Расчет активного фильтра кроссовера

Схемы активных фильтры для акустических систем

Проектирование и расчёт активных разделительных фильтров
(кроссоверов) для многополосного усилителя мощности

Схема и онлайн калькулятор номиналов элементов фильтров в составе двух —
трёхполосных УМЗЧ.

Что бы там ни говорили, но многополосные акустические системы с пассивными разделительными фильтрами обладают рядом недостатков! Включение таких кроссоверов между выходом усилителя и громкоговорителями, с одной стороны, приводит к заметному ухудшению параметра электрического демпфирования подвижной части излучателей, с другой — является причиной возникновения фазовых искажений, влияющих на форму выходного сигнала, особенно вблизи частот раздела фильтра.
Никуда не деться и от потери мощности в пассивном фильтре, и от сложности согласования по звуковому давлению каждой головки громкоговорителя при помощи резистивных делителей (дополнительно снижающих КПД системы), и от необходимости установки крупногабаритных катушек индуктивности, конденсаторов большой ёмкости, и т. д. и т. п.

Одним из эффективных средств улучшения качества звуковоспроизведения является применение нескольких полосовых УМЗЧ с активными разделительными фильтрами на входах. Такое построение называется многополосной усилительной системой.
На самом деле, разработать активные фильтры, исходя из: 1) требуемого подавления внеполосных частот, 2) идеального согласования на частотах раздела, 3) плоской суммарной АЧХ, 4) приемлемых импульсных характеристик — это дело не такое уж и простое. Поэтому давайте-ка не будем сильно морщить лоб и изобретать ничего лишнего, а обратимся к статье Рода Эллиотта (Rod Elliott) — человека далеко не самого последнего в области звукотехники. Вот что он пишет на своём сайте https://sound-au.com:

2/3-полосный электронный кроссовер Linkwitz-Riley с крутизной подавления 24 дБ/октава.

Представленные здесь фильтры Линквица-Райли имеют отличное фазовое согласование без пиков или провалов на частотах раздела. Конструкция адаптируется к двух, трёх или даже четырёх-полосным акустическим системам. С момента публикации проект стал очень популярным, и эта популярность сохраняется и по сей день.

1. Двухполосный кроссовер Linkwitz Riley
На рисунке Рис.1 показана стерео версия двухполосного кроссовера с двумя идентичными секциями фильтров. С приведёнными значениями компонентов они имеют частоту раздела кроссовера 310 Гц. Это устройство обеспечивает плоскую амплитудно-частотную характеристику, при этом сигналы от обоих каналов всегда остаются в одной фазе. Частота раздела может быть выбрана любой другой величины в пределах звукового диапазона. Частота среза ФВЧ (зелёный фон) и ФНЧ (розовый фон) должны совпадать. Связано это с тем, что коэффициент передачи у фильтра Линквица-Райли составляет 0,5 раз по напряжению или -6дБ, в отличие от фильтра Баттерворта с его -3дБ.

Рис.1 Стереоверсия двухполосного активного кроссовера

При использовании электронного кроссовера, для выравнивания звукового давления, излучаемого НЧ и ВЧ динамиками, может потребоваться регулировка уровней сигналов на выходе каждой из полос. Буферы (Рис.2), подключаются к выходу каждого из фильтров и имеют регулируемый коэффициент усиления 0. 2.

Рис.2 Буферный каскад — по одному на каждый выход кроссовера

Формулы для расчёта частотозадающих элементов фильтров Линквица-Райли приведены ниже:
R = 1 / (2 × π × 1,414 × f × C) ;
C = 1 / (2 × π × 1,414 × f × R) ;
f = 1 / (2 × π × 1,414 × R × C) .
На основании этих формул можно выполнить простенький калькулятор:

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КРОСОВЕРА ДЛЯ ДВУХПОЛОСНОЙ АКУСТИКИ

Обратите внимание на то, что на схеме помимо резисторов и конденсаторов рассчитанных значений используются и элементы удвоенных номиналов. Самый простой способ получить значение ёмкости «2C» — это использовать параллельное соединение двух конденсаторов, каждый из которых имеет значение номинала «C».

2. Трёхполосный кроссовер Linkwitz Riley
На Рис.3 показана реализация кроссовера с 3 полосами. Это устройство даёт отличные результаты с хорошим фазовым согласованием и равномерным импульсным откликом во всей полосе частот.

Снова о простом активном фильтре для АС

Предлагаю обсудить тему активных фильтров для АС. Просьба высказаться тех, кто имеет практический опыт изготовления и прослушивания таких фильтров, а я покажу, что получилось у меня. Активные фильтры, на мой взгляд, предпочтительны именно двухполосные, но для трехполосных АС. Частота раздела двухполосных АС всегда находится в области максимальной чувствительности слуха – несколько кГц т. к. пищалки не могут работать до частоты 100…500 Гц, а басовики из-за большого диаметра диффузора выходят из поршневого диапазона и на частотах 4…6 кГц работают неважно.
Широкополосники – компромисс и для них желательны костыли сверху или снизу.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями. Итак, на частотах раздела порядка 2 кГц прилично работают пассивные фильтры, а при работе микросхем на этих частотах, а особенно порядка 6 кГц (раздел между СЧ и ВЧ), могут возникнуть трудности. На частотах раздела в сотни Гц обычные микросхемы в активных фильтрах работают очень хорошо.
Итак, делим звуковой диапазон на НЧ и СЧ-ВЧ на частотах 100…500 Гц, а СЧ-ВЧ делим простейшим пассивным фильтром первого порядка.

↑ Старт

Я решил повторить датагорскую схему фильтра для АС, опубликованную Вячеславом (mailoff).
Прельстила простота настройки (оказалось, мнимая), хорошее заявленное звучание ФДФ (фильтров дополнительной функции) и реализация всего на одной микросхеме.

↑ Моя плата

↑ Моя схема

Питание +-12…15 В. На схеме не указаны конденсаторы по питанию.
Настройка по постоянному току не требуется.

↑ Изыскания и испытания

Кроме того активные фильтры незаменимы при значительной разнице в чувствительности головок, они позволяют использовать низкочувствительные НЧ динамики с высокочувствительными СЧ-ВЧ головками.
Из АЧХ головки видно, что нет смысла ловить микроны и добиваться именно 150 Гц, вполне годится 100…250 Гц. Окончательная подстройка должна производиться при прослушивании собранных колонок и измерении с помощью микрофона. Такую подстройку проще осуществить именно активными фильтрами, в чем я и убедился при настройке фильтров.
Сначала я снял ЧХ фильтра с рекомендованными номиналами деталей, вот что получил. Забыл сказать, что я откалибровал программу ARTA и 0 дБ – это ноль, общее усиление системы около -1 дБ (минус 13%), небольшая волнообразность ниже 40 Гц из-за примененного усилителя на К174УН14, ею можно пренебречь. Недостаток – частота раздела стала 63 Гц вместо 150. Отсюда я сделал вывод, что надо установить конденсаторы мЕньшей ёмкости, в плате я предусмотрел отверстия для них, и заново произвести настройку. Тем не менее, результат, особенно для испытаний меня устроил. По результатам испытаний я решу, стоит ли ловить блох в 1 дБ и стоит ли сама идея активных фильтров свеч. Промежуточный результат для R4=13 кОм и R5=16 кОм . Без настройки впаял детали в другой канал, идентичность очень неплохая. Конденсаторы перед установкой я отбирал с точностью примерно 5%, резисторы не подбирал. Уровень сигнала в СЧ-ВЧ канале больше примерно на 0,7 дБ, при суммировании я это учитывал. Окончательное выравнивание будет в оконечных усилителях.
Повторюсь, крутизна фильтров для СЧ-ВЧ небольшая, возможно, есть смысл в добавке конденсатора последовательно с СЧ-ВЧ головками, это покажет прослушивание.

↑ Планы

На очереди изготовление и испытания фильтров Linkwitz-Riley 4-го порядка. Количество микросхем и сложность настройки на порядок больше, но есть возможность более тонкой подгонки под конкретные АС.

↑ Файлы

Если найдутся желающие повторить конструкцию, привожу плату в формате lay.
🎁filtr2kan.rar 14.2 Kb ⇣ 143

↑ Ссылки по теме

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Фильтры для акустических систем без конденсаторов

Конденсаторы — это неизбежное “зло”, которое вынуждены, стиснув зубы, терпеть аудиофилы. Многие типы конденсаторов “плохо звучат”. Например, пресловутая керамика Н90 — из-за пьезоэлектрического эффекта. А как другие типы, скажем, пленочные? Тут можно написать целую поэму. Но можно ли строить частотнозависимые цепи без них, только с помощью дросселей (индуктивностей)? Оказывается, можно. И не только можно, но и нужно! Мои старые акустические колонки постройки до 1980 г. изредка подвергались доработкам. Из-за порванного диффузора головка 4ГД8-Е была заменена на 5ГДШ5-4 (это почти одно и то же), а заодно и вторая. Головки 25ГД-26 были включены “дублетом” (“лицом к лицу”) (1). И рамку с защитной радиотканью пришлось окончательно снять. А вот фильтры оставались прежние. На низких частотах — второго порядка, на средних и высоких — третьего. И АЧХ по звуковому давлению была неплохой. Но звучание…! Не чувствовалось разницы между разными усилителями, а не то что между проводами из меди и серебра. Настало время заменить фильтры. А какие выбрать? За эти годы появилась масса противоречивой информации. Аудиофилы особенно ругали конденсаторы. Сначала советовали делать фильтры не выше первого порядка, потом отказывались делать такие фильтры и строили четвертого, а кое-кто дошел и до шестого порядка. Анализировали групповое время задержки (ГВЗ) и ФЧХ, двигали ВЧ-излучатель вперед, назад… и даже в сторону. Полнейший “разброд”: от однополосных АС на 4А28 до 4-5-6-полосных… и т.п. Как-то, разгребая распечатки материалов из Интернета, наткнулся на статью А. Юренина о последовательных кроссоверах. Там автор говорит, что они появились в 1969 г. Но сами схемы я встречал еще в 1961 г. (2). где автор ссыпается на немецкий журнал по технике связи за 1959 г. Суть дела не в этом, а в том. что Юренин привел схему кроссовера для акустики, в которой нет конденсаторов (схема запатентована и используется в производимых фирмой Acoustic Reality акустических системах).
Вот эта схема (рис.1). Она очень проста. Так как мои АС тоже трехполосные, я решил начать переделку фильтров именно с этой схемы. Проведем небольшой анализ. Нарисуем простейший последовательный кроссовер, “первого порядка” так, как его принято изображать (рис.2). Здесь присутствует конденсатор С1. а на рис.1 такого конденсатора нет Но зато там добавлено звено L1-R1. представляющее собой для СЧ- и НЧ-излучателей фильтр нижних частот. На L1 выделяются верхние частоты и попадают в ВЧ-излучатель BA1. L2-Rваз — это еще один фильтр нижних частот, которые выделяются в ВАЗ, а выделяющиеся на L2 средние частоты попадают в СЧ-излучатель ВА2. Вот и вся премудрость! Главное, чтобы сопротивление излучателей было чисто активным. Но излучатели (головки) электродинамического типа не могут иметь чисто активного сопротивления, поскольку у них имеется катушка с железным сердечником. Повторение схемы по рис.1 приводит к печальному результату: средних частот явно мало из-за индуктивности головки ВАЗ. Займемся НЧ-излучателем. Для проведения этой работы понадобятся генератор звуковых частот с Uвых.max = 10В, электронный вольтметр (например, B3-38) или мультиметр. Известно, что для выравнивания входного сопротивления динамика в попосе частот требуется применение цепи Цобеля и последовательного контура на частоте резонанса [3]. Но на НЧ резонансный контур почти никогда не ставится из-за своей громоздкости и отдаленности резонанса динамика от частот раздела НЧ-СЧ/ВЧ (0.3.. .3 кГц). Для выбора R1 иС1 (рис.3) нужно знать сопротивление динамика ВА по постоянному току Re: и индуктивность его катушки Lк. Рекомендуются такие формулы: Re моих двух последовательно включенных динамиков составляет 7.2 Ом. Таким образом, R1=9 Ом, а С1 =?. т.к. Lк неизвестна. Чтобы определить Lк, нужно измерить сопротивление динамика на разных частотах. Схема измерения проста и показана на рис.4. Результаты сведены в табл.1. Поделив показания вольтметра PV1 в милливольтах на 10 (вторая строка таблицы), получаем сопротивление Zва в омах (третья строка). Из табл.1 находим Fz— частоту, на которой индуктивное и активное сопротивления динамика примерно равны, т.е. частоту, где Некоторые авторы предлагают брать R1=Rе. Я взял R1=8 Ом, тогда С1 =30 мкФ. Можно использовать бумажный конденсатор типа МБГО 30,0×160 В. В нижней строке табл.1 приведены результаты измерения сопротивления НЧ-динамика с RC- цепью Цобеля (8.2 Ом, 30 мкФ). Неплохая, однако, получилась компенсация! Теперь НЧ излучатель можно включить в схему по рис.1. Провала на средних частотах не будет. СЧ-излучатель 5ГДШ5-4 имеет Rе=3.5 Ом и отдачу почти в 3 раза большую, чем НЧ-головка, и здесь требуется выравнивание отдачи. Проделав измерения по определению Lк для этой головки, найдем частоту Fz. с которой начинает расти Z. Это примерно 4…5 кГц. Для выравнивания отдачи целесообразно включить последовательный резистор, как показано на рис.5. не используя цепь Цобеля. Образуется делитель с коэффициентом передачи на НЧ Кп: Частота Fz такой цепи увеличится в 4 раза и составит 16…20 кГц, так что цепь Цобеля и не понадобится. А входное сопротивление доведем до приемлемой величины, включив параллельный резистор R1 сопротивлением 15 Ом, как показано на рис.6. При этом эквивалентное сопротивление Z составит: Это позволяет включить СЧ-иэлучатель в схему на рис.1. Включение последовательного резистора с сопротивлением, почти в 4 раза большим, чем Rе, уменьшает нелинейные искажения СЧ-головки, приближая эквивалентное сопротивление генератора к источнику тока. Варьируя R1 и R2 (рис.6), можно точно подобрать коэффициент деления, нужный для одинаковой отдачи СЧ- и НЧ-головок. Очень важно отметить, что на средних частотах действительно нет конденсаторов (кроме С1 в НЧ-звене, рис.З), а частоту раздела НЧ-СЧ можно сдвигать, изменяя только одну индуктивность —L2 на рис. 1. ВЧ-излучатель — 6ГД11. Его Re=5,6 ОМ. Zва =7,3 ОМ на частоте 5 кГц и далее растет до 12,5 Ом на частоте 20 кГц. Чаще всего цель Цобеля не ставят, т.к.частота раздела — 4…8 кГц, а рост Zва с увеличением частоты незначительно сказывается на звучании. Выбор частот раздела НЧ-СЧ и СЧ-ВЧ производится из следующих соображений. Так как использованы фильтры первого порядка, частоты разделов должны отстоять от резонанса соответствующего излучателя не менее, чем на 2 октавы [3], т.е. fнч-сч>600 Гц (fpeз 150 Гц у 5ГДШ5-4), а fсч-вч > 6 кГц (fрез = 1,5 кГц у 6ГД11). Для лучшей защиты ВЧ-излучателя от НЧ-колебаний пришлось поставить последовательно с излучателем 6ГД11 дополнительный конденсатор емкостью 2.2 мкФ (К73-16, Umax=160 В). Без него на повышенной громкости появлялись какие-то призвуки. В СЧ-излучателе я применил открытое оформление (бокс без задней стенки размерами 220x140x75 мм). Теперь его можно легко разворачивать под нужным углом к слушателю. Заклеил окна диффузородержателя (корзины) хлопчатобумажным ватином и довел таким образом полную добротность до 0,65. Окончательная схема громкоговорителя приведена на рис.7а. Конструктивно катушка L2 выполнена бескаркасной и имеет сопротивление постоянному току RL2=0.4 ОМ. При желании индуктивность катушки можно легко изменять (увеличивать), вдвигая в нее ферритовый сердечник (кусок магнитной антенны от радиоприемника “Океан”) диаметр 10 мм., длина 100 мм. При этом частота fнч-сч меняется в 2.4 раза. Катушка L1 на мотана на не замкнутом сердечнике ШЛ40х10 (одна скоба), RL1=0,4 Ом. Входное сопротивление Z громкоговорителя с таким фильтром на разных частотах представлено в табл.2. Из таблицы видно, что Z3 значительно меняется: на частоте 2,5 кГц — 5.6 Ом, а на 20 кГц — 11 Ом. Для выравнивания Z на этих частотах ко входу фильтра нужно подключить RC-целочку (рис.76). Тогда Z3 изменяется на этих частотах так, как показано в последней строке табл.2. Общее изменение Z во всей полосе от 80 Гц до 20 кГц не выходит за пределы 4,4…6 Ом и только на частоте 3150 Гц составляет 6,3 Ом. Такая ровная Z-характеристика дает возможность сравнивать усилители с разным выходным сопротивлением (ламповые и транзисторные). Прослушав АС, я с удовлетворением отметил прекрасное звучание своего лампового “однотактника”, заметно лучшее, чем звучание транзисторного УМЗЧ, тоже, впрочем, неплохое. АЧХ с помощью измерительного микрофона я. конечно, проверил, насколько это возможно в жилой комнате. А вот ФЧХ и ГВЗ измерять не стал. Просто послушал “звук” и решил, что еще лет на 10 мне этих фильтров хватит. А может, фирменные АС резко подешевеют, тогда и куплю себе что-либо, лучше звучащее, без конденсаторов. Источник

Источник