der Elko C1 sorgt für ein verlängertes Aufleuchten der LEDs durch eine "bessere Gleichrichtung". Mit den Z-Dioden D2 und D3 wird die Schwelle für jede LED festgelegt. R4, R5 sollen ein besseres Durchbrechen der Z-Dioden ermöglichen. R3 und R4 begrenzen dann den LED-Strom selbst. Da die Low-Current-LEDs bei ca. 2 mA beginnen zu leuchten aber problemlos ein Vielfaches davon vertragen, genügen hier in dieser Abstimmung Widerstände. Sonst wären jeweils Stromsenken z.B. mit je einem Transistor nötig.
Zusätzlich zur Zenerspannung der Z-Dioden (12 V oder 18 V) gibt es einen Spannungsabfall in den Leuchtdioden D4 (ca. 2 V) bzw. D5 (1,6 V), sowie in D1 (ca. 1,3 V). Damit leuchtet D4 bei Uin > 15,3 V (= 10,8 Veff) und bei D5 bei Uin > 20,9 V (= 14,8 Veff) Daraus ergeben sich (P = Ueff*Ueff / Z) 29 Watt und 55 Watt als Minimum, um jede LED aufleuchten zu lassen.
Basierend auf einem Drop von 3,3 V (davon 2 V bei der LED und dazu 1,3 V beim Gleichrichter) an eine 4-Ohm-Lautsprecherlast ergeben sich bei diversen Z-Dioden in dieser Beschaltung folgende Ausgangsleistungen: An 8 Ohm ist es jeweils die Hälfte des angegebenen Leistungswertes.
| UZD (V) |
Upp (V) |
Urms (V) |
P @4 Ohm (W) |
| 6,8 |
10,1 |
7,1 |
12,8 |
| 8,2 |
11,5 |
8,1 |
16,5 |
| 10 |
13,3 |
9,4 |
22,1 |
| 12 |
15,3 |
10,8 |
29,3 |
| 16 |
19,3 |
13,6 |
46,6 |
| 18 |
21,1 |
15,1 |
56,7 |
| 20 |
23,3 |
16,4 |
67,9 |
| 22 |
25,3 |
17,9 |
80,0 |
| 24 |
27,3 |
19,3 |
93,2 |
7. Gehäusebau
Das Gehäuse wurde wie auch schon andere meiner Boxen aus leichten Multiplex-Platten (16 mm) geschnitten, die Außenmaße betragen 37 x 31 x 22 cm. Das Bedienteil kam an die schmale Seite, der Lautsprecher mit Bassreflexrohr an die große Front. Da diese Kiste in der Ecke unter dem Schreibtisch steht, habe ich hier nichts (wie z.B. die Schrauben) verspachtelt. Die große Rückseite gegenüber des Lautsprechers wurde nicht mit Holzkaltleim verklebt, sondern nur mit Silikon aufgeschraut, um eine Möglichkeit zu haben, das Gehäuse wieder zerstörungsfrei zu öffen. Der Basstreiber wurde von innen befestigt, damit das große 20-cm-Grill außen nicht den Hub bremsen kann. Auch das Bedienteil, das aus beschichteter Hartfaserpappe besteht, ist von innen angeschraubt, um die Knöpfe besser vor dem Abbrechen zu schützen. Das Verstärkermodul wird nur mit den beiden Poti-Schrauben gehalten. Für die Stromversorgung wurde eine Kaltgerätebuchse von außen eingebaut. Das Netzteil wurde dann innen an der Rückseite mit einem Kunststoffteil befestigt. Über dem Bedienfeld ist innen eine Leiterplatte, die das Relais für die Netzzuschaltung, aber auch alle Bauteile für die Leistungsanzeige für zwei LED enthält. Unten wurden 4 Füße mit Filzmaterial angeschraubt, um etwas Dämpfung zum Fußboden zu bekommen. Das Einzige, was man noch integrieren könnte, ist für einen leichteren Transport ein Tragegriff auf der Oberseite.Generell wurden alle LEDs, Schalter und Buchsen mit Silikon abgedichtet. Luftgeräusche sind im Betrieb auch nicht hörbar.
Das Bedienteil enthält unten links die GX-12-6-Buchse, zur Verbindung mit dem Satelliten. rechts daneben ist das Verstärkermodul mit einem weiteren 3,5-mm-Stereoeingang, dem Poti zur Einstellung der Grenzfrequenz (links) und dem daneben für den Pegel. Darüber befindet sich eine gelbe LED, die bei (rechnerisch) ca. -4 dB leuchtet, und eine rote LED, die bei etwa -1 dB aufleuchtet. Oben links ist der zusätzliche Netzschalter, der beim Satellitenbetrieb nicht nötig ist. Die grüne Power-LED zeigt das eingeschaltete Netzteil an. Rechts daneben ist der Schiebeschalter zum wahlweisen Verpolen des Lautsprechers. Das GX-12-Kabel zwischen Satellit und Sub ist 2,5 m lang, Störungen gibt es gar keine, der Amp unterdrückt alles sehr gut. In der Praxis betreibe ich das System mit dem Pegelregler in 9-Uhr-Position.
8. Klang und Messung
Ich habe eine PC-Box sowohl mit als auch ohne Subwoofer gemessen:Die blaue Linie ist (klar) ohne Subwoofer, die gelbe ist mit Subwoofer bei verpoltem Lautsprecher (180°), die dunkelgrüne mit phasengleich angeschlossenen Basstreiber.
Durch die Abtrennung nach oben mit nur zweiter Ordnung auch bei minimal nur 90 Hz hört man, wenn man den Sub allein oder deutlich lauter betreibt, doch auch noch Anteile der unerwünschten Frequenzbereiche. Ansonsten klingt der Bass viel zu wummrig. Nach etwas Recherche, denke ich, dass der Innenwiderstand der Endstufe doch zu groß ist, so dass der Dämpfungsfaktor hier ziemlich mies wird. Der Endstufen-IC besitzt allein pro FET laut Datenblatt schon 0,12 Ohm. Nimmt man die Spulenwiderstände (keine Ahnung wie groß) dazu, liegt der Dämpfungsfaktor sicherlich unter 30. Man sollte dieses Modul also wirklich nur mit Lautsprecher höherer Impedanz (Minimum 8 besser 16 Ohm) betreiben. Für high-fidele Ausgabe sollte es ein anderes Modul sein. Die Auslenkungen von +-1 cm, die der kleine Tieftöner machen kann, sind erstaunlich, so reicht der Pegel für das Arbeitszimmer immer vollkommen aus. Bei hoher Ausgangsleistung konnte man an der Membran sehen, dass sich Nulllage etwas verschiebt, der Verstärker ist also nicht ideal ausgelegt.
Generell sollte man, um Brummschleifen zu vermeiden, nur Netzteile benutzen, deren Ausgang (Minus) nicht mit der Erde (PE) verbunden ist. Noch besser sind Ntzteile, die nur eine zweipolige Zuleitung besitzt, was bei größeren Leistungen aber selten wird, da hier die Netzfilter auch gegen Erde wirken.