Aktivboxen

[richi44]

Auf den ersten Blick ist eine Aktivbox nichts anderes als eine Lautsprecherbox mit eingebautem Verstärker. Und dies stimmt zum Teil auch wirklich. Als Beispiel der sei der bis 1991 gebaute K&H Minimonitor MM201 erwähnt.    
Dies war ein Lautsprecherchen mit eingebauter Autoradio-IC-Endstufe. Als Breitbandbox gab es keine Entzerrung und keine Frequenzweiche.
Dies ist also die einfachste Art, das Wiedergabeproblem zu lösen. Und sie ist vergleichbar einer billigen PC-Box mit eingebautem Lautsprecher.
Eine Steigerung stellt die Fostex 6301 dar.    
. Sie ist zwar billiger als der seinerzeitige MM201, besitzt dafür aber eine Entzerrung, welche einen erstaunlich ausgeglichenen und breiten Frequenzgang ermöglicht.
Dies alles ist aber nicht das, was man sich gemeinhin von einer Aktivbox erwartet.

Was macht denn eine Aktivbox aus?
Bei einer Aktivbox handelt es sich üblicherweise um eine Mehrwegbox. Im Gegensatz zur passiven Box verfügt diese aber über chassis-getrennte Verstärker. So werden die einzelnen Wege über eine elektronische Weiche aufgeteilt und über eigene Verstärker angesteuert. Der Hauptvorteil bei der Weiche ist, dass sie entsprechend ausgelegt werden kann. Baut man eine Weiche aus Spulen und Kondensatoren (wie in der Passivweiche), so stimmt die Berechnung nur, wenn die Weiche auf einen konstanten ohmschen Widerstand arbeitet. Es ist also eigentlich kaum möglich, eine Weiche genau zu berechnen oder wirklich so zu konstruieren, wie man sie gerne haben möchte. Impedanzveränderungen am Lautsprecher durch irgendwelche Resonanzen (Gehäuseeinflüsse) können zwar bei einer Frequenz berücksichtigt werden. Ist der Einfluss aber relativ stark und damit zwangsläufig schmalbandig, ergeben sich in den Randbereichen Impedanzabweichungen, die sich nicht berücksichtigen lassen, ohne die ganze Weiche im Hauptbereich (bei der angestrebten Trennfrequenz) zu beeinflussen.
Bei einer Aktivweiche ist dieses Problem nicht vorhanden, weil die Lautsprecherimpedanz keinen Einfluss auf die Weiche hat.

Ein weiteres Problem der Passivweiche, nämlich der Leistungsverlust ist ebenfalls nicht existent. Und drittens gibt es keine Verschlechterung des Dämpfungsfaktors, weil es keine Bauteile zwischen Lautsprecher und Verstärker gibt.

Zusätzlich kann man die Leistung der einzelnen Verstärker so auslegen, dass sie eine höhere Impulsleistung aufbringen können, die Dauerleistung kann man aber so weit begrenzen, dass es zu keinen Lautsprecherbeschädigungen kommt. Und vor allem kann eine Bassübersteuerung zwar einen Klirr im Bass erzeugen, aber damit wird die Hochtonendstufe nicht übersteuert und somit wird durch den Bassklirr nicht der Hochtöner beschädigt. Gesammthaft bekommt man durch diese Auftrennung auch bei extremer Musik weniger Klirr und erreicht einen höheren Schalldruck.

Und es gibt (bei Bedarf) noch einen weiteren Vorteil. Bei einer Passivbox muss man ideale Lautsprecher verwenden, was nicht immer möglich ist. Hat man aber z.B. einen Tieftöner, der durch die hohe Güte nur für kleine Boxen geeignet ist, so kann man damit keine optimale Passivbox herstellen. Aktiv kann man aber den Dämpfungsfaktor der Endstufe so verändern, dass der Tieftöner auch mit einem grösseren oder kleineren Gehäuse betrieben werden kann. Und wenn dann noch eine Entzerrung nötig ist, so baut man diese ebenfalls in den Zweig der Endstufe ein und beeinflusst damit nur die Wiedergabe dieses Chassis und hat keine Rückwirkungen auf Mittel- und Hochton zu befürchten.

Und noch ein Hinweis: Genelec baut z.B. „Aktivboxen“ mit separatem Verstärker. Da sind diese nicht zwingend bei allen Modellen in die Lautsprecherboxen eingebaut, sondern teils auch separat zu platzieren. Man kann sich jetzt fragen, ob dies Aktivboxen im engeren Sinne sind. Sie haben aber wie bei Aktivboxen Verstärker (in einem gemeinsamen Gehäuse), die mit der allfälligen Entzerrung und Ri-Anpassung auf die zu betreibenden Boxen angepasst sind.


Wir „bauen“ eine Aktivbox!

Die Basis bildet erst mal eine ganz normale Box. Und wie gross diese werden muss, hängt vom Tieftöner ab. Oder anders rum: Wenn wir festlegen, was die Box können muss, also geschlossen oder Bassreflex und wie gross der Tieftöner sein soll und wo die Grenzfrequenz liegen darf, so können wir das Volumen berechnen.    
Hier eine Tabelle mit verschiedenen Chassis und den nötigen Volumina und die zu erwartende Grenzfrequenz. Die ersten drei farbigen Spalten beziehen sich auf geschlossene Gehäuse (closed für das Volumen, -3dB für die Grenzfrequenz, -8dB für den Bereich, wo kaum mehr etwas hörbar sein wird), die zweiten (BR) auf Bassreflex. Grün ist die beste Möglichkeit, gelb ist fraglich, rot ist schlecht, schwarz geht gar nicht und blau ist sinnlos.

Nehmen wir mal den Ciare HS250.     Und gehen wir mal von einer geschlossenen Box aus. Mit einem Boxen-Simulationsprogramm wie etwa BassCAD bekommen wir aufgrund der TSP-Daten ein optimales Volumen von 25,3 Liter netto. Damit erreichen wir eine Grenzfrequenz von 57Hz.
Natürlich könnten wir eine andere Auswahl treffen, aber es geht hier um das Beispiel und nicht um einen tatsächlichen Bau einer Box. Und ausserdem kann man bei einer geschlossenen Box Entzerr-Tricks anwenden, die bei Bassreflex nicht ganz so leicht zu realisieren sind.
Hier die Simulation.
   

Es ist festzustellen, dass wir einen Verlauf nach Butterworth bekommen, mit einer Steilheit (unten links) von 12dB/Oktave und einer Grenzfrequenz von erwähnten 57Hz. Das bedeutet, dass wir eigentlich den Bassbereich mit einer elektronischen Schaltung ausgleichen können, welche den umgekehrten Verlauf darstellt.

Lassen wir dies aber mal noch aussen vor.
Wenn wir den Frequenzgang dieses Lautsprechers im Datenblatt betrachten, so ist er eigentlich bis 1kHz linear. Dort aber erfolgt ein steiler Knick. Diese Steilheit deutet klar auf Resonanzen hin. Und damit ist klar, dass wir diesen Bereich oberhalb 500Hz nicht mehr zur Wiedergabe nutzen dürfen. Wir müssen also eine Trennung bei 500Hz vornehmen mit einer Steilheit von 24dB/Oktave. Dies ist die erste Vorgabe an die Weiche und die übrigen Chassis.
Der Mitteltonbereich sollte folglich bei 500Hz beginnen, sodass entweder ein Kalottensystem von 75mm Membrandurchmesser zum Einsatz kommt oder eine Konusmembran. Nehmen wir mal den Tangband Kalottenmitteltöner 75-1558SE (entspricht Monacor DM-75TB).
    Die obere Grenze ist hier mit 5kHz vorgesehen. Und wenn wir das Datenblatt betrachten (Monacor), so haben wir oberhalb 5kHz einen Frequenzganganstieg, weshalb wir auch hier mit einer Filtersteilheit von 24dB arbeiten sollten.
Bleibt der Hochtonbereich, den wir hier mit einem Bändchen (Tangband RT-1516SA) RBT-1516TB bedienen.
   

Jetzt nehmen wir mal an, es würde sich um eine Passivbox handeln. Weichen mit Spulen und Kondensatoren mit 24dB Steilheit sind äusserst aufwändig. Für dieses Geld bekommen wir schon einen grossen Teil des Endstufen- und Filtermaterials. Und wir haben bei den Chassis sehr unterschiedliche Kennschalldrücke, die wir alle mit Widerständen anpassen müssten und damit Leistung und Dämpfungsfaktor verschenken.
Und mit aktiven Weichen und Filtern können wir eine Übertragungsfunktion nicht nur nach Butterworth wählen, sondern auch nach Bessel, was letztlich eine bessere Impulswiedergabe ergibt. Weiter sind natürlich irgendwelche Entzerrungen passiv nicht machbar.


Damit ist es Zeit, sich mit der ganzen „Filteritis“ zu beschäftigen. Grundlage ist das Gratisprogramm FilterPro von Texas Instruments.
   
In diesem Programm müssen wir (grün eingezeichnet) jeweils die Polzahl (pro Pol ergibt sich eine Steilheit von 6dB, für 24dB also Polzahl 4) und die Trennfrequenz eingeben (500Hz, 5kHz). Weiter ist es nötig, die Funktion Hochpass oder Tiefpass zu wählen (rot) und wie die Schaltung aufgebaut werden soll, also Sallen-Key oder MFB. Im Zweifelsfall ist Sallen-Key günstiger (blau) und letztlich die Filterart, also Butterworth oder Bessel (orange), wobei ich Bessel bevorzuge.

   
Hier das Prinzipschaltbild der Weiche. Ich habe den Eingang bewusst mit einemTrafo ausgeführt. Damit ist es möglich, die Aktivbox an einer separaten Steckdose zu betreiben, ohne dass es zu Brummschleifen kommt. Und falls jemand Studiogeräte besitzt, kann er diese symmetrisch mit den Boxen verbinden.
Die erste Stufe besitzt einen Pegelregler, mit welchem zwischen etwa -3 und +15dBU ( 0,5V bis 4,4V) Nennpegel eingestellt werden kann. Daran schliessen sich die Filter mit einer (hier so gewählten) Trennfrequenz von jeweils 500Hz und 5000Hz an. Anschliessend die Ausgangsstufen, welche im Bass und in den Höhen regelbar ausgelegt sind, um die Wirkungsgrade der einzelnen Chassis an den Mitteltöner anzugleichen. Der Regelbereich umfasst etwa +/-10dB. Die Details der Weiche sind in einem gesonderten Thread im Bereich Elektronik Selbstbau dargestellt.

[richi44]

Hier die Idee der Vierweg-Konstruktion. Grundlage ist die vorgängige Box mit ihrer Aktivweiche ( http://ebmule.de/showthread.php?tid=1343 ) und
( http://ebmule.de/showthread.php?tid=1338...8#pid72708 ).
Der Tieftonbereich wird hier mit einer weiteren Weiche bei 100Hz getrennt und als Mittel-Tieftöner wird ein Monacor SPH-225 eingesetzt. Dieser bekommt ein 10 Liter-Gehäuse, das ihn nicht negativ beeinflusst, wie die Simu zeigt.
       
Das Besondere ist nun der Tiefbassbereich. Hier wird ein Monacor SPH-450TC verwendet, der vom Membranhub und der –Fläche einen Schalldruck von 105dB bei 20Hz zulässt, was einer theoretischen Leistung von 12,6W entspricht. Jetzt kann man berechnen, wie gross der mittlere Schalldruck der Box aufgrund des Subwoofers sein kann, denn es ist bekannt, dass bei Orchestermusik weniger tieftonfähige Instrumente anzutreffen sind, sodass die Lautstärke des Orchesters im Tiefbass geringer ist.
   
Eingebaut wird er in ein 70 Liter grosses Gehäuse. Und dieses Gehäuse lässt eine Bassabschwächung entstehen, welche im Maximum 18dB (bei 20Hz) beträgt. Für die 105dB bei 20Hz (die mechanische Grenze des Tieftöners) sind nun durch den Bassabfall als Folge des Gehäuses rund 800W nötig. Das bedeutet, dass wir mit einer Endstufe von 2 x 500W Nennleistung den Lautsprecher gerade voll ausreizen und damit bei 20Hz einen Schalldruck von gut 105dB erreichen.
   
Die gleiche Leistung ergäbe im Mittel aber einen Schalldruck von 120dB. Jetzt rechnen wir mal durch, was der Tief-Mitteltöner zu leisten im Stande ist. Mit einem Kennschalldruck von 90dB und 100W bekommen wir einen Schalldruck von 110dB.
Der Mitteltöner könnte 114dB erzeugen und der Hochtöner 113dB.
Im Klartext bedeutet dies, dass wir mit dieser Kombination einen „Sinuslärm“ von höchstens 110dB hin bekommen. Mit Musik aber (oder rosa Rauschen) wären 115dB möglich, weil ja nicht nur eine Frequenz wiedergegeben wird, sondern das ganze Spektrum gleichzeitig.

Es würde hier zu weit führen, die ganzen Herleitungen zu erklären, dies soll zu gegebener Zeit in einem anderen Thread erfolgen. Wichtig ist zu wissen, dass wir immerhin mit dieser Kombination und einer geeigneten Entzerrung einen Schalldruck von durchschnittlich 115dB erreichen könnten.

Jetzt gibt es aber noch eine Möglichkeit, die wir nicht ausgereizt haben: Die Verkleinerung des Subwoofer-Gehäuses. Wenn wir nämlich mal davon ausgehen, dass wir mit dem Tief-Mitteltöner nur 115dB erreichen, die 105dB im Sub aber 120dB in den Mitten entsprechen, so können wir doch das Sub-Gehäuse so weit verkleinern, dass wir bei 20Hz eine um 5dB stärkere Entzerrungen brauchen. Zu diesem Zweck nehme ich mir nochmals das Sub-Gehäuse der Simu vor und ändere das Volumen. Und siehe da, mit 35 Litern bekomme ich eine Bassabsenkung von nun 23dB statt der bisherigen 18dB bei 20Hz.
   
Das Problem, das jetzt entsteht ist, dass die Systemgüte auf etwa 0,96 angestiegen ist, sodass sich eine Entzerrung mit einem normalen Butterworth-Filter nicht mehr eignet.
Verwende ich einen Verstärker mit negativem Ri von –3,3 Ohm, so bekomme ich eine Wiedergabekurve mit konstanter Steilheit von 6dB/Oktave (ein normales RC-Glied). Dies zeigt mir die Simu. Folglich wird die Entzerrung sehr einfach und ausserdem werden die negativen Einflüsse der höheren Gehäusegüte durch die verbesserte Dämpfung des Lautsprechers wett gemacht.

[richi44]

Auch hier soll es wieder mal weiter gehen.
Ich habe bei der hier angeführten Bestückung Trennfrequenzen von 500Hz und 5kHz gewählt und bin von einer Filtersteilheit von 24dB/Oktave ausgegangen.
Betrachten wir mal, was bei einem 12dB-Filter passiert:
   
Es ist offensichtlich, dass es bei der Trennfrequenz (eingegeben mit 1kHz) zu einer Phasendrehung von 90 Grad kommt (die rote Linie). Dies gilt für den eingeschwungenen Zustand. Und man kann sich vorstellen, dass es ebenfalls beim Hochpass zu 90 Grad Phasenverschiebung kommt
   
Haben wir nun eine Phasenverschiebung von einmal -90Grad und einmal +90Grad, so arbeiten die beiden Lautsprecher sicher gegeneinander. Dies ist der Grund, dass man bei passiven Boxen normalerweise die Chassis jeweils verpolt zueinander anschliesst.
Das Problem ist aber, dass bei einem Impuls die Phasenverhältnisse anders sind, ebenso im Einschwingvorgang, denn diese ganze Phasengeschichte spielt nur im eingeschwungenen Zustand. Und da der Einschwingvorgang für die Instrumentenerkennung sehr wichtig ist und generell für die Impulstreue, so macht es Sinn, auf diese Phasendreherei Rücksicht zu nehmen. Setze ich ein Filter mit 24dB Steilheit ein, wie ich dies eingangs gefordert hatte, so bekomme ich bei der Trennfrequenz eine Phasenschiebung von 180 Grad und dies jeweils beim Tief- und Mitteltöner oder beim Mittel- und Hochtöner. Dies zeigt die folgende Filterkurve:
   
Das würde bedeuten, dass ich bei der Trennung die Lautsprecher gleich laufen lassen müsste, bei den hier gezeichneten 1kHz wäre aber bei etwa 550Hz ein Phasenfehler von 90 Grad gegeben. Ob also letztlich die Chassis richtig oder falsch zusammen spielen müsste geprüft werden. Und wie gesagt gilt dies nur im eingeschwungenen Zustand, nicht aber beim Einschwingen.
Nehme ich nun Filter mit einer Steilheit von gerade mal 6dB/Oktave, so ist deren Phasendrehung bei der Trennung 45 Grad.    
Auch hier arbeiten die Chassis nicht immer richtig zusammen, aber es kommt nicht zu einer Auslöschung.

Wenn wir nun die Weiche berechnen, wie wir dies mit dem FilterPro getan haben, so bekommen wir die Daten für die Filter mit der Trennung von 6, 12 , 18 oder 24dB, je nach Bedarf. Wir haben aber noch keine Gewähr, dass die akustische Summe keine Überhöhung oder keinen Pegeleinbruch erzeugt. Und es gibt schon gar keine Garanntie, dass die Verhältnisse im Einschwingvorgang richtig sind.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass wir für eine gute Impulswiedergabe und damit einen guten Einschwingvorgang eigentlich eine Trennung mit nur 6dB verwenden sollten. Und da wie gesagt keine Sicherheit gegeben ist, dass es nicht doch zu restlichen Pegeleinbrüchen oder -Überhöhungen kommt macht es Sinn, die Weiche regelbar auszuführen.

Nun müssen wir nochmals über die Bücher gehen. Wir haben Chassis angepeilt, welche vorteilhafterweise steil getrennt werden, etwa der Mitteltöner zum Hochtöner. Wenn wir aber die Impulstreue in den Vordergrund stellen, so ist damit nichts mehr zu erreichen. Also werden wir mal die Chassisauswahl überdenken.

Und es gibt noch einen weiteren Grund:
Ich habe gesagt, dass wir bei Bass (Subwoofer) einen Verstärker mit negativem Ri verwenden können, sodass eine Entzerrung mit 6dB/Oktave konstant nötig ist, dafür aber ein kleines Gehäusevolumen möglich wird. Das Problem an dieser Sache ist, dass sich der Lautsprecher nicht ganz so verhält wie wir es wünschen. Die Membranmasse und die Schwingspuleninduktivität führen jedenfalls dazu, dass der Lautsprecher im Einschwingvorgang eine etwas höhere Impedanz zeigt als im eingeschwungenen Zustand. Es würde zu weit führen, dies hier genau zu erklären. Tatsache ist aber, dass bei einem Verstärker mit negativem Ri (den wir ja für ein verkleinertes Gehäuse benötigen) die abgegebene Leistung stark sinkt, wenn die Lautsprecherimpedanz zunimmt. Damit wird der Einschwingvorgang verzögert. Wenn wir die ganze Konstruktion auf einen maximalen Schalldruck von etwa 110dB ausrichten, können wir mit einem mittleren Gehäuse und einer veränderten Bestückung das Ziel erreichen, ohne den Verstärker mit negativem Ri zu verwenden.

Die Bestückung könnte nun wie folgt aussehen:
Tieftöner Dayton TIT400 ( http://www.ebmule.de/showthread.php?tid=...#pid169511 ), Mittelton 2x Monacor SPH-130 ( http://www.monacor.de/typo3/index.php?id...E&typ=full ) und Hochton Monacor DT-254 ( http://www.monacor.de/typo3/index.php?id...E&typ=full ). Hier wären Trennungen bei 300Hz und 5kHz möglich.

           
Wie dem Weichenschaltbild zu entnehmen ist sind die Trennglieder jeweils zweistufig ausgeführt, wobei im Hoch- und Tieftonbereich die Frequenz variabel gestaltet ist. Mit diesem Trick lässt sich ein Pegelfehler im Trennbereich ausgleichen. Vor allem aber bleibt die Phasendrehung deutlich unter 90 Grad, die Steilheit ist aber ausserhalb des eigentlichen Nutzbereichs verstärkt, sodass die Chassis von unnötigen Belastungen frei gehalten werden und es damit nicht zu zusätzlichen Verzerrungen kommt.

Der Vorteil dieser Konstruktion ist die bessere Impulswiedergabe, was letztlich einen natürlicheren Klang ergibt. Weiter haben wir den Vorteil einer Aktivbox, also kaum die Gefahr, den Lautsprecher zu zerstören, verbunden mit einer etwas höheren Wiedergabelautstärke gegenüber einer gleich bestückten Passivbox und vor allem ist die Chassisbedämpfung besser, was wiederum der Impulstreue entgegen kommt.

Wir müssten nun diese Konstruktion noch mit entsprechenden Endstufen bestücken, wobei im Bass und in den Mitten jeweils etwa 150W optimal wären (an 4 Ohm). Für den Hochtonbereich könnte man eine dritte gleiche Endstufe einbauen, die durch die 8 Ohm des Hochtöners entsprechend weniger Leistung liefert. Zusätzlich könnte man den Hochtöner durch Serieschaltung einer Halogenlampe 12V 20W schützen. Diese Lampe ermöglicht im Normalfall genügend Leistung am Lautsprecher, sodass Impulse sauber übertragen werden können, langzeitliche Höhenüberlastung wird aber sicher verhindert. Die Endstufen könnte z.B. aus dem Thread http://www.ebmule.de/showthread.php?tid=...#pid169511
abgeleitet werden.

[richi44]

Der fertige Vorschlag (nicht für Anfänger!)

Wie die Aktivbox äusserlich aussehen könnte habe ich bereits gezeigt. Hier nochmals das Bild, die Vorgaben und die Bestückung. Die Boxen-Abmessungen betragen ca. 45cm Breite, 1,2m Höhe und eine Tiefe von etwa 50 bis 60cm.
   
Es ist ersichtlich, dass der Tieftöner vorstehend montiert ist und dass an den Ecken der Schallwand vier Bassreflexrohre von 6cm Lichtweite und 48cm Länge angebracht sind. Der vorstehende Einbau führt dazu, dass die Schallzentren der einzelnen Lautsprecher übereinander stehen und damit der Schall zeitrichtig entsteht. Dies zumindest so weit, als es üerhaupt möglich ist, denn je nach Zuhörerposition (Nahfeld) ergeben sich deutlich unterschiedliche Wegstrecken des Schalls von den einzelnen Lautsprechern durch die unterschiedliche Höhe ab Boden. Bei Betrieb im normalen Rahmen sind diese Unterschiede aber weit geringer, sodass von einer zeitrichtigen Wiedergabe ausgegangen werden kann.
Der Hochtöner ist in der Schallwand vertieft montiert (um Brettdicke), sodass die Staffelung auch gegenüber den Mitteltönern entsteht. Der „Trichter“ wird vorteilhafterweise mit einem Streifen Teppich ausgekleidet, um die entstehende Schallführung so zu bedämpfen, dass sie keine Reflexionen erzeugt. Damit kann der „Trichterklang“ verhindert werden.

Als Tieftöner ist der Dayton TIT400 vorgesehen, als Mitteltöner zwei MSH-115 von Monacor und als Hochtöner ebenfalls ein Monacor, nämlich der DT-254. Diese Bestückung liesse theoretisch einen maximalen Sinus-Schalldruck von 110dB zu, bei Musik könnte der Schalldruck bis 115dB werden. Dies bei einer Box in 1m Abstand. Bei grösserem Abstand nimmt natürlich der Schalldruck ab (je nach Raumbedämpfung) und durch den Einsatz von zwei Boxen um 3dB zu. Wenn diese Daten eigentlich von einer Disco-Lautstärke ausgehen, so ist die Box keineswegs als Disco-Schallquelle vorgesehen!
Berücksichtigt man den Bassabfall bei natürlichen Instrumenten (grosses Orchester) im extremen Bassbereich (20Hz –10dB) und rechnet dies entsprechend um, so wäre ein mittlerer Schalldruck von ca 107dB im Minimum ab 20Hz möglich durch die maximale lineare Auslenkung.
Der Frequenzgang müsste bis 23Hz linear verlaufen und die Grenzfrequenz sollte bei ca. 18Hz (-3dB) zu liegen kommen. Dies ist natürlich nur in einem entsprechend grossen Raum möglich. Und dies bei einem Nettovolumen von 145 Liter.

Der Mittel- und Hochtonteil sieht nach D’Appolito aus, schafft dies aber nicht ganz. Dazu müssten die Mittel- und Hochtöner kleiner sein oder die Trennung müsste tiefer angesetzt werden. Man könnte nun statt der MSH-115 sechs Tangband W2-780SD verwenden. Allerdings wäre damit nur ein Musik-Schalldruck von rund 104dB zu erreichen und es ergäben sich am Sweetspot (optimaler Abhörpunkt) keine Vorteile.
D’Appolito erzeugt im Idealfall den Eindruck, Mittel- und Hochtöner hätten einen gemeinsamen Entstehungsort des Schalls. Dazu müssen aber die Vorgaben betreffend Filtersteilheit und Membrandurchmesser im Verhältnis zur Trennfrequenz eingehalten werden. Ausserhalb der Achse (zumindest in vertikalem Bereich) ergibt die angewendete Anordnung eine Unregelmässigkeit. Nun befinden wir uns aber beim Sitzen auf Höhe von Mittel- und Hochtöner, sodass es kaum eine Abweichung gibt.

Man könnte natürlich die Box auch anders gestalten, etwa die Schallwand für den Bass leicht neigen und damit die unerschiedliche Tiefe erreichen. Das könnte dann in etwa so aussehen:
   
Hier sind nur noch zwei Reflexrohre im Einsatz mit einem Innendurchmesser von 8cm und einer Länge von 43cm. Die Wandstärke der Box ist mit 25mm angenommen. Dies ergibt eine hohe Steifigkeit bei Verwendung von MDF. Trotzdem ist es denkbar, im Gehäuseinnern Verstrebungen in Form von Leisten, Kreuzen oder Platten anzubringen, welche durch 4 grosse Löcher den Luftaustausch im Gehäuse ermöglichen. Soviel mal zum Gehäuse.

Nun muss ja eine Aktivbox „belebt“ werden. Und dazu sind bei einer Dreiwegbox zumindest 3 Verstärker nötig. Wie bereits erwähnt habe ich mich für den Bass- und Mittenbereich für eine Konstruktion mit speziellem Treiber-IC und Transistoren entschieden.
Der Treiber-IC ist im Grunde für Stereo vorgesehen, beinhaltet also zwei komplette Verstärkerzüge. Damit können wir hier den Bass und den Mittenbereich bedienen. Der Basslautsprecher hat eine Nennimpedanz von 4 Ohm, in den Mitten sind zwei 8 Ohm Lautsprecher parallel betrieben, was wiederum eine Impedanz von 4 Ohm ergibt. Die Mitteltöner vertragen im Maximum 80W pro Stück, sodass eine Endstufe mit 150W gerade richtig ist. Damit ist der erwähnte Schalldruck machbar.
Im Bass reicht diese Leistung ebenfalls für den gewünschten Schalldruck aus. Da ja die Box wirklich tiefbassfähig ist, muss man nicht von einer zusätzlichen Bassanhebung ausgehen, sodass es keinen Sinn machen würde, die Leistung im Bass zu erhöhen. Dem steht ja auch die „endliche“ Membranauslenkung entgegen.

Der Hochtonbereich benötigt generell eine geringere Leistung, da der zu versorgende Bereich (5 – 20kHz) nur 2 Oktaven umfasst und generell der Obertonbereich energetisch abnimmt. Im Grunde kommt hier ebenfalls eine Endstufe zum Einsatz, die aufgrund der Betriebsspannung die gleiche Leistung bringen könnte wie die Bass- und Mittenendstufe. Erstens haben wir es aber mit einem 8 Ohm Lautsprecher zu tun, was die Leistung halbiert und zweitens habe ich in der Speisung Strombegrenzungen für 1.82A eingesetzt. Da aber noch kräftige Elkos von 22000 Mikrofarad nachgeschaltet sind kann die Endstufe kurzzeitig 75W liefern, über längere Zeit aber nur rund 26W. Damit wird der Hochtöner vor Überlastung geschützt, ohne dass im normalen Musikbetrieb die Höhen abfallen würden.

Die Weiche wurde bereits erwähnt. Bleibt noch der Hinweis auf die Abstimmung.
Die Weiche basiert im Grunde auf einer 6dB-Steilheit. Und man geht weiter davon aus, dass die Trennfrequenz bei –3dB angesiedelt ist. Bei dieser Trennung bekommt z.B. der Hochtöner die halbe Leistung und ebenfalls der Mitteltöner. Ginge es um die reine Leistungsbilanz, würde diese stimmen, denn zweimal etwas Halbes ergibt ein Ganzes. Nun muss man aber die Phasengeschichte dazu rechnen. Die Lautsprecher abbeiten im eingeschwungenen Zustand nicht phasenrein, sondern teils gegeneinander. Damit addiert sich die Leitung der beiden Lautsprecher nicht direkt. Wie gross nun die Phasenfehler sind hängt von der Trennfrequenz ab, also letztlich von der Dämpfung. Und genau darum lassen sich an dieser Weiche
   
beim Hoch- und Tieftöner nicht nur die Pegel sondern auch die Trennfrequenz einstellen.
Der Pegel wird z.B. so eingestellt, dass der Hochtöner bei 10kHz gleich laut ist wie der Mitteltöner bei 1kHz. Und der Tieftöner soll bei 100Hz gleich laut sein wie der Mitteltöner bei 1kHz. Anschliessend wird mit der Trennfrequenz so variiert, dass beim ausgehaltenen Ton (rosa Rauschen) jeweils eine leichte Senke von rund 1dB erzielt wird. Man wird also den gemessenen Frequenzgang damit leicht uneben machen. Dafür sind die Anteile bei Impulsen, bei denen die Phasendrehungen noch nicht unmittelbar greifen ausgeglichen bis leicht überhöht. Mit dieser Einstellung bekommt man also einen recht ausgeglichenen Klang sowohl bei Impulsen als auch bei ausgehaltenen Klängen.

Die Weiche wird eingangsseitig mit der XLR-Buchse verbunden (Pin 1 = Masse, Pin 2 = Inverseingang, da ja die Ausgänge über Inverter angeschlossen sind, Pin 3 = Noninverseingang und Pin 4 Steuerung an den entsprechenden Eingang des Steuerteils geführt), ausgangsseitig wird sie mit den Endstufen verbunden.
Es ist empfehlenswert, einerseits die Weiche, andererseits die Hochtonendstufe und auch die Mitten-Bassendstufe auf jeweils eine Printplatte (Laborkarten Veroboard sind genau so denkbar wie selbst geäzte Prints) aufzubauen.

Zuerst noch etwas zum generellen Aufbau:
Ich empfehle eine Aluplatten von etwa 34 x 52cm. Auf dieser können auf der Aussenseite die Kühlkörper montiert werden und auf der Lücke zwischen den beiden Kühlkörpern ist der Einbau der Netzbuchse mit Schalter und die Eingangsbuchse möglich. Zu sehen sind auch die beiden Trafo-Befestigungen. Das Ganze sähe dann in etwa so aus:
   
Jetzt braucht es in der Boxen-Rückwand eine Öffnung von rund 48 x 30cm, durch welche die Kühlkörper gesteckt werden und natürlich eine Reihe von Löchern, um die Aluplatte zu befestigen. Von innen sähe dies dann etwa so aus:
   
Es bleibt jetzt, einen Aufbau für die Elkos und die Prints anzufertigen, wobei natürlich der IC des M/T-Amp mit auf die Kühlfläche muss. Ebenso gehören die Gleichrichter und die beiden Strombegrenzungs-Transistoren auf die Kühlfläche im Bereich Netz.

Nachdem die Weiche bereits betrachtet und beschrieben wurde, folgt das Netzteil. Dieses ist zweigeteilt, nämlich mit einem kleinen Trafo für den Bereich Weiche und Steuerung und einmal für die Leistungsendstufen.
   
Eingangsseitig ist ersichtlich, dass der Schutzleiteranschluss der Netzbuchse nur über einen Widerstand und einen Kondensator mit der Masse der Schaltung verbunden ist. Er ist aber selbstverständlich mit den Metallteilen (Kühlkörper) verbunden.
Weiter ist zu erkennen, dass die Netzbuchse, die Sicherungshalter (auf dem mechanischen Bild nicht eingezeichnet) die zwei Relais und der Leistungswiderstand in einem gesonderten Bereich zusammengefasst sind (gestrichelt). Diese Teile werden vorteilhafterweise in ein Kunststoffgehäuse so eingebaut, dass die Sicherungen von aussen zugänglich sind und die übrigen Netz führenden Teile doppelt isoliert sind gegen die Montageplatte. Damit wird jegliche Kurzschlussgefahr (Erdschluss) verhindert.

Da nur ein geringer Strom durch die beiden Stabi (+/-15V) fliesst müssen diese nicht auf dem Kühlkörper montiert werden. Es ist aber ratsam, dafür kleine Kühlkörper zu verwenden
   
Die Zuleitungen zu den Gleichrichtern werden vorteilhafterweise mit Ferritringen (Leitung mindestens 2 x durchschlaufen!) gegen Impulse geschützt.
Die Bauteile der 15V Speisungen wie auch jene der Strombegrenzungen (Dioden, Widerstände) können auf einem eigenen kleinen Print aufgebracht werden.

Die angegebenen 50V entsprechen der zu erwartenden Maximalspannung, während an den Verstärkerschaltbildern die Minimalspannungen von 42V angegeben sind.

Noch kurz zur Netzteilschaltung: Der Leistungstrafo ist mit einem Vorwiderstand ans Netz gelegt, welcher den Maximalstrom begrenzt. Dieser Widerstand wird mit dem Relais K2 nach 2 bis 6 Sekunden überbrückt. Damit ist sichergestellt, dass die Haussicherung auch beim gleichzeitigen Einschalten mehrerer Boxen nicht raus fliegt. Es ist darauf zu achten, dass die Boxen einer Anlage mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten arbeiten (Einstellung im Schaltbild Bereich Steuerung).
Die Strombegrenzung der Hochtonamp-Speisung ist mit je einem Transistor bestückt, welcher die Speisung über 0,33 Ohm am Emitter zugeführt bekommt. Mit den beiden Dioden 1N4007 sind jeweils die Basen auf maximal 1,25V vorgespannt. Nimmt der Strom durch den Transistor zu, so steigt der Spannungsabfall am Emitterwiderstand und begrenzt damit den Strom auf rund 1,82A. Somit kann die Endstufe im Maximum diesen Dauerstrom ziehen. Ist der Strom geringer, können sich die Elkos bis zur Maximalspannung aufladen und diese Ladung kurzzeitig auch wieder abgeben. Dies ermöglicht Impulsleistungen von rund 140W eff. Die maximale Dauerleistung liegt aber nur bei rund 26W eff.

Betrachten wir nun den M/T-Amp.
   
Hier ist zu erkennen, dass der IC LM4702 die gesamte Signalaufbereitung für die Endtransistoren übernimmt. Die Eingänge sind im Prinzip symmetrisch, wobei der Inverseingang die Gegenkopplung übernimmt. Um im Signalweg keine Elkos einsetzen zu müssen sind normale Kondensatoren von 47 Miktofarad eingesetzt. Da diese selten zu bekommen sind habe ich auf Lautsprecherweichen-Bauteile zurückgegriffen und Typen von Monacor eingesetzt.

Eine kleine Besonderheit gegenüber der Schaltung im Datenblatt stellen die Endtransistoren dar. Üblicherweise wird mit Darlingtons gearbeitet. Das sind hier die 2SB1560 und 2SD2390. Diese treiben (bei Leistungen bis ca. 15W) direkt die Lautsprecher. An ihren Emitterwiderständen sind normale bipolare Transistoren nachgeschaltet, welche bei höheren Leistungen (höhere Ströme durch die Emitterwiderstände ergeben Spannungsabfälle, welche die nachgeschalteten Transistoren anzusteuern vermögen) zusätzlich Leistung bringen. Damit wird einerseits der sog. B-Knick verringert, andererseits aber die Leistung optimal verteilt.

Die Schaltung verfügt über keinen Kurzschlussschutz. Dies ist nicht zwingend, weil die Lautsprecher fest mit der Endstufe verbunden sind und daher Kabel-Kurzschlüsse nicht entstehen.
Die Mute-Schaltung wird beim Einschalten so lange aktiviert (ca. 12S), bis die Strombegrenzung am Netztrafo sicher ausser Funktion ist. Sie wird wie die Strombegrenzung in der Steuerung realisiert.

Da der IC LM4702 für zwei Kanäle ausgelegt ist, ist die Höhenendstufe anders aufgebaut
   
Hier kommt eine Schaltung mit einem OPV NE5534 zum Einsatz. Die Ansteuerung der Endstufen-Darlingtons erfolgt direkt aus dem Betriebsstrom des OPV. Dieser wird über zwei Emitterfolger BD139 und BD140 an die Endstufenspeisung angeschlossen, wobei deren Kollektoren jeweils über 100 Ohm an der Speisung hängen. Je nach Strom im OPV ändern sich somit die Spannungen an diesen Widerständen, was direkt zu den Basen der Darlingtons geleitet wird. Damit ist die Aussteuerung gesichert. Der Strom durch den OPV wird durch seine Ansteuerung und den Strom in seinem Ausgangswiderstand von 100 Ohm bestimmt.
Da der Ruhestrom des OPV zu gering wäre wird mit den beiden Transistoren BC550 und BC337 ein zusätzlicher Querstrom generiert. Dieser ist im Grunde fest eingestellt (einstellbar mit dem Trimmpot 200 Ohm). Allerdings ergibt die thermische Kopplung von BC550 und Endtransistoren eine temperaturabhängige Steuerung. Damit wird der Temperaturgang der ganzen Endstufe stabilisiert.

Zu erwähnen ist noch der FET am Eingang. Mit diesem FET wird das Tonsignal gegen Masse geführt (stumm geschaltet), wenn das Gate eher positiv ist (Mute auf +), aber es wird unbelastet, wenn das Gate mindestens –4V beträgt. Die Schaltung ist auf eine Spannung von ca. +0,6V und –5,6V berechnet. Und da die Gegenkopplung wie auch die Speisung jener der MT-Endstufen entspricht ist die Eingangsempfindlichkeit gleich.

Bleibt noch das Kapitel Steuerung;
   
Hier sind zunächst drei Schmitttriggergruppen zu sehen, welche Transistoren ansteuern. Und rechts ist ein Transistor gezeichnet, welcher die Speisespannung der Schmitttrigger schaltet. Ist der FB-Anschluss (Pin 4 der XLR-Buchse) gegen Masse geführt, leitet der Transistor und liefert die rund 10V (15V abz. Zenerspannung) an die Schmitttrigger.
Liegt an den Eingängen dieser Schmitttrigger die positive Spannung an (bei der mittleren Gruppe), so wird deren Ausgang tief (Inverter) und damit der zweite Ausgang hoch. Das bedeutet, dass der Transistor leitend wird und K1 anzieht. Damit wird der Leistungs-Netztrafo ans Netz geschaltet.

Gleichzeitig wird die Speisung auch den beiden anderen Eingängen zugeführt, wobei diese über RC-Glieder verzögert werden. Bei der obersten Gruppe haben wir eine feste Zeitkonstante von ca. 12 Sekunden. Diese dient der Mute-Schaltung. Dabei wird der Transistorausgang (Mute bei Plus) an der zweifachen Invertierung abgenommen und somit steht nur während des Mutings eine Ausgangsspannung für die M/T-Endstufe an, während die Mutespannung für den H-Amp am ersten Inverter abgenommen wird und damit ebenfalls nur wärend des Mutevorgangs eine Spannung liefert. Der getrennte Aufbau dient dazu, die unterschiedlichen Anforderungen zu trennen, denn der FET des H-Amp benötigt im Gegensatz zum M/T-Mute letztlich zur Signalaufschaltung eine negative Spannung.

Bleibt noch die unterste Triggergruppe. Diese ist einstellbar und steuert das Relais, welches den Vorwiderstand des Leistungstrafos überbrückt. Die Einstellung ist nötig damit nicht alle Boxen gleichzeitig einschalten (wurde erwähnt).

Noch ein Wort zu den Bauteilen:
Ich habe hier stellvertretend Farnell als Lieferant ausgesucht. Es könnten natürlich auch andere sein. Wichtig ist erstens, dass man die richtigen Bauteile bekommt. Und es ist selbstverständlich dass viele Kleinlieferungen den Preis in die Höhe drücken. Dass Farnell nicht immer der Günstigste ist, versteht sich. Wer sich also die Zeit nehmen will, kann sich die Daten der Bauteile bei Farnell raus suchen aufgrund der Bestellnummern und dann das Internet nach günstigeren Anbietern abklappern.
Und bei den Lautsprechern kann man Dayron und Monacor aus einer Hand beziehen (Strassacker) oder auch getrennt besorgen. Auch da können Preisunterschiede resultieren.

Alles in allem ist es natürlich kein billiges Unterfangen sich sowas zuzulegen. Aber es wäre eine Möglichkeit, wirklich hochwertige Wiedergabe zu erleben.

---