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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Parasitäre Effekte eines Lautsprechers


Autor: Paul H. (powl)
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Hi!

Ich habe da eine Verständnisfrage. Ein Lautsprecher wird ja durch 
elektrisch erzeugte Magnetfelder getrieben. Der ohmsche Widerstand der 
Spule begrenzt den Strom. Das bedeutet, abhängig von der Spannung, die 
am Ausgang des Verstärkers anliegt ist der Stromfluss stärker oder 
schwächer.

Nun sollte ja ein Lautsprecher aufgrund seiner Spule auch in gewisser 
Hinsicht eine Induktivität darstellen und die hat ja die Eigenschaft 
eine Selbstinduktion auszuführen wodurch sie den schwankenden Stromfluss 
zu glätten versucht. Da das Magnetfeld und die auf die Membran wirkende 
Kraft proportinal zur Stromstärke ist müsste es doch bei einer 
Schwingung immer erst eine kurze Zeit dauern bis das Magnetfeld und 
somit die Kraft vollständig aufgebaut ist. Durch die Auslenkung wird der 
Lautsprecher aus dem Magnetfeld herausbefördert, diese Bewegung 
allerdings erzeugt wieder eine Induktionsspannung. Noch dazu kommt, dass 
die Membran mit zunehmender Auslenkung aus dem Magnetfeld immer mehr an 
Kraft verliert da das Feld ja schwächer wird, oder ist dieser Effekt zu 
vernachlässigen?

Ist die Induktivität generell zu vernachlässigen und man kann 
näherungsweise davon ausgehen dass die an einem Lautsprecher anliegende 
Spannung (in einem bestimmten Frequenzbereich von meinetwegen 0 bis 
5kHz, was eben der Lautsprecher hergibt) proportional zu dessen 
Auslenkung ist?

lg PoWl

Autor: Erik S. (erik_s)
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Ohne die eigentlichen Fragen zu beantworten möchte ich ein paar 
allgmeine Bemerkungen machen:

Übliche Induktivitätswerte liegen bei bis ca 3mH. Allerdings wird im 
Betrieb die Spule nicht aus dem Magnetfeld bewegt, sie bewegt sich 
vielmehr in diesem. Seriöse Hersteller geben für ihre Lautsprecher auch 
immer die maximale lineare Auslenkung an, oft auch die mechanisch 
maximal zulässige. Übrigens sind Frequenzwiedergaben unter 20...30Hz für 
Menschen nicht sonderlich sinnvoll ;-)

Lautsprecherboxen sind recht komplexe Systeme, die man nicht auf die 
elektrisch-mechanischen Zusammenhänge reduzieren kann. Da wirkt stark 
die Trägheit der Membran, die Gegenkraft der Zentierspinne, Luftdruck im 
Gehäuse und einiges mehr.

Autor: Paul H. (powl)
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Eigentlich geht es mir viel mehr um einen Körperschallwandler 
(BodyShaker). Ich möchte dafür einen einfachen Verstärker bauen aber 
vorher gerne mal das elektrische Prinzip verstanden haben.

lg PoWl

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Bei dem dürfte es wohl aufs selbe hinauslaufen:
Im Idealfall sollte die Position des Magnets innerhalb der Spule 
proportional zur angelegten Spannung sein. Das gilt auch näherungsweise 
für sehr kleine Frequenzen wenn die Induktiviät, die Trägheit, 
Resonanzfrequenz usw. vernachlässigt werden können.

In der Praxis dürfte das ganze näherungsweise aus einer Reihenschaltung 
aus Widerstand und Spule bestehen, über die die eigentliche Schaltung, 
nämlich ein bedämpfter LC Schwingkreis (gebildet aus Masse und deren 
Aufhängung) angesteuert wird. Die Resonanzfrequenz liegt irgendwo um die 
50Hz, abhängig von der Montage.

Und jetzt kannst du das Gebilde man simulieren...

Autor: Paul Baumann (Gast)
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Hier ist ein Link:
http://www.selfmadehifi.de/tsp.htm#1
wo man das Ersatzschaltbild eines Lautsprechers sehen kann.

Body Shaker?! Shake Baby shake!

(Auf Deutsch: Schüttle Dich, Säugling, schüttle Dich....) ;-))

MfG Paul

Autor: Paul H. (powl)
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Ich möchte den Verstärker eventuell ganz billig mit OpAmp und 
Transistoren aufbauen, muss kein Hifi-Wunder für den Shaker werden.

Reicht es aus um die Leistungsaufnahme und die größe der Transistoren 
für meinen Verstärker zu bestimmen das Ohmsche Gesetz zu verwenden?

angenommen ich will das ding auf max. 50 Watt auslegen:

P = U² / R

U = sqrt(P * R) = sqrt(50W * 4Ohm) = 14,14V? Das wäre aber eine 
Gleichspannung. Für eine Wechselspannung müsste ich dann doch eine 
entsprechend höhere Spannung nehmen, oder? Da komme ich auf ca. 20V.

Stromstärke gleichermaßen? I = P / U = 50W / 20V = 2,5A?

Oder ist die Geschichte wesentlich komplexer wegen Schwingungen im 
Regelkreis usw? Am liebsten wär mir natürlich ein Klasse-D Verstärker da 
ich den nicht so doll kühlen muss aber zuerst wollte ich die Grundlagen 
verstehen.

lg PoWl

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Wenns einfach und billig sein soll: TDA7294
100W Musikleistung für 1,6€, einfacher und billiger gehts kaum.
Den an etwa +/- 20-25V (z.B. aus einem 2x 18V 2A Trafo), das reicht bei 
weitem aus. Einen dicken Kühlkörper aber nicht vergessen.

Autor: Paul H. (powl)
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Hm ja um ehrlich zu sein weiß ich noch nicht genau wie viel Watt ich 
wirklich brauch. An meinem 65W Verstärker muss ich halb bis 2/3 
aufdrehen um richtig Spaß zu haebn. Ich nehme daher mal an dass 
30-40Watt sogar reichen würden.

Ein Klasse D Verstärker wäre sinnvoll damit nich soviel Abwärme 
entsteht. Aber wie bestimme ich denn nun die Ein bzw. Ausgangsspannung, 
anhand meiner einfachen Rechnung?

lg PoWl

Autor: Bernd (Gast)
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Das seh ich auch so: +/- 20 Volt ergibt effektiv 14 Volt Sinus, was dann 
einer Leistung von ca. 45 Watt entspricht. Ein NF Leistungsverstärker 
Class A hat ca. 60% Wirkungsgrad, deshalb sollten etwa 80 Watt Leistung 
aus dem Netzteil zur Verfügung stehen. 2 x 20Volt, 2A sollten reichen.

Gruss, Bernd

PS.
Hoffentlich fängt jetzt keiner mit PMPO an. Wären das dann 400 Watt?

Autor: Dieter Stotz (bulova)
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Hallo,

ich bezweifle, dass Class A mehr als 50% Wirkungsgrad haben soll. Das 
(theoretische) Maximum liegt bei 6,25%. Ich gehe davon aus, dass Class 
AB gemeint war.

Gruß

Dieter

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Paul Hamacher wrote:
> An meinem 65W Verstärker muss ich halb bis 2/3
> aufdrehen um richtig Spaß zu haebn.

Das ist fast so eine sinnvolle Angabe wie PMPO:

Wie hoch man den Lautstärkeregler an einem Verstärker aufdreht sagt rein 
garnichts über die Leistung aus die rauskommt !
Es hängt nämlich sehr davon ab, wie groß die Pegel sind die reingehen 
und wie hoch die Verstärkung im Verstärker ist.

> Ein Klasse D Verstärker wäre sinnvoll damit nich soviel Abwärme
> entsteht.

Ja, aber kannst du einen bauen ? Es ist nicht ganz so einfach, vor allem 
der Tiefpassfilter. Denn entweder hat man im Leerlauf hohe Blindströme, 
oder einen hohen Innenwiderstand der Endstufe. Und die Blindströme 
verursachen viel Wärme in der Spule wenn die unpassend ist. Ich behaupte 
jetzt einfach mal, eine Schaltnetzteil zu entwerfen ist einfacher als 
eine Class D Endstufe.

> Aber wie bestimme ich denn nun die Ein bzw. Ausgangsspannung,
> anhand meiner einfachen Rechnung?

Die Ausgangsspannung hast du ja schon berechnet: Rund 40Vss. Daher 
braucht man rund +/-20 bis +/-25V Betriebsspannung. Den Strom kann man 
damit auch ausrechnen: rund 5A Spitze.
Die Eingangsspannung dürfte irgendwo bei 100mVeff bis 1Veff liegen, je 
nach Quelle. Die notwendige Verstärkung dürfte daher irgendwo zwischen 
20x und 200x liegen, je nachdem welchen Pegel die Signalquelle liefert.

Und wie bereits gesagt: Ich würde den TDA7294 empfehlen, der ist 
Preis/Leistungsmäßig einfach Spitze.
Zur Kühlung kann man wunderbar einen CPU Kühler (mit Lüfter) verwenden. 
Dann bekommt man das ganze auch sehr kompakt.

Autor: Paul H. (powl)
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Ok da hast du auch wieder vollkommen recht. Theoretisch müsste ich 
jedoch mit einem Multimeter mal die Amplitude messen können die aus dem 
Verstärker kommt und damit näherungsweise auf die Leistung schließen. 
Gut dann kauf ich mir eben mal einen TDA 7294 und experimentier damit 
ein wenig. Wie kommst du jedoch auf 5A Spitze? Ein Trafo der 2x20V und 
5A liefert müsste 200VA haben.

Ich brauche jedoch nur 50VA oder je nachdem auch weniger (was für den 
Shaker halt ausreicht), muss ich mal schauen, ich kann das ganze ja mal 
an akkus aufbauen und messen was da für Ströme fließen.

lg PoWl

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Paul Hamacher wrote:
> Ok da hast du auch wieder vollkommen recht. Theoretisch müsste ich
> jedoch mit einem Multimeter mal die Amplitude messen können die aus dem
> Verstärker kommt und damit näherungsweise auf die Leistung schließen.

Ja, theoretisch.
Allerdings hört man selten Sinus.
Meine Erfahrung ist, dass die Spitzenleistung irgendwo um den Faktor 2 
über der benötigten Sinusleistung liegt. Ich dimensioniere daher die 
Trafos meist so, dass Trafoleistung = theoretische Sinusausgangsleistung 
ist.

> Wie kommst du jedoch auf 5A Spitze?

+/-20V/4Ohm = +/-5A die die Endstufe liefern muss. Da aber immer 
abwechselnd positiv und negativ, reduziert sich der mittlere Strom 
schonmal auf 2,5A pro Seite. Dann kommt noch dazu, dass der Effektivwert 
um Wurzel(2) niedriger liegt -> 1,8A. Ein Trafo mit 2x 15-20V, je 2A ist 
also ausreichend.

> Ich brauche jedoch nur 50VA oder je nachdem auch weniger (was für den
> Shaker halt ausreicht), muss ich mal schauen, ich kann das ganze ja mal
> an akkus aufbauen und messen was da für Ströme fließen.

Ich hatte meinen Shaker die ganze Zeit an einem TDA2030A, der 
theoretisch etwa 25W liefert. Allerdings waren die +/-15V 
Betriebsspannung etwas wenig: Man hat öfters gehört, dass der Verstärker 
in die Begrenzung geht (vor allem bei Filmen mit hohem Dynamikumfang).
Dann habe ich die Spannung auf +/-20V erhöht. Jetzt ging der TDA2030A in 
die Begrenzung. Daher läuft bei mir jetzt ein TDA7296 seit längerem an 
2x 18V gleichgerichtet, was je nach Last +/-20 bis +/-28V ergibt. Die 
Serie TDA7293-TDA7296 sind alle pinkompatibel und unterscheiden sich nur 
in der Leistung. Da der TDA7294 (zumindest bei Reichelt) am billigsten 
ist, gibt es eigentlich keinen Grund einen schwächeren einzusetzen, ich 
hatte nur zufällig ein paar TDA7296 noch rumliegen.
Wenn man längere Zeit laute Musik hört, wird der Shaker schon deutlich 
warm, aber kaputt habe ich ihn noch nicht bekommen.

Autor: Jorge (Gast)
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>Die Serie TDA7293-TDA7296 sind alle pinkompatibel und unterscheiden sich nur
>in der Leistung.

Die sind nicht alle 100% pinkompatibel und benötigen schon eine andere 
Beschaltung. Wichtig ist ein ausreichend dimensioniertes Snubber Glied 
am Ausgang, da die Teile sonst trotz interner Strombegrenzung gerne 
explodieren.

7293 ist das billigste und beste aus der Serie bei Reichelt (war 
zumindest mal so) auf jeden Fall besser als 7294.

Eine Alternative ist noch LM3886 (Conrad, distrelec) bzw LM4780 
(Brückenbetrieb) die mit noch weniger externen Bauteilen auskommen. Zur 
Not geht es sogar ohne eine Platine.

Die TDA7293 sind etwas leistungsschwächer und haben dafür eher 
"audiophilen Charakter" sie verzerren erst wenn es an die Grenzen geht, 
während die bipolare Technologie bei kleinen Leistungen relativ hohe 
Verzerrungen hat. Die neue CD klingt dann nach ein paar Tagen 
abgelutscht und nach Kanalrohr.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Jorge wrote:
> Wichtig ist ein ausreichend dimensioniertes Snubber Glied
> am Ausgang, da die Teile sonst trotz interner Strombegrenzung gerne
> explodieren.

Deshalb steht im Datenblatt ja auch "NO BOUCHEROT CELLS"...
Lediglich beim TDA7293 wird eines empfohlen.

> 7293 ist das billigste und beste aus der Serie bei Reichelt (war
> zumindest mal so) auf jeden Fall besser als 7294.

Besser ja, aber auch teurer. Und er ist der neueste mit am meisten 
Features.

> Die TDA7293 sind etwas leistungsschwächer

Nein, das ist der stärkste der Reihe !

Autor: Jorge (Gast)
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Tatsächlich ist mittlerweile der TDA7294 bei Reichelt momentan billiger 
(Ausverkauf ?). In Sachen Klangqualität steht der dem 7293 auf jeden 
Fall in nichts nach. Den TDA7293 kann man leichter parallelschalten, 
damit kann man die Endstufe dann 4 Ohm (2 Stück) oder 2 Ohm (3 Stück) 
stabil bauen.

Autor: Jorge (Gast)
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>> Die TDA7293 sind etwas leistungsschwächer
>Nein, das ist der stärkste der Reihe !

Ja das ist richtig. Ich hatte auch den Vergleich mit LM3886 im Kopf, die 
sind 4 Ohm stabil, sorry.

Bei cadsoft findet sich ein brauchbares EAGLE-Layout für tda7294. Dies 
geht nicht ohne Modifikation für TDA7293 (er überlebt es aber), daher 
mein Beitrag.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Jorge wrote:

> Bei cadsoft findet sich ein brauchbares EAGLE-Layout für tda7294. Dies
> geht nicht ohne Modifikation für TDA7293 (er überlebt es aber), daher
> mein Beitrag.

Das liegt aber nur daran, dass im Layout gepfuscht wurde: Durch Pin 5, 
der bei TDA7294-6 NC ist, ist eine Leiterbahn gelegt. Beim TDA7293 ist 
der Pin dagegen der Clipping/Fehlerausgang.
Wenn man die NC Pins auch NC lässt, sind TDA7293-6 alle Pinkompatibel.

Autor: Paul H. (powl)
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@ Benedikt, meinst du es reicht aus den Shaker für 30Watt zu konzipieren 
oder war er da noch nicht so stark? Dann würde mir eventuell ein 36VA 
Trafo reichen. Ansonsten würde ich 40Watt nehmen und einen 50VA Trafo 
nehmen. 2x15V.

lg PoWl

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Kommt drauf an für was du den brauchst:
Wenn du kurze Peaks hast, dann lieber mehr Spannung und dafür größere 
Elkos.
Wenn auch länger dauernde Vibrationen dabei sind, dann besser mehr 
Strom.

2x15V würde ich aber als Untergrenze ansetzen, dann übersteuerts bei mir 
bei einigen lauteren Stellen. Ich würde daher eher zu dem stärkeren 
Trafo tendieren. Die orginalen Verstärker laufen mit 2x 12V 25VA 
Trafoleistung. Das ist meiner Meinung nach viel zu wenig, vor allem bei 
Filmen mit hoher Dynamik.

Autor: Paul H. (powl)
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Naja kurze "Peaks". Es geht um einen Verstärker der ausschließlich für 
die Verwendung eines BodyShakers bestimmt ist.

Ich denke es wird das Beste sein einfach mal die Spannung und Strom zu 
messen während ich den Shaker im Betrieb habe. Müsste doch reichen wenn 
ich einen 50Hz Sinus anlege oder?

Mal eine ganz blöde Frage: Wie wird am TDA7294 eigentlich die 
Verstärkung eingestellt?

lg PoWl

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Paul Hamacher wrote:
> Ich denke es wird das Beste sein einfach mal die Spannung und Strom zu
> messen während ich den Shaker im Betrieb habe. Müsste doch reichen wenn
> ich einen 50Hz Sinus anlege oder?

Eigentlich bringt das nicht viel, denn du weißt dass das Ding 4 Ohm hat. 
Was etwas bringen würde: Irgendein typisches Siganal anlegen, und die 
Spitzenspannung messen. Dann weißt du welche Betriebsspannung du in etwa 
brauchst. Das sollte eigentlich ganz einfach mit einem 
Brückengleichrichter + kleinen Elkos gehen, an dem dann die Spannung 
gemessen wird.

> Mal eine ganz blöde Frage: Wie wird am TDA7294 eigentlich die
> Verstärkung eingestellt?

Über das Verhältnis von R3 und R2 (in der Schaltung im Datenblatt). Die 
Verstärkung muss zwischen etwa 15 und 100x liegen, damit das IC stabil 
arbeitet.

Autor: Paul H. (powl)
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Zur Zeit bin ich wohl ziemlich neben der Kappe. Habe grade mal gemessen. 
So 15-18V sinds schon. Gelegentlich ist das ganze sogar bis zu 19...20V 
gegangen. Beängstigt mich wenn ich an die Größe des dafür benötigten 
Trafos denke. Ach ja der Gleichrichter wird auch nochmal 1V geschluckt 
haben. Meinst du ein 20V Trafo müsste ausreichen?

Demnach ein Trafo mit 2x 20V, 2A? Das sind 80VA :-( da kostet allein der 
Trafo 20-30€. Kann ich mir irgendwie kaum vorstellen.

Ich könnte zwei einzelne 36VA-Trafos mit 18V und 2A nehmen. Kostet dann 
18,20€. Ein besserer mit 80VA wäre erst wieder ein Ringkerntrafo für 
stolze 28€ mit 2x18V und jeweils 2,2A

lg PoWl

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Die Spannung kann durchaus hinkommen, so bei 20V fühlt sich das Ding 
richtig wohl. Daher auch mein Vorschlag mit dem 2x18V Trafo: Der liefert 
etwa 25V im Leerlauf, und unter Last auch noch >20V, was reichen sollte.

Hier sind 2 geeignete Trafos, die nichtmal so teuer sind:
http://www.reichelt.de/?;ARTICLE=24663
http://www.reichelt.de/?;ARTICLE=15280

Autor: Paul H. (powl)
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Tja da hab ich wohl nun die Qual der Wahl... (Hilfe!)

http://www.reichelt.de/?ARTICLE=15280
50 VA - 1,38A
22,50€
Recht handlich, dafür recht teuer im Vergleich zur eher schwachen 
Leistung

2 Stück http://www.reichelt.de/?ARTICLE=27394
72 VA - 2A
18,20€
Am günstigsten aber auch am größten.

http://www.reichelt.de/?ARTICLE=24663
100 VA - 2,78A
23,30€
Recht klobige und unhandliche Maße

Ich nehme an mit großen Kondensatoren kann ich da nicht viel tricksen da 
der Strom bei den recht langen Periodenlängen der tiefen Frequenzen 
recht dauerhaft fließt.

lg PoWl

Autor: Paul H. (powl)
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Ich werde einfach mal die Printtransformatoren bestellen mit 2x 36VA und 
hoffe dass alles gut geht damit.

Danke für die Ratschläge!

lg PoWl

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