Het zelf bouwen van Electrostatic Speakers voor weinig geld
In deze blog wordt de bouw van Elektrostatische luidsprekers (ESL) beschreven. Het is niet mijn intentie om elke handeling zeer nauwkeurig te beschrijven, dit is namelijk al beschreven in het boek van Eddy Fikier wat hier te downloaden: Boek Fikier. Helaas is Eddy Fikier overleden, RIP. Ook de werking van electrostaten leg ik om deze reden niet uit.
Mijn bouwverslag gaat over de ESL175 en geeft wel stap voor stap met foto’s en beschrijving weer hoe ik de electrostaten heb gebouwd, wat mijn ervaringen en tegenslagen zijn, en de uiteindelijke conclusie. Het is uitdrukkelijk de bedoeling om het allemaal zo eenvoudig mogelijk en voor iedereen begrijpelijk te houden. Er wordt vaak geroepen dat het niet te doen is om ESL’s zelf te bouwen, ik heb bewezen dat je zonder enige kennis vooraf ESL’s kunt bouwen die zeer goed klinken.
Als laatste vind je de onderdelen lijst met besteladressen. Deze kan steeds wijzigen door nieuwe inzichten. Note: Helaas is gebleken dat niet alle onderdelen nog gemakkelijk verkrijgbaar zijn. Vraag dit altijd eerst na in de Facebook Group. https://www.facebook.com/groups/Elektrostaten/ Je zou ook eerst eens onderstaande video kunnen kijken zodat je al een idee hebt wat de bouw in houdt.
Het uitzoeken van alle onderdelen en het vinden van de besteladressen heeft enige weken in beslag genomen. Ook het maken van proefstukjes en lijmproeven hebben veel tijd gekost. De lijmproeven waren nodig omdat hier veel discussie over is geweest en eigenlijk niemand de ultieme oplossing heeft gevonden. De mylar folie is erg moeilijk te lijmen. Een proef met 2 componentenlijm lijkt sterk genoeg in de trekrichting maar je pelt het er wel weer zo vanaf. De volgende proef was met Bison 2K expert, hiermee zit het nog iets vaster maar ik ben nog niet tevreden. Ik kreeg een tip om dubbelzijdige 3M Tape te gebruiken, dit zou voldoende hechten. Het voordeel is dat dit niet 24 uur hoeft te drogen. En mocht je de membraan een keer willen vervangen hoef je niet alle lijmresten er af te schuren, deze tape laat zich weer gemakkelijk verwijderen. Note: De 3M Tape is binnen. Dit lijmt echt enorm, dit gaat hem dus worden. Deze 3M Tape is te bestellen bij Conrad. Note: Deze 3M Tape heeft zich na 6 jaar gebruik echt bewezen. Er is nog geen enkele degradatie opgetreden. Ook de bedrading van de stator die op een aantal plaatsen moet worden gelijmd was ik nog niet tevreden over. Na het ontvetten van de draden met thinner en het lijmen met Bison 2K Expert ben ik tevreden, dit is niet meer los te krijgen. Als eerste ben ik begonnen met de 4000 Volt voeding. Dit is de voedingsspanning voor het membraan. Er worden per ESL 2 trafo’s gebruikt die secundair met elkaar zijn verbonden. Dus 230 Volt in naar 12 Volt en 12 Volt weer naar 230 Volt uit. Dit is gedaan om een hogere doorslagspanning te verkrijgen, je hebt nu twee keer de doorslagspanning van de trafo. De hoogspanning is wel 4000 Volt en je wilt niet dat die door je trafo heen ketst naar het lichtnet en mogelijk je audio-installatie. De trafo’s zijn ringkern trafo’s van 32VA. Deze hebben nauwelijks verliezen waardoor er aan de primaire kant 230 Volt overblijft. Deze trafo’s zijn eigenlijk weer veel te zwaar voor deze toepassing maar deze had ik nog liggen en werken prima.
Per ESL heb je 2 van deze trafo\’s nodig. Deze voeden de cascade schakeling, hier onder het schema wat zorgt voor de 4000 Volt membraanspanning.
De audio step-up trafo’s. Er zijn er 2 nodig per ESL.
Deze waren te bestellen via de ESL club: esl-club@dds.nl maar die bestaat helaas niet meer. Het zal nog een zoektocht worden om deze trafo’s te vinden. Deze trafo’s sluit je aan op de luidsprekeraansluiting van de versterker. De andere kant sluit je aan op de stator van de ESL. Elke ESL krijgt bovenstaand voedingsblok. Het geheel wordt gemonteerd in de voet van de ESL. Door het enorme gewicht van de trafo’s zal de ESL niet naar voren kunnen vallen. De cascadeschakeling om de hoogspanning te maken is opgebouwd uit diodes 1N4007 en condensatoren van 470nF/630V, zie rechts op onderstaand schema.
Fikier gebruikt 33nF echter met deze grotere condensatoren is het membraan ogenblikkelijk opgeladen en hoef je niet te wachten na het inschakelen. Ik heb deze met een lijmpistool op een plaat polycarbonaat gelijmd. Dit is zeer gemakkelijk te bewerken zonder dat het kan barsten. Conrad verkoopt hier een speciale schaar voor. Met deze schaar is het Polycarbonaat gemakkelijk te knippen.
Een printplaat voor de cascadeschakeling heeft het nadeel dat deze soldeereilandjes heeft waardoor je sneller overslag zult krijgen. De regelaar voor de hoogspanning is niet echt noodzakelijk en ik heb hem er weer uitgehaald. Het is net zo makkelijk om ergens in de cascadeschakeling een aftakking te nemen met de juiste spanning. Je begint laag en gaat zo hoog totdat het membraan net niet gaat kleven aan de stator. Uiteindelijk ben ik uitgekomen op ongeveer 4000 Volt. De cascade schakeling als in voorgaand schema had dus veel eenvoudiger gekund. Tussen de cascadeschakeling en het membraan zitten nog 8 weerstanden van 1 Mohm in serie. Hierdoor is de spanning op het membraan ongevaarlijk geworden voor aanraking. In serie met de stepup trafo’s staat een weerstand van 1 Ohm getekend. Zelf heb ik 1.8 Ohm genomen, dit vond mijn versterker prettiger. Ook heb ik naderhand de step-up trafo’s eens in serie gezet, dit vond de versterker ook prettiger, het rendement is hierdoor wel wat lager geworden.
Het hout is gezaagd. Ik gebruik geplastificeerd spaanplaat, dit voorkomt het intrekken van vocht waardoor je later geen kruipweg krijgt voor de 4000 Volt.
Een eerste begin is gemaakt, het lijmen van de delen. Dit gaat veel tijd kosten aangezien het telkens 24 uur moet drogen. Er is een tube Bison Original nodig. Bison Original is speciaal voor het lijmen van kunststof delen zoals hier de geplastificeerde spaanplaat. Gewone montagekit moet altijd een poreuze kant hebben anders droogt het niet dus is niet geschikt.
Alle kanten die blank hout zijn heb ik zwart geschilderd omdat ik nog niet weet hoe ik die ga afwerken. Aan de binnenzijde blijven ze zwart met mogelijk een aluminium hoeklijntje. De buitenkant ga ik mogelijk afwerken met zwart strijkfineer. Ik ga op zoek naar een dik rond aluminium profiel, dit lijkt me wel mooi staan aan de zijkanten, alleen waar vind je zoiets en dan ook nog in deze dikte.
De rollen draad van 100 meter per stuk staan klaar om verwerkt te worden. Deze draad is niet altijd even gemakkelijk te verkrijgen maar Conrad heeft het.
De spijkers worden op 8 mm tussenruimte steeds versprongen gemonteerd om te voorkomen dat het hout gaat splijten. De spijkers zijn 2 mm dik en het geboorde gat is ook 2 mm. Wanneer je te klein boort zal de spaanplaat op de kopse kant ook gemakkelijk splijten. Je krijgt nu een tussenruimte tussen de draden van 2 mm. De draaddikte is ook 2 mm. Fikier monteert nu eerst de PVC afstandhouders die de draden op de plek moeten houden en lijmt deze later vast, dit is een klieder boel lijkt mij. Ik wil ze later monteren door de PVC pijp in te smeren met lijm en ze dan van achteren op de draden te drukken. Je hoeft dan geen lijm tussen elk draadje te laten lopen. Hoop dat mijn idee werkt. Voor dat ik de draden ging spannen heb ik de verwarming hoog gezet. De draad zet dan uit en zal bij kamertemperatuur dan strak blijven staan. Doe dit nooit in een koude ruimte anders gaan de draden in een warme ruimte slap hangen door uitzetting. Zelf hoop ik dat mijn idee goed was en dat ze strak blijven onder alle omstandigheden. In het boek van Fikier staat dat je de draden strak aan moet trekken, dit heb ik ook zo gedaan, er zijn er echter ook die het frame zo inspannen dat het krom staat, vervolgens bedraden ze en laten het frame weer recht trekken. Zo zal de draad goed strak staan. Maar buig je te ver voor en het frame is niet meer recht te krijgen dan wordt het lastig om het membraan te spannen. Het frame inspannen zodat het al krom staat blijkt niet nodig te zijn, gewoon zoals Fikier zegt strak aanspannen en meer niet. Het frame zal dan nauwelijks buigen.
En zo ziet dat er uit in close up. De eerste stator is bedraad. De draden worden uitgericht met een zelfgemaakt kammetje.
Vervolgens worden ze tijdelijk gefixeerd met schilders plakband.
De draden zijn uitgericht en daarna de pvc draadsteunen geplaatst, dit is 16mm slagvaste elektra pijp. De draadsteunen zijn op de draden gelijmd met Bison 2K Expert. Ik leg een rups van deze lijm op het pvc pijpje en druk dit op de draden. Fikier plaatst eerst de pvc pijpjes, spant dan de draden, en laat dan lijm tussen de draden lopen. Ik vind het naderhand plaatsen van de pvc pijpjes minder geklieder. Ik leg wel bakpapier onder de draden, wanneer de lijm doorloopt dan komen er geen bobbels die je dan weer weg moet schuren en het plakt niet vast aan het bakpapier. Deze Bison 2K Expert blijft elastisch maar is later nauwelijks nog te bewerken. De kopse kanten van de pvc pijpjes lijm ik vast met contactlijm van de Action. Het is wel zaak dat het frame zeer vlak wordt vastgeklemd op bijvoorbeeld een deur. Hier mag geen millimeter fout gaan anders komen de draden later te dicht bij het membraan. Dit kan leiden tot overslag van de 4000 Volt. Dus hier moet zeer nauwkeurig worden gewerkt.
Het is een hele klus.
De 4mm afstand lat is gelijmd.
Op de foto is links de afstandslat voorzien van de tape die straks het membraan moet lijmen, en rechts is voorzien van de koperfoliestrip die de hoogspanning over het membraan moet verdelen. De aansluiting van de koperfolie is met behulp van een verzonken M4 schroef. Hierdoor is de hoogspanning aan de andere zijde gemakkelijk aan te sluiten. In de paneelzijde met de koperfolie worden de gaten voor bevestiging aan het andere paneel geboord. De schroeven gaan straks dwars door de membraan folie. Om te voorkomen dat daar de folie gaat scheuren heb ik het andere paneel waar het membraan straks op komt voorgeboord. Zodra de membraanfolie is aangebracht prik ik eerst met een sateprikker alle gaten door in de folie. De panelen worden ook wel eens gelijmd maar dan kun je nooit meer het membraanfolie vervangen mocht dit nodig zijn.
De spantafel op een slaapkamer deur.
De panelen zijn eerst op de deur afgetekend. Daarna wordt hetzelfde patroon afgetekend op de folie. Tijdens het spannen zie je nu hoever de folie is uitgerekt. Ik ben niet verder gegaan dan een paar millimeter aangezien de folie aan de rand scheurde. Het moet veel verder kunnen worden uitgerekt maar mocht het niet goed werken kan ik later altijd de folie nog vervangen. Note: Een paar mm spannen is achteraf goed gebleken voor een full range ESL.
De folie is gespannen.
De panelen zijn op de folie gelegd en moeten nu stevig in de tape worden gedrukt. Daarna kunnen ze worden losgesneden met een zeer scherp mesje. Zelf heb ik een chirurgen mesje gebruikt. Het mag niet haken want dan scheurt het.
De panelen heb ik even omgedraaid met de folie naar boven. Het ziet er goed strak uit. De folie moet nog geleidend worden gemaakt. Ik heb dit gedaan met Kontakt 100, te bestellen bij o.a. Conrad. Je spuit een paar dotten op de folie en wrijft dit uit tot het droog is. Dit doe je in totaal 3 keer dan heb je de gewenste weerstand van ongeveer 15 MOhm per 10 mm. Dit doe je in ongeveer 10 minuten dus dat valt nogal mee. Veel mensen zijn huiverig voor deze Kontakt 100 en denken dat het snel degradeert. Mijn ESL’s draaien nu 6 jaar zonder een meetbare degradatie van het geluid.
Het trafoblok met de hoogspanningsvoeding gemonteerd aan de ESL. Die valt niet meer voorover met het gewicht van de trafo’s.
De helften zijn tegen elkaar geschroefd en het voedingsblok gemonteerd en je bent ineens na 2 maanden klaar. Ze moeten nog wel worden voorzien van luidsprekerdoek en de zijkanten worden nog afgewerkt. Mogelijk met dikke aluminium profielen. Het aansluiten was wel even spannend. Het gaf direct een enorme klap doordat het membraan tegen de stator werd gezogen. De hoogspanning bleek veel te hoog te zijn omdat ik in eerste instantie van 7500 Volt was uitgegaan. Deze spanning heb ik teruggebracht naar 4000 Volt en toen bleef het membraan netjes tussen de stators. De hond ging er al lekker tegen aan liggen, dat ging maar net goed. De vacht haartjes gaan zomaar tussen de draden van de stator door en raken dan het membraan waar dus een flinke hoogspanning op staat.
Bovenstaand is de testopstelling.
De definitieve opstelling.
De afstand tot de muur is hier nog te klein en is later verhoogd naar 80cm. Nu klinken ze enorm goed, echter midden in de kamer klinken ze nog beter.
Conclusie: Iedereen die een beetje handig is en heel nauwkeurig kan werken kan deze ESL’s bouwen. Alleen de trafo’s en hoogspanningsvoeding is voor sommigen mogelijk lastig maar een hoogspanningsvoeding kun je ook kopen. De totale bouwkosten zijn ongeveer uitgekomen op €250,- per ESL. En hoe klinken ze nu. Ze klinken fantastisch met eerst een maar. Het rendement valt me niet tegen en je kunt er in een kleine zaal goed mee uit de voeten. Ze klinken het allerbeste in een grote ruimte, zodra je ze verplaatst dicht naar een muur wordt het geluid vlakker en de bassen verdwijnen. Met de Dire Straits, Pink Floyd, klassiek, sfeermuziek en Ilse de Lange bijvoorbeeld klinken ze echt fantastisch, echter scherpe trompetten en slagwerk zijn nadrukkelijker aanwezig. Luisterde ik met de koptelefoon dan was het meer in balans. Om erachter te komen waarom trompetten zo schel klonken heb ik een gekalibreerde meetmicrofoon UMIK-1aangeschaft. Met het programma Room EQ Wizard (REW) kun je eenvoudig de frequentie karakteristiek meten.
In bovenstaand plaatje zie je direct een piek zitten tussen 4kHz en 10kHz. Daar zitten nu net de trompetten en slagwerk. Overduidelijk dus dat er iets niet goed is en waarom ze zo schel klinken. Op onderstaand plaatje is nu duidelijk te zien dat de piek tussen 4kHz en 10kHz is verdwenen.
Na veel zoeken ben ik er achter gekomen dat de versterker moeite heeft met de impedantie van de ESL’s. Ik heb toen een serieweerstand aangebracht tussen de versterker en de ESL. Nu had de versterker er geen moeite meer mee. De ESL’s klinken nu zoals ze horen en de frequentie karakteristiek is helemaal vlak. Dit soort grafieken is eenvoudig en goedkoop te maken met een Audio Meetsysteem. Zoals ik hiervoor al aan gaf is de plaatsing erg belangrijk en klinken enorm goed. Bij ESL’s is het heel belangrijk dat je op het snijpunt van de ESL’s zit. Dit is gemakkelijk af te stellen met een zaklamp. Je schijnt vanaf je zitplaats op de ESL en verplaatst deze totdat je recht in de reflectie van de zaklamp kijkt. Nu staan ze perfect. De reflectie wordt veroorzaakt door het membraan. In de grafieken is nog wel een rimpel te zien, deze wordt veroorzaakt door reflecties aangezien de metingen niet in een akoestisch dode ruimte zijn gedaan.
Het is dus belangrijk dat de versterker een lage impedantie aan kan sturen bij hogere frequenties, wanneer de versterker voldoende vermogen kan leveren gaat het wel goed maar is er geen serieweerstand geplaatst dan gaan ze toch schel klinken, dit wordt veroorzaakt door de versterker en niet door de ESL. Mijn ervaring is dat wanneer je de versterker vaak op een behoorlijk hoog volume gebruikt in de huiskamer dat 60 Watt het minimum is. Ook heb ik een tijdje gedraaid met een 40 Watt MosFet versterker van Pioneer, deze gaf ondanks het lagere vermogen geen problemen op ruim huiskamer niveau. Er is dus nogal verschil tussen de verschillende versterkers. Als laatste heb ik het membraan eens verhit met een föhn om te zien wat het effect was. Het hoog is beduidend beter geworden maar daarentegen is de bas nu minder geworden. Zelf vind ik dit nog beter klinken, er blijft overigens nog voldoende bas aanwezig. Even nog een waarschuwing, wanneer je een tijdje naar elektrostatische luidsprekers hebt geluisterd kun je niet meer terug naar luidsprekerboxen, die klinken gewoon niet lekker meer. Dit kan mogelijk persoonlijk zijn, luidsprekerboxen kleuren namelijk het geluid wat ESL’s niet doen en sommige mensen houden nu eenmaal van gekleurd geluid. Wat direct opvalt is de detaillering wanneer ik de oude boxen (ook niet de eerste de besten) aansluit, dan loopt het geluid toch wat meer dicht, dat is op den duur vermoeiend. ESL’s kun je de hele dag naar luisteren zonder dat je geluidsmoe wordt. Ook de bas klinkt veel strakker zonder boembas. Ik had niet verwacht dat dit formaat ESL nog zoveel bas zou weergeven. Onder de 45 Hz vallen ze af dus dat vind ik heel behoorlijk. Het hoog kan ik niet beoordelen omdat ikzelf niet hoger dan 12000 Hz hoor. Het was een leuk project om te doen. De electrostaten hebben een paar jaar op een Velleman K4000 200 Watt buizenversterker gedraaid. Ook deze had een probleem met de impedantie boven ongeveer 10kHz. Toch klonk deze na modificatie enorm goed ondanks het impedantie probleem.
Na een poosje ben ik de ESL’s gaan segmenteren. Hierdoor zijn ze makkelijker aanstuurbaar geworden en de geluidskwaliteit is merkbaar verbeterd. Zie onderstaande frequentiekarakteristiek van voor en na segmenteren.
Het schema van de segmentering.
Er is een programma in Excel om deze weerstanden te berekenen. Dit bestand heet ESL_line_sectioned_DIY_v2.xls en vind je onder bestanden op de Electrostatic Speakers Facebook Group. Vragen over je project stel je natuurlijk ook op deze Facebook pagina.
Dit zijn de weerstanden waar ik op uitgekomen ben:
2 stuks R/2,25= 114,18 Kohm.
4 stuks 0,75*R= 192,68 Kohm.
8 stuks R= 256,91 Kohm.
Inmiddels draaien de ESL’s alweer een tijd op een Philips FA960 versterker. Deze versterker kan hele lage impedanties aan. Al het voorgaande zoals de serieweerstanden is nu niet meer nodig. Deze versterker kan deze ESL’s fluitend aan en de geluidskwaliteit is weer een stuk strakker geworden.
Onderstaand vind je de bestellijst in Excel formaat en Zaagschema in Powerpoint formaat.