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Stand 24.11.2022
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
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Elektrische Parameter
(Messung)
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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) |
* je nach Einbau (Front- oder Hintermontage)
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.
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Maße von der
Herstellerseite.
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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 V
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 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.
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.
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