Lautsprecher - Der Krachmacher

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
3 Transistor BC548C (BC546C-BC550C)
1 Widerstand 220 Ohm  
1 Widerstand 470 Ohm  
2 Widerstand 10 kOhm  
2 Widerstand 100 kOhm  
2 Kondensator 22 nF  
1 Elektrolytkondensator 100 µF/16V  
1 Mikrotaster
1 Trimmpotentiometer 100 kOhm
1 NF-Übertrager 1:6  
1 Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm 3mm, 5mm
1 Lautsprecher 0,5W/8 Ohm  

 

 

Grundlagen

 

Immer wieder in unseren täglichen Leben, werden wir von Lautsprecheranlagen mit Musik oder Informationen versorgt. Sei es nun die heimische HiFi-Anlage, die uns in guter Stimmung hält, oder der Lautsprecher im Telefon, der es ermöglicht, dass wir den Gesprächspartner hören können. Lautsprecher gibt es in etlichen verschieden Arten. Angefangen von sehr kleinen Exemplaren, die z.B. in Handys ihren Dienst tun oder auch Lautsprecher die die Größe von Kühlschranken haben, welche man auf Konzerten und in Diskotheken findet. Alle arbeiten aber nach dem selben Prinzip.

 

Breitbandlautsprecher

 

Der Aufbau von Lautsprechern ist relativ einfach. Er besteht aus einem ringförmigen Dauermagneten, in dessen Inneren sich eine Spule, die durch die Membrane beweglich gehalten wird, befindet.

Wird nun eine Spannung durch die Spule geschickt, stößt sich die Spule von dem Magneten ab oder wird weiter hinein gezogen, da sich um die Spule ebenso ein Magnetfeld bildet.

Es ist aus mechanischen Gründen besser, dass sich die Spule aus dem Magneten heraus bewegt. Daher hat ein Lautsprecher auch eine Polung. Beim Vertauschen der Anschlüsse geht aber nicht gleich der Lautsprecher kaputt. Es kann, vor allem bei lauteren Wiedergaben, aber passieren, dass diese massiv verzehrt klingen, da die Membrane 'aufschlägt'.

Die Membrane sorgt beim Lautsprecher nun dafür, dass sich die Bewegungen der Spule gut an die Luft übertragen. Es entsteht also ein Schall, den wir dann hören. Je größer die Membrane, desto mehr Luftdruck kann erzeugt werden, oder anders, desto lauter ist der Schall.

 

Für einen Lautsprecher gibt es 3 wichtige Daten, die den Lautsprecher definieren. Da wären zum Einen die maximale Musikbelastbarkeit. Der Lautsprecher den wir hier verwenden kann maximal eine Leistung von 0,5W vertragen. Es gibt aber durchaus Lautsprecher die einige 100 Watt in Schall umsetzen können. Aber ebenso gibt es natürlich auch viel kleinere die schon bei 50 mW an der Grenze sind, z.B. Handy-Lautsprecher oder Kopfhörer.

 

Das zweite Kriterium ist die Impedanz. Dieser Widerstand der Spule beträgt bei den meisten Lautsprechern 4 oder 8 Ohm. Kopfhörer haben in der Regel 32 Ohm. Ältere Typen können auch schon mal 150 Ohm haben. Die Impedanz sollte man beim Entwickeln von Schaltungen, insbesondere von Verstärkerschaltungen, beachten, weil dieser Wert die Musikleistung massiv beeinflusst.

 

Der dritte Aspekt, der bei der Auswahl eine Rolle spielt ist der Frequenzbereich. In den Versuchen hier, werden nur Kleinleistungslautsprecher verwendet, die sämtliche hörbare Frequenzen wiedergeben können. Solche Lautsprecher werden Breitbandlautsprecher genannt.

 

In höheren Leistungsklassen werden dann die Frequenzbereiche aufgeteilt und auf einzelne Lautsprecher gegeben, die speziell auf diesen Frequenzbereich ausgelegt sind. Es gibt z.B. Basslautsprecher oder auch Tieftonlautsprecher die daraufhin optimiert sind, großen Schalldruck zu erzeugen und dementsprechend eine große Membrane besitzen. Hohe Töne werden auf einen Hochtonlautsprecher gegeben. Dessen Membrane ist relativ klein kann dadurch aber sehr schnell schwingen. Für den Frequenzbereich in der Mitte gibt es dann noch Mitteltonlautsprecher.

 

Hat man ein Lautsprechersystem, welches aus Lautsprechern mit mehreren Frequenzgängen zusammengesetzt ist, spricht man auch von Lautsprecherboxen. Hier soll aber nicht weiter auf den genauen Aufbau solcher Boxen eingegangen werden.

 

 

Der Lautsprecher knackt

 

 

Um einen Lautsprecher anzusteuern, muss man nur durch ihm einen Strom schicken. In der nebenstehender Schaltung, schalten wir einfach einen Lautsprecher in der Reihe zu einer Leuchtdiode + Vorwiderstand.

Wird hier nun der Taster betätigt, leuchtet die LED D1 auf und im Lautsprecher ist ein leises knacken zu hören. Er setzt also den Einschaltimpuls in ein Schallsignal um. Lassen wir den Taster wieder los, knackt es wieder.

Beim Einschalten sorgt die stromdurchflossene Spule dafür, dass sich die Membrane schnell nach vorne bewegt. Es knackt. Wird der Taster wieder los gelassen, bewegt sich die Membrane schnell wieder zurück. Es knackt wieder.

Dieses Geräusch ist aber sehr leise. Hat man im Zimmer noch andere Geräuschquellen in Betrieb, ist das Knacken des Lautsprechers eventuell nicht einmal mehr wahr zu nehmen. Wer sich einmal die Mühe macht und die Leistung am Lautsprecher errechnet, wird feststellen, dass hier gerade mal eine Leistung von 1,5 mW erzeugt wird.

 

 

Um die Lautstärke des Knackens ein wenig zu erhöhen, muss man nur dafür sorgen, dass der Strom durch den Lautsprecher steigt. Wir nehmen einfach einen kleineren Widerstand und entfernen hier die LED. Nun steigt der Strom von ca. 15 mA auf ca. 40 mA.

Wird hier nun der Taster betätigt, ist das Knacken schon etwas lauter. Aber eines wurde hier festgestellt. Es ist immer nur ein Knacken zu hören, wenn der Strom ein oder ausgeschaltet wird. Der Strom alleine bewirkt bei einem Lautsprecher kein Geräusch. Er reagiert also nur auf Stromänderungen. Um aus dem Lautsprecher nun einen richtigen Ton zu bekommen, muss man nur schnell genug den Strom ändern. Am einfachsten wäre es diesen in schneller Folge ein und wieder auszuschalten.

Man kann natürlich den Taster sehr häufig hintereinander betätigen. Aber selbst wenn man geübt ist, wird man in der Regel nicht mehr als ein schnelles Knacken erzeugen können. Damit wir das Knacken als einen Ton wahrnehmen muss die Frequenz min. ca. 20 Hz haben. Mit Hilfe einer kleinen Schaltung, wie z.B. einen astabilen Multivibrator (Siehe Astabiler Multivibrator - Eine unruhige Schaltung) kriegen wir den Lautsprecher dazu, dass wir einen Ton hören.

 

 

Wir machen Töne

 

 

Eine einfache Möglichkeit, einem Lautsprecher einen Ton zu entlocken ist die Ansteuerung des Lautsprechers durch eine astabile Kippstufe.

Bei der nebenstehenden Schaltung verwenden wir so einen Multivibrator. Wird nun die Schaltung in Betrieb genommen, hören wir einen mehr oder weniger hohen Ton.

Die Kippstufe wurde so gestaltet, dass wir die Frequenz mit dem Potentiometer P1 noch etwas regeln können. Wir können also die Tonhöhe ändern.

Hier wird nun der Lautsprecher in sehr schneller Folge ein und wieder ausgeschaltet. Wir nehmen aber das schnelle Knacken jetzt als Ton wahr. Bei tiefen Tönen kann man den Ton sogar fühlen. Wer mit P1 einen niedrigen Ton einstellt und den Finger an die Membrane des Lautsprechers hält, wird unter Umständen die Schwingungen fühlen können.

 

 

Ansteuerarten des Lautsprechers

 

Bei der letzten Schaltung, wurde der Strom durch den Lautsprecher, durch einen Vorwiderstand begrenzt. Diese Methode hat aber einen massiven Nachteil. Es geht die meiste Energie am Vorwiderstand verloren. Am Lautsprecher selbst kommt nur ein Bruchteil der möglichen Leistung an. Bedingt dadurch, ist die Lautstärke des wiederzugebenen Tones relativ gering. Für größere Lautstärken bzw. Leistungen ist diese Methode also ungeeignet. Es gibt aber noch andere Möglichkeiten den Lautsprecher anzusteuern.

 

 

Das größte Problem bei der Ansteuerung eines Lautsprechers ist, dass dieser stromgesteuert ist. Bedingt durch die geringe Impedanz, können wir diesen aber nicht direkt an die durchgeschalteten 9V legen. Wir müssen also dafür sorgen, dass wir die relativ hohe Spannung mit relativ kleinen Strom umwandeln in einen größeren Strom. Man spricht hier auch von einer Impedanzanpassung. Die relativ große Impedanz vom Verstärker wird an die kleine Impedanz des Lautsprechers angepasst.

Hierzu kann man so genannte Übertrager verwenden. Diese sind kleine Transformatoren, die speziell auf die Übertragung von NF-Signalen konzipiert sind. Den Übertrager, den wir hier verwenden, hat ein Übersetzungsverhältnis von 1:6. Dies bedeutet das die Spannung von der einen Seite auf die andere um 6 geteilt oder vervielfacht wird. Beim Strom ist dies dann genau umgekehrt.

Bei unserer Schaltung haben wir nun die Seite mit der größeren Impedanz in Reihe zum Transistor geschaltet. Die Impedanz dieser Seite hat einen ungefähr gleichen Widerstandswert wie der 220 Ohm Widerstand. Auf der anderen Seite wird direkt der Lautsprecher angeschlossen.

Wird nun die Schaltung wieder in Betrieb genommen, ist der Ton aus dem Lautsprecher erheblich lauter. Dies kommt daher, dass nun die komplette Leistung durch den Übertrager zum Lautsprecher übertragen wird.

Bei kleinen Leistungen funktioniert die Übertragung mit dem Übertrager auch sehr gut. Es muss aber beachtet werden, dass der Übertrager die gewünschte Ausgabeleistung auch bewältigen muss. Und so würde ein Übertrager für größere Leistung auch entsprechend größer dimensioniert sein. Dieser würde neben den Dimensionen auch entsprechend teuer sein und unter Umständen mehr kosten als die ganze Verstärkerelektronik alleine. Des Weiteren ist die Klangqualität von Verstärkern mit Übertrager nicht 'das Gelbe vom Ei'. Daher wird der Lautsprecher in der Regel auch anders angesteuert.

 

 

Bei dieser Version unserer Schaltung wird der Lautsprecher über einen größeren Kondensator angesteuert. Wird die Schaltung getestet, ist die Lautstärke auch recht hoch. Aber warum?

Nehmen wir einmal an, der Transistor T3 steuert gerade durch. In diesen Moment entsteht ein kurzer aber starker Stromstoss, weil sich der Elko C3 über den Lautsprecher und der CE-Strecke des Transistors auflädt. Sperrt T3 nun wieder, entlädt sich der Kondensator über R5 und den Lautsprecher. Hier kann also auch der maximal mögliche Strom durch den Lautsprecher fließen und dieser ist entsprechend laut.

Aber auch diese Schaltung hat einen Nachteil. Ist der Kondensator geladen, kommt kein Stromfluss durch den Lautsprecher mehr zustande und der Strom muss jetzt vollständig durch R5 fließen, wo er dann 'verheizt' wird. Wer diese Schaltung einen Augenblick in Betrieb lässt und dann den Widerstand R5 fühlt, wird schnell bemerken, das sich dort einiges an Wärme entwickelt hat.

Um dies zu vermeiden, sollte man als Endstufe einen Gegentaktverstärker verwenden.

 

 

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