richi44
14.08.2009, 11:56
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. [attachment=494]
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. [attachment=495]
. 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.[attachment=502]
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. [attachment=496]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.
[attachment=497]
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).
[attachment=498]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.
[attachment=499]
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.
[attachment=500]
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.
[attachment=501]
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.
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. [attachment=495]
. 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.[attachment=502]
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. [attachment=496]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.
[attachment=497]
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).
[attachment=498]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.
[attachment=499]
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.
[attachment=500]
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.
[attachment=501]
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.