Двухполосный стерео активный кроссовер

Разумеется, что частоты сопряжения фильтров можно изменять в соответствии с параметрами применяемых громкоговорителей. Единственное, на что следует обратить внимание — это то, что ФВЧ и верхняя часть полосового фильтра (Рис.3, зелёный фон) должны рассчитываться на одну частоту, равную частоте среза ФВЧ, а нижняя часть полосового фильтра и ФНЧ (розовый фон) — на частоту, равную частоте среза ФНЧ. Произведём расчёт элементов и для данной схемы.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КРОСОВЕРА ДЛЯ ТРЁХПОЛОСНОЙ АКУСТИКИ

Значения номиналов используемых резисторов и конденсаторов должны иметь точность — не менее 2% по отношению к расчётным.
Избегайте использования конденсаторов меньше 2,2 нФ или больше 470 нФ. Номиналы резисторов должны находиться в диапазоне: от 2,2 до 22 кОм.

Следует обратить внимание на то, что вход фильтра нижних частот подключён не к выходу входного буфера, а к выходу ФНЧ, входящего в состав полосового фильтра. Это сделано для того, чтобы получить наилучший результат при согласовании фазовых сдвигов частотных каналов.

Поскольку все операционные усилители работают в составе каскадов с единичным усилением, использование здесь ОУ премиум-класса не столь важно, поэтому микросхемы типа TL072 будут здесь вполне пригодны. Однако я настоятельно рекомендую вам найти что-нибудь «получше», предварительно убедившись, что выбранный тип ОУ пригоден для единичного усиления (это не всегда так, особенно для микросхем, требующих внешней компенсации).

Для питания кроссовера был использован источник питания ± 15 В.

Источник

Активный кроссовер с фильтрами

Данный предварительный усилитель предназначен для применения в профессиональных двуполосных усилителях для студийной акустики. В состав входят: Двуполосный кроссовер с частотой среза 2000Гц, Корректор Линквица, Сабсоник (фильтр инфранизких частот), схема задержки по ВЧ части для реализации настройки TimeAligh. Так-же имеется буферный каскад по входу реализующий обычное или балансное включение и 3 регулятора уровня: ВЧ по входу тракта и ВЧ и НЧ по выходу.

Схема:

Корректор Линквица

Корректор Линквица исправляет падение АЧХ в нижнем диапазоне, которое обычно образуется в корпусах типа Закрытый Ящик. На графике ниже показана его работа.

Он реализован на IC1.2. При данных элентах расчетная частота коррекции начинается ниже 55Гц.

Сабсоник

Сабсоник или фильтр инфранизких частот срезает частоту нижен определенной. Это необходимо для предотвращения хрипов и перегрузок на динамике при слишком низкой частоте, нормально воспроизвести которую он не в состоянии.

Реализован на IC1.3. Идет сразу за Корректором Линквица, Корректор исправляет АЧХ, а Сабсоник ее обрезает, в итоге получаем наиболее возможно ровную АЧХ.

Кроссоверы

Кроссоверы реализованы по типу Линквица-Райли с ослабением 24Дб на октаву. Частота раздела составляет 2000Гц. Реализован на IC1.4 IC2.1 для НЧ части и IC2.2 IC2.3 для ВЧ части.

Схема задержки

На IC2.4 реализована схема задержки на 60мс. Она необходима для подстройки TimeAligh избегая физического разноса.

Регуляция уровней

Для удобства настройки в схему введены 3 подстроечных резистора, необходимых для простой регуляции уровней по выходу НЧ и ВЧ.

Детали:

IC1 и IC2 идентичны, в качестве них можно применить OPA4134 или TL074 в корпусе DIP. Конденсаторы пленочные. В шунте и по входу электролиты на 16В и 50В соответственно. Все резисторы мощностью 0.25Вт. Печатная плата в формате Sprint-Layout прилагается.

Печатная плата выполнена методом плоттерной аппликации:

После травления в 30 процентной соляной кислоте:

Источник

Практические схемы кроссоверов с ФДФ

Чтобы не иметь сложностей с расчётом фильтра СЧ-ВЧ, возможно, представляется правильным, использовать, так называемый фильтр дополнительной функции (ФДФ) – дифференциальный усилитель, вычитающий из широкополосного (музыкального) сигнала тот, что был выделен фильтром низких частот (в нашем случае), а остаток – СЧ и ВЧ составляющие, передающий на свой выход.

Практические схемы кроссоверов с ФДФ подробно описаны в статьях журнала Радио:

1981г №5-6 стр 39 «Трёхполосный усилитель»

1987г №3 стр 35 «Блок фильтров трёхполосного усилителя ЗЧ»

Обратите внимание, в схеме ’87/3, перед активным фильтром стоит повторитель напряжения на ОУ, каковой повторитель обладает низким выходным сопротивлением, а нагружен фильтр на ОУ (ФДФ) с высоким входным сопротивлением, что полезно для согласования фильтра со схемой, образующей кроссовер, в целом.

Частоту раздела, для двухполосного кроссовера, лучше выбрать в три раза больше, чем резонансная частота НЧ громкоговорителя. Если в качестве НЧ громкоговорителя используется широкополосный динамик, то раздел лучше провести выше 3,5 КГц (выше резонансной частоты выбранного ВЧ динамика).

Таблица с связывающая частоту раздела при биамплиннге с мощностью, которую нужно подвести к СЧ – ВЧ звену, приведена в Радио 2001 №9 стр. 10

Перед этим кроссовером, хорошо бы поставить ФВЧ с частотой среза 40Гц или менее – отрезать то, что Ваш НЧ динамик не может воспроизвести физически. Подробно об этом рассказано у Аудиокиллера electroclub. info/samodel/sub_pred. htm

Статья по измерению резонансной частоты громкоговорителей и их «Т-С параметров» при помощи звуковой карты компьютера, приведена здесь, на сайте. /practice/loudspeakers/1366-izmerenie-parametrov-tilya-smolla-dlya-nachinayushhix. html

По теме двухполосного звуковоспроизведения (биамплинг), интересно прочитать статью В. Шорова из Радио 1994 №2 «Двухполосное звуковоспроизведение» и, если есть желание разобраться лучше – цикл статей А. Фрунзе «О повышение качества звучания АС» Радио 1992 9 – 12.

Хочу поблагодарить АудиоКиллера за программу для расчёта фильтров третьего порядка.

electroclub. info/mysoft. htm

По выполненным расчётам собрал комбинированный (на одном ОУ) полосовой фильтр 40 – 18000 Гц для УКВ приёмника. При точном подборе конденсаторов и резисторов, АЧХ фильтра совпала с желаемой без дополнительной настройки.

Начинающие, успешно собравшие макет схемы, могут избавить себя от хлопот травления печатных плат, используя НЕфольгированный стеклотекстолит (гетинакс или плотный картон) и тонкий лужёный провод, который заменяет дорожки, которые предполагалось травить. В программе LayOut рисуется печатная плата, с шириной дорожек 0,3 – 05 мм. – чтобы были видны. По распечатке рисунка платы, защищённой прозрачным скотчем, кернится и сверлится текстолит. Потом в отверстия, по порядку сборки, от входа у выходу, вставляются детали, их лужёные выводы отгибаются по направлению отрисованных дорожек и пропаиваются. Если длинны выводов не хватает, используют лужёный провод. Если проводники — «дорожки» лежат близко друг к другу и есть риск замыкания – можно одеть кембрик. Важно, что если потребуется переделка, например, 20% собранной схемы, не нужно срезать печатные дорожки – просто распаять участок, сделать новую сверловку и собрать заново – чисто, просто и технологично, как тротуарная плитка. При сборке ВЧ конструкций, слой фольги, обращённый к деталям, можно использовать как общий экран. Фольгу вокруг отверстий нужно зенковать, кроме «земляных» контактов.

Если интересно, пришлю фотографии плат, сделанных таким способом.

Одно из преимуществ заключается в том, что при перегрузке низкочастотного канала, его изкажения хорошо маскируются СЧ-ВЧ звеном, следовательно максимальная неискаженная мощность на слух становится заметно больше.
В итоге мне удалось раскачать одну колонку так, что шифер на гараже стал трещать.

Схема

Входной сигнал подан на неинвертирующий вход операционного усилителя МС1, который выполняет функции активного фильтра низких частот с крутизной спада частотной характеристики 18 дБ/октаву, и на неинвертирующий вход операционного усилителя МС2, который выполняет функции дифференциального усилителя с коэффициентом передачи по напряжению Ku=1.

На инвертирующий вход МС2 подан сигнал с выхода фильтра низких частот МС1. В дифференциальном усилителе МС2 из спектра входного сигнала вычитается его низкочастотная часть, и на выходе МС2 появляется только высокочастотная часть входного сигнала.

Таким образом, требуется лишь обеспечить заданную частоту среза фильтра низких частот, которая и будет частотой разделения. Значения элементов фильтра находятся из соотношений C1 = C2 = C3; R1=R4; R5=R1/6,8; R1C1=0,4/Fp, где Fр — частота разделения.

R1 я брал 22 кОм, а дальше все рассчитывается по формулам в зависимости от требуемой частоты разделения.
В качестве операционных усилителей пробовал К157УД2 и К1401УД2, оба показали хорошие результаты.
Конечно, можно применить любой счетверенный импортный ОУ.

Источник

Книга «Высококачественный усилитель низкой частоты», , 1977 год

Активный кроссовер для биампинга

Программа для рассчета кроссовера

Я несколько обновил некоторые картинки — как оказалось, в схему и расположение деталей закралась небольшая перепутанница — ничего страшного, но нумерация элементов в монтаже не соответствовала схеме. Да и на самой схеме неправильно было показано подключение С4 (левый вывод). Теперь все правильно, и, самое главное, все это соответствует печатной плате. Печатная плата не изменилась! Там все правильно! Перепутанница была только на этой страничке сайта.

Биампинг — очень хорошая штука, и наконец настала пора его внедрения в мою аппаратуру (в ресивер). Прошли все предварительные тесты и пробы. Ну и наконец появился новый вариант кроссовера. Это дальнейшее улучшение первой модели. Разница в том, что я разработал его под качественные пленочные конденсаторы типа К73-17, К73-44, К78-16, EPCOS и др. (поэтому в плате много «лишних» отверстий для конденсаторов разных габаритов). Кроме того, чтобы уменьшить габариты платы, я использовал SMD резисторы размера 1206 — более мелкие погоды на сделают (конденсаторы-то все равно большие и именно они определяют размеры платы), а паять их несложно. По этой же причине я использовал микросхемы в DIP корпусах — паять просто. SMD конденсаторы использовать нельзя — они керамические, и могут испорить качество звучания.

Схема практически не изменилась (это один канал стереоварианта) — фильтры Баттерворта 3-го порядка ВЧ и НЧ:

Входной конденсатор С0 «отрезает» постоянку на входе. И одновременно (совместно с резистором R0, который должен лежать в пределах 33. 68 кОм) является сабсоник-фильтром — снижает уровень низких частот, ниже частоты среза, его можно расчитать так:

С0 [мкФ] = (4. 5) / Fmin [Гц]

Это для значения 47 кОм, если R0 имеет другое значение, то во сколько раз R0 больше, чем 47 кОм, во столько же раз С0 должен быть меньше, чем по формуле, и наоборот. Частоту среза лучше выбирать раза в 2. 3 ниже, чем самая низкая рабочая частота вам требуется. Исключение составляют случаи, когда ну очень нужно обрезать низкие частоты, то в формулу подставляем нижнюю рабочую частоту.

Резистор R7 регулирует уровень верхних частот — обычно отдача ВЧ динамика выше, и сигнал для него приходится ослаблять. Это важно в биампинге — иначе возможен частотный дисбаланс. Здесь использован многооборотный подстроечный резистор — и герметичный (пыль не попадает и не изменяет сопротивления), и позволяет точно отрегулировать уровень сигнала. Резисторы R8, R9, R10 позволяют «отвязать» блок от источника питания и возможных земляных петель (чтобы кроссовер можно было бы без проблем встроить в уже существующую аппаратуру). Конденсаторы С7. С10 — фильтры питания. Они должны быть одинаковыми для «+» и «-» питания.

Номиналы некоторых деталей не указаны — они зависят от частоты среза фильтра. Сам фильтр можно рассчитать по этой программе. Только нужно, чтобы сопротивления резисторов лежали в пределах 10 кОм. 1МОм (тогда будет меньше помех и влияния кроссовера на другие блоки).

Для себя я сделал фильтр с частотой раздела около 2,5 кГц. Вот его АЧХ — идеал!

Я измерял АЧХ по старинке, при помощи генератора (с низкими искажениями), частотометра и электронного вольтметра. Точки, в который производились измерения показаны на линиях (черным и голубым цветом). Суммарная электрическая АЧХ — практически идеальная прямая с неравномерностью не более +-0,05 дБ.

Конденсаторы желательно по возможности подобрать по емкости, но я, например, сильно не усердствовал, более-менее близкие, и все тут. Резисторы я вообще не подбирал, и вот что получилось при рассматривании через микроскоп:

Очень хорошо. Неравномерность АЧХ фильтра НЧ в диапазоне от 20 Гц не более 0,3 дБ! Ниже частоты 50 Гц влияет входной конденсатор С0, а выше частоты 1000 Гц — это уже начинается нормальный спад фильтра НЧ.

Измерения искажений показали, что они (искажения) находятся на уровне предела измерений — менее 0,002%. Это при использовании микросхемы ОРА2134РА. Более «крутые» ОУ использовать не рекомендуется — разницы не услышите, а проблем с устойчивостью и ВЧ помехами огребете. Более «простые» ОУ будут работать весьма неплохо — глубина ООС большая и искажения хорошо компенсируются.

Сама плата в стереовариенте получилась чуть больше спичечного коробка. Я считаю, что стремиться сделать кроссовер еще более миниатюрным нет смысла: качественные конденсаторы все равно большие, а если элементы «притулить» слишком тесно, то получатся лишние паразитные емкостные связи, да и «соплю» между дорожками легче заполучить.

Скачать плату в формате SprintLayout 5.0, схему и монтаж

Микросхемы и конденсаторы находятся с верхней стороны платы, резисторы (кроме R7) — с нижней.

Очень важный момент: плата двухсторонняя и отверстия имеют сквозную металлизацию. В любительских условиях ее сделать практически невозможно, а без металлизации может быть непропай и неконтакт.

Вот АЧХ динамиков в ближнем поле, каждый из которых подключен к своему собственному усилителю, а усилители включены через этот кроссовер. При измерении работали оба динамика, поэтому сигнал ВЧ присутствовал при снятии НЧ характеристики и наоборот, создавая некоторые помехи. Но эти помехи весьма малы. Суммарная АЧХ (вычисленная) — ровная-преровная! Видно, что у НЧ динамика на частоте 5. 7 кГц резкий выброс, связанный с переходом диффузора в зонный режим работы. И где он, этот выброс после фильтра 3-го порядка? (на самом деле выброс еще меньше, это еще из ВЧ динамика сигнал попадает). Попробуйте так настроить пассивный фильтр! И учитывайте, что подавить выброс 2-м, а тем более 1-м порядком не выйдет!

Тестовые прослушивания были очень успешными: заслушивался! Вот сравнение АЧХ одной и той же колонки (колонка на своем штатном месте, микрофон в точке прослушивания) со встроенным пассивным кроссовером, и при биампинге. Это другая колонка с другими динамиками. Волнистость АЧХ — влияние помещения (надо сказать вполне неплохое), а спад ниже 800 Гц — особенности измерения.

Конечно, мне могут сказать, что кривоватая АЧХ с пассивным кроссовером (провал в области 2. 6 кГц) — следствие недостаточно тщательной настройки пассивных фильтров. Я не отказываюсь! Еще пара недель настройки — глядшь, и лучше было бы! На самом деле, настройке пассивного кросовера сильно мешала зависимость сопротивления и индуктивности динамиков от частоты (а они еще и от амплитуды зависят!). Активный кроссовер параметры динамика вообще не чувствует, поэтому АЧХ получается наилучшей. Кроме того, если вспомнить, сколько для пассивного фильтра пришлось доматывать-отматывать катушек и параллелить конденсаторов! Жуть! А тут сразу раз, и заработало! Нужно было только выбрать частоту раздела, и подкрутить подстроечник, чтобы установить уровень на ВЧ.

PS. У меня есть платы промышленного изготовления, как заказать, см. здесь.

Фазолинейный активный кроссовер

Питер Латски обращает внимание, что в большинстве кроссоверов (разделительных фильтров для многополосных акустических систем) на частоте раздела НЧ/ВЧ наблюдается значительный (обычно от 45 до 90 электрических градусов в зависимости от порядка фильтров) фазовый сдвиг между напряжениями на НЧ и ВЧ выходах.

Это приводит к существенным нарушениям целостности звуковой картины на средних частотах (ответственных за передачу голоса и основной части спектра большинства музыкальных инструментов), поскольку один и тот же сигнал излучается дважды: ВЧ звеном и НЧ звеном с большей или меньшей временной задержкой. Необходимое для идеальной звукопередачи условие — постоянство характеристики группового времени задержки (ГВЗ), или, что то же, линейная фазовая характеристика, принципиально могут быть получены только при использовании в кроссовере ФНЧ Бесселя и всепропускающего (фазокорректирующего) фильтра Делияниса (ФВЧ для формирования АЧХ для ВЧ звена вообще не могут быть применены, поскольку они формируют фазовое опережение, принципиально не стыкующееся, каким бы оно ни было, с фазовым запаздыванием ФНЧ и фазокорректора Делияниса).

В фазолинейном активном кроссовере (рис.1) формирование сигнала для НЧ звена (выход Low) выполняет ФНЧ Бесселя четвертого порядка (ОУ А4, А5), а на ОУ А2 выполнен фазокорректор Делияниса второго порядка, который имеет линейную АЧХ, но такую же ФЧХ и ГВЗ, что и ФНЧ Бесселя четвертого порядка. Дифференциальный усилитель на ОУ A3 вычитает из сигнала на выходе A3 сигнал на выходе ФНЧ и таким образом формирует сигнал сопряженного с последним по частоте раздела ФВЧ (выход High), подаваемый на ВЧ звено акустической системы. При этом фазы напряжений на обоих выходах практически совпадают, что обеспечивает точную передачу пространственной звуковой картины. С показанными на схеме номиналами элементов кроссовер применяется для акустической системы из электростатического ВЧ звена и изобарического («компрессионного») НЧ динамика. Частота раздела НЧ/ВЧ может быть легко скорректирована для других динамиков одновременным изменением емкости конденсаторов С21, С22, С41, С42, С51 и С52.

Активная трехполосная акустическая система на динамиках Сканспик и SEAS EXCEL

Это трехполосная акустическая система с десятидюймовой низкочастотной головкой в ЗЯ, которая работает от отдельного усилителя с активным кросовером.

(Фрагмент. Подробно здесь: http:///3wayactiveexcel. html)

Активные системы имеют много значительных преимуществ перед пассивными.
Такими преимуществами являются, в частности:
— возможность не обращать внимания на чувствительность применяемых головок;
— реализация низких частот раздела, что затруднено в пассивных системах, в частности, проблемой «накачки» (см. 3 книгу .);
— низкая стоимость активного кроссовера по сравнению с пассивным с применением хайэндных деталей;
— более низкие требования к усилителям и возможность использования усилителей, оптимизированных для полосового усиления;
— возможность исключить влияние колоночных проводов, что является несомненным недостатком для их продавцов 🙂 .
Данная АС является модификацией предыдущей разработки с использованием тех же динамиков в СЧ-ВЧ звене, и другого басовика: E0026 Описываемая система является полуактивной — у нее активный раздел басового и СЧ-ВЧ звеньев. А само СЧ-ВЧ звено имеет пассивный фильтр.
Такая система имеет ряд преимуществ:
— Так как самым тяжелым для усилителя является большой басовик, то он работает от своего канала, а СЧ-ВЧ звено работает от другого канала. что обеспечивает низкую интермодуляцию.
— СЧ-ВЧ звено может быть самостоятельным громкоговорителем, будучи отключенным от ФВЧ, который состыковывает его с басовым звеном.
— Можно избавиться от наиболее больших и дорогих деталей пассивного фильтра, обеспечивающих нижнюю частоту раздела. Эта частота может, при этом, сколь угодно низкой.
— Можно применить обычные стерео усилители мощности в каждой АС из пары, причем, тип усилителя может быть разным «сверху» и «снизу». Например, «сверху» можно применить ламповый усилитель, а «снизу» — транзисторный.
— Так как снизу обычно порядок фильтра низкий, можно обойтись пассивными RC цепочками на входе усилителей мощности, что упрощает и удешевляет систему.
Выбор динамиков определялся простотой реализации. Снизу десятидюймовый басовик в ЗЯ, большой среднечастотник, который мог обеспечить низкий раздел, и хорошая ВЧ головка, которая не предъявляет требований по частоте раздела.
Я использовал другой басовик в данной конструкции, потому что, динамик SEAS EXCEL E0026 обеспечивает нижнюю частоту среза 40 Гц всего в 40 литрах объема, а динамику Scanspeak 25W/856501 нужно было порядка 70 литров примерно с такой же нижней частотой. СЧ динамик Ревелатор: 15M/4531K00 и моя любимая пищалка и классической серии: D2905/970000 .
Со времен предыдущей разработки Сканспик снова стал самостоятельным и перестал принадлежать Tymphany.
Я решил промерить динамики снова, так как дизайн корпуса отсека СЧ-ВЧ немного изменился.
Как оказалось — не зря.
Пищалки 9700 — поставляются подобранными парами, но АЧХ, особенно сверху, у разных пар может отличаться.
Среднечастотники 15М раньше не имели особых различий между парами.

Это схема активного кроссовера НЧ раздела.

Как видно, он сделан на транзисторах. Все транзисторы: BC549C.
Цепочку C4R12 можно не ставить, если фильтр постоянно подсоединен ко входу усилителя мощности, а там есть разделительный конденсатор.

Это АЧХ системы с метра:

Это схема пассивного кроссовера СЧ-ВЧ блока:

Отличия от старой схемы небольшие, они вызваны различием АЧХ СЧ динамика в области выше 3 кГц и некоторым отличием АЧХ ВЧ динамиков от типичной.

Источник