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2-Wege Aktivbox

- 2-Wege Aktivbox mit TDA7293 Endstufen - 50W Sinus pro Weg an 4Ohm. - Materialkosten ca. 65 EUR/Box (ohne Lautsprecher/Gehäuse).

Grundsätzliche Überlegungen

Wahrscheinlich wird sich jeder erst mal fragen, „Lohnt sich der Selbstbau?“ Ich meine „ja“, aber das muss jeder für sich selbst entscheiden. Für mich klingen meine Boxen (subjektiv) besser, als alles, was ich vorher so im Wohnzimmer rumstehen hatte (ok, das waren auch nur die mitgelieferten Lautsprecher von irgendwelchen Kompaktanlagen). Der (hörbare) Vorteil von Aktivboxen gegenüber Passivboxen liegt in der hohen Dämpfung mit daraus resultierenden geringen Verzerrungen, da die Lautsprecher direkt ohne Passivweiche über kurze Kabel mit der eigenen Endstufe verbunden sind. Dieses führt zu einem sehr klaren Klang über den gesamten Frequenzbereich. Auch bestehende Passivboxen können ggf. „aktiv“ aufgerüstet werden. 50W klingen in der heutigen Zeit, wo Anlagen mit mehr als 1000W beworben werden, nicht viel, jedoch wird man die 50W in einem normalen Wohnraum nur sehr selten bis gar nicht abfordern (es sei denn, man ist schon stark hörgeschädigt). Wer unbedingt möchte, kann die Leistung relativ einfach durch Erhöhung der Versorgungsspannung und Verstärkung auf 100W erhöhen. Weitere Möglichkeiten zur Leistungserhöhung bei Verwendung des TDA7293 liegen in der Brückenschaltung oder Parallelschaltung. Für den Betrieb der Aktivboxen sollte ein Vorverstärker mit einem Ausgangspegel von ca. 500mVeff vorhanden sein. Hat man den nicht, kann man sich auch einen selber bauen. Hier ist ein passendes Steuergerät/Vorverstärker, das bis zu 8 Audioeingänge und eine Lautstärkeeinstellung besitzt, über eine Infrarot Fernbedienung steuerbar ist und die Netzspannung für die Aktivboxen steuert: AB_Steuergerät Zur Historie: Die Boxen habe ich bereits Anfang der 80er Jahre als Aktivboxen gebaut, bestückt mit Endstufen aus einem Bausatz. Sie klangen nicht schlecht, jedoch war ein leises Netzbrummen und deutliches Rauschen zu hören. Zudem dachte man bei jedem Ein-/Ausschalten, das einem gleich die Lautsprechermembranen um die Ohren fliegen. Als dann mein damaliger Verstärker den Geist aufgab und eine neue Anlage angeschafft wurde, wanderten die Boxen erst mal in den Keller. Vor einem Jahr dann die Entscheidung: Sperrmüll oder reaktivieren. Ich habe mich für zweites entschieden. Von den ursprünglichen Boxen sind nur die Gehäuse, die Hochtöner (HECO HKH25) und die Trafos übriggeblieben, alles andere wurde erneuert.

Aktive Frequenzweiche

Der große Vorteil von aktiven Weichen ist, dass sie einfach und präzise ausgelegt werden können und dabei nur den Bruchteil einer passiven Weiche kosten. Aus den 2 Grundschaltungen für einen 6dB und einen 12dB Filter lassen sich so, durch Reihenschaltung, Weichen mit 6, 12, 18, 24…dB/Oktave realisieren. Nachfolgend die Grundschaltungen für 6dB Filter mit 45° Phasenverschiebung bei der Übergangsfrequenz Fü. Der Operationsverstärker dient als Impedanzwandler und kann am Eingang und/oder Ausgang angeordnet sein. Die Übergangsfrequenz Fü berechnet sich zu: Fü = 1 / ( 2 * Pi * R * C ) Pi  = Konstante = 3,1416 R   = Widerstand [Ω] C   = Kondensator [F] Die Amplitude bei Fü beträgt immer -3dB oder 0,707. Die folgenden Abbildungen zeigen die Grundschaltungen für eine Weiche 2ter Ordnung mit einer Steilheit von 12 dB/Oktave und 180° Phasenverschiebung zwischen Tief- und Hochpass:    Die Übergangsfrequenz Fü berechnet sich zu: Fü = 1 / ( 4 * Q * Pi * R * C ) Q   = Gütefaktor, entspricht der Amplitude bei Fü im Verhältnis zu 1 Pi  = Konstante = 3,1416 R   = Widerstand [Ω] C   = Kondensator [F] Nachfolgend der Amplituden- und Phasengang beispielhaft für Fü = 1kHz und 3 Werte von Q:   Im Normalfall wird man ein Q von 0,5 wählen, um einen flachen  Amplitudengang aus Tief- und Hochpass zu erzielen (grüne Kurven). Falls die Tief- /Hochtöner  im Bereich der Übergangsfrequenz bereits einen Abfall in der Amplitude aufweisen, kann dieses durch einen höheren Q-Wert ausgeglichen werden. Für eine Weiche mit 24dB/Oktave (360° Phasenverschiebung) kann man zwei 12dB Filter mit je einem Q von 0,7 hintereinanderschalten, sodass der Gesamt Q-Wert wiederum 0,5 beträgt. Für die gewählte Übergangsfrequenz, den Gütefaktor Q  und einen gewählten Kondensator C errechnet sich der erforderliche Widerstand R zu: R  = 1 / ( 4 * Q * Pi * Fü * C ) Die Werte für CQ  ( Tiefpass) und RQ ( Hochpass) berechnen sich zu:   CQ =  C * 4 * Q2  ,    RQ =  R * 4 * Q2  Als Beispiel sollen für eine Übergangsfrequenz von 1800 Hz und einem Q von 0,5 die erforderlichen Kondensatoren und Widerstände bestimmt werden, für C werden 33nF gewählt: R = 1 / ( 4 * 0,5 * 3,1416 * 1800Hz * 0,000000033F ) = 2679Ω => gewählt: 2,7kΩ CQ =  33nF * 4 * 0,52 =  33nF * 4 * 0,25 = 33nF (=>Tiefpass) RQ = 2,7kΩ * 4 * 0,52 = 2,7kΩ * 4 * 0,25 = 2,7kΩ (=>Hochpass)

Beschreibung der Schaltung

Die Elektronik besteht im Wesentlichen aus der aktiven Frequenzweiche, den Endstufen, der Stromversorgung und einem Mikrocontroller zur Steuerung/Überwachung. Nachfolgend der Stromlaufplan.    Über die Cinch Buchse SV6, C7 und R3 gelangt das Eingangssignal an den nichtinvertierenden Eingang (Pin3) von IC2A, das als Eingangspuffer mit der Verstärkung 1 dient.  Vom Ausgang der Pufferstufe (IC2A, Pin1) geht das Signal einerseits an den Eingang des Tiefpassfilters (IC2 B) und andererseits auf die Pegeleinstellstufe für den Hochpass, gebildet aus dem 16-poligen Codierschalter SW2, den Widerständen R4, R31-R34 und IC1A. Über SW2 ist der Pegel zwischen  0,69 und 1,47 ( -3,2dB bis +3,3dB) einstellbar, um Schalldruck Unterschiede zwischen Hoch- und Tieftöner  auszugleichen. Die Kennlinie ist aus der  Abbildung ersichtlich. Die Verwendung eines Codierschalters hat den Vorteil von reproduzierbaren Pegeln, der Schalter kann natürlich auch gegen einen Trimmer oder einen Festwiderstand ersetzt werden. Die Tief-/Hochpass Filter sind für die Lautsprecherkombination WS20E-4Ohm und DT94-8Ohm ausgelegt. Der Hochpassfilter (IC1B) ist als 12dB Filter mit einer Übergangsfrequenz von 1.816Hz und einem Q von 0,885 ausgelegt. Der Tiefpassfilter besteht aus einem 12dB Filter (IC2B, Fü = 2.581Hz, Q = 0,778) und einem 6db Filter (IC8A) mit einer Übergangsfrequenz von 884Hz. Der 6dB Filter dient der Phasenkorrektur zwischen Hoch-/Tieftöner und reduziert Amplitudenspitzen bei 800Hz und 5KHz. Von den Ausgängen der Filter werden die getrennten Signale zu den Endstufen geführt. Für alle Widerstände sollten Metallfilmwiderstände mit 1% Toleranz und für die frequenzbestimmenden Kondensatoren (C8- C11 und C30/C31) Folienkondensatoren mit geringen Toleranzen verwendet werden. Bei Verwendung von Kondensatoren mit höheren Toleranzen empfiehlt es sich die doppelte oder drei-fache Menge zu beschaffen und die Kondensatoren zu selektieren, die am dichtesten am Sollwert liegen. Für IC 1,2 und 8 wurden die rauscharmen NE5532 gewählt.

Endstufen

Nach einigen Versuchen mit diskret aufgebauten Endstufen, die mich nicht richtig überzeugt haben, habe ich mich für Endstufen mit dem TDA7293 entschieden. Die Vorteile im Überblick: - Ausreichende Leistung (max. 100W) - Sehr geringer Ausgangswiderstand, Aussteuerung bis nahezu +/- Versorgungsspannung möglich - Preisgünstig (ca. 1,95 EUR bei Reichelt) - Wenig externe Bauteile erforderlich - Keine stabilisierte Versorgungsspannung erforderlich - Sehr rauscharm, geringe Verzerrung - Eingebaute Mute/Standby Funktion, d.h. bei entsprechender Beschaltung kein Ein-/Ausschaltknack!!! - Thermische Überwachung: Abschaltung bei Übertemperatur - Übersteuerungsdetektor (Clip Detect) Vom Ausgang der Filter gelangt das aufgetrennte Signal über C15 (Hochton) und C16 (Tiefton) an die nichtinvertierenden Eingänge der Endstufen ICs 4+5. Die Verstärkung wird über R23/R22 bzw. R26/R25 eingestellt und ist in diesem  Fall 23- fach. Damit wird die Leistung von 50W an 4 Ohm mit einem Eingangspegel von ca. 0,65Veff erreicht. Wer eine höhere Verstärkung benötigt, sollte kleinere Werte für R22/R25 wählen. Die minimale Verstärkung für einen stabilen Betrieb sollte laut Datenblatt nicht kleiner als 20 (26dB) sein. Der Tiefton und Hochtonkanal sind, bis auf die kleineren Kondensatoren C15, C25 und C27 im Hochtonkanal, identisch aufgebaut. Die Lautsprecher werden direkt, ohne Kondensator, zwischen Pin 14 der ICs 4+5 und GND angeschlossen. Die Hoch- und Tieftöner werden in den meisten Fällen mit gleicher Polung angeschlossen, da diese bei der Übergangsfrequenz (um die 2kHz) schon eine Phasendrehung von ca. 180° aufweisen und durch die Frequenzweiche um weitere 180° gegeneinander verschoben werden, sodass der  gesamte Phasenwinkel bei ca. 0° liegt. Zur Vermeidung von Einschaltgeräuschen liegen beim Einschalten der Versorgungsspannung normalerweise die Pins 9 (Standby) und 10 (Mute) auf Masse, d.h. der nichtinvertierende Eingang des TDA7293 wird intern auf Masse gelegt (Mute) und die Ausgangsstufe hochohmig (Standby). Nachdem sich die Versorgungsspannung stabilisiert hat wird zuerst Standby (Pin9) auf +5V gelegt und anschließend Mute (Pin10) ebenfalls auf +5V gelegt. Vor dem Ausschalten der Versorgungsspannung wird erst Mute auf Masse gelegt, dann Standby. Pin 5 der Leistungs-ICs (Clip Detect) liegt im Normalbetrieb über R15 und D1/D2 auf ca. +5V. Bei Übersteuerung der Endstufen wird Pin 5 durch einen internen FET auf Masse gezogen (open-drain). Dieses Signal kann z.B. verwendet werden, um die Lautstärke eines Vorverstärkers bei Übersteuerung zu reduzieren.

Mikrocontroller

Für die Auswertung der Clip Signale und die Steuerung der Status LEDs sowie der Mute/Standby Funktion wurde der kleine 8-Pin Mikrocontroller PIC12F508 (IC3) gewählt. Nach dem Einschalten der Netzspannung benötigt der Mikrocontroller ein Freigabesignal von ca. 3,5-5V an Pin 2 (GP5). Liegt das Freigabesignal an, wird nach einer Wartezeit von 1s erst Pin5 (GP2) für das Standby Signal auf +5V gelegt, und nach weiteren 100ms Pin7 (GP0) für das Mute Signal. Mit dem Standby Signal wird auch die rote LED ausgeschaltet und die grüne LED eingeschaltet.
2-Wege Aktivbox