Приветствую, друзья. Эта статья написана по материалам февральского номера журнала "Everyday Practical Electronics" за 2006 год, публикация называется "An active 3-way crossover for loudspeaker systems", Circuit Design by ROD ELLIOT, дизайн Мика Гергоса. Сильно не пинайте, если какое-либо из предложений будет звучать не особо корректно, потому что дальнейшее описание является переводом имеющейся в журнале информации. И так, начнем.

Что такое активный кроссовер и зачем он нужен?

Большинство энтузиастов HiFi знают, что 2-полосные и 3-полосные громкоговорители содержат пассивные фильтры для разделения звукового спектра на две полосы частот в случае 2-полосных систем и три полосы в случае 3-полосных систем. Пассивные кроссоверные фильтры используют индуктивности, конденсаторы и резисторы для разделения звука на различные диапазоны и установки уровней сигнала для различных драйверов динамиков. Например, НЧ-динамик часто менее чувствителен, чем среднечастотный драйвер и твитер, и поэтому сигналы к последним драйверам должны быть уменьшены так, чтобы общий выход от трех драйверов был равным. В динамиках с более высокой производительностью кроссоверные фильтры часто очень сложны, и их очень трудно спроектировать и оптимизировать. И поскольку они обычно ослабляют средние и высокие сигналы, это означает, что они тратят впустую мощность усилителя. Они также вставляют сложную сеть между динамиками и усилителем, что означает потерю коэффициента демпфирования, особенно для более низких частот, где это наиболее необходимо, если вы хотите добиться плотного, чистого воспроизведения басов и средних частот. Итак, это пассивный подход. Он включает в себя только один стереоусилитель для привода двух динамиков в стереосистеме.

В "активной" системе мы исключаем пассивные перекрестные сети и электронно разделяем каждый сигнал левого и правого каналов на три частотных диапазона: низкий, средний и высокий. Это работа "активного кроссовера". Его выходные сигналы подаются на шесть (да, шесть) отдельных усилителей для управления НЧ-динамиками, средними частотами и твитерами в каждом корпусе громкоговорителя. Общая схема системы показана на структурной схеме рис.1.



Таким образом, вы получаете гораздо больше усилителей, чем в обычной системе, но это дает вам гораздо большую гибкость. И в конечном итоге вы можете получить систему с более высокой производительностью, включая гораздо более высокие уровни мощности. Активный кроссоверный подход также означает, что вы можете смешивать драйверы 4Ω и 8Ω в одной системе и легко сопоставлять уровни без потери мощности.

Активный кроссовер, представленный здесь, размещен в рэковом корпусе, который вставляется в стойку (rack case) с одним только выключателем питания на передней панели. Нет никаких пользовательских элементов управления для кроссовера; нет переключателей для изменения частот кроссовера или внешних регуляторов уровня для выходных сигналов. Чтобы изменить привод к громкоговорителям, вам нужно будет отрегулировать регуляторы громкости усилителей драйвера.
На задней панели расположены четыре пары разъемов RCA, одна пара для стерео-входов, а остальные три - для стереовходов низкого (НЧ-динамик), среднего и высокого (твитер) сигналов. Также на задней панели находится сетевая розетка IEC и предохранитель для первичной цепи силового трансформатора.

Внутри корпуса вся схема находится на плате размером 220 х 93 мм, включая двойные входные и выходные разъемы RCA. Единственная внешняя проводка к плате - это вторичные соединения с тороидальным понижающим трансформатором.

Теперь давайте взглянем на принципиальную схему рис.2.



Поскольку оба канала идентичны, на схеме показан только левый канал. Хотя источник питания также находится на печатной плате, он показан на рис.3.



В общей сложности левый канал использует 12 операционных усилителей в трех корпусах TL074 quad FET-input op amp. Четыре операционных усилителя, IC1a, IC1b, IC5a и IC5b, действуют как входные или выходные буферы, в то время как остальные восемь операционных усилителей являются активными каскадами фильтра Линквица-Райли с наклонами фильтра 12 дБ/октава. В каждом случае два фильтра 12 дБ/октава каскадируются, чтобы дать общий наклон фильтра 24 дБ/на октаву. Это намного круче, чем обычно используется в пассивных перекрестных фильтрах. Коэффициент усиления по напряжению всех этих ступеней фильтра в полосе пропускания равен единице.

LOW PASS, HIGH PASS.

Прежде чем мы пойдем дальше, мы должны объяснить некоторые термины, которые часто путают новичков: low pass, high pass и band pass.

Фильтр низких частот - это тот, который пропускает низкие частоты и блокирует более высокие. Следовательно, схема для привода сабвуфера будет называться фильтром нижних частот, поскольку он обеспечивает только частоты ниже 200 Гц или около того.

Точно так же фильтр высоких частот-это тот, который пропускает высокие частоты и блокирует низкие. Следовательно, часть кроссоверной сети, которая питает твитер, называется фильтром высоких частот, хотя он может состоять только из одного конденсатора.

Если мы каскадируем (то есть соединяем последовательно) фильтр высоких частот с фильтром низких частот, то комбинация будет пропускать полосу частот, и тогда мы будем называть ее полосовым фильтром. Мы используем полосовой фильтр для выхода среднего диапазона в этой активной схеме кроссовера.

Другие моменты, которые вам нужно знать о фильтрах высоких и низких частот,-это так называемая частота среза и наклон фильтра.
Фильтры, используемые в этой схеме, имеют затухание 12 дБ/на октаву; это наклон фильтра, и он применяется для частот после частоты среза. Частота среза-это то место, где выходной сигнал находится на уровне -3 дБ ниже нормального уровня. Например, в фильтре низких частот мы могли бы иметь частоту среза 1 кГц (то есть-3 дБ точка) и оттуда на фильтре наклон может быть 12 дБ/октава. Теоретически это означает, что отклик на частоте 2 кГц (то есть на одну октаву выше 1 кГц) будет равен -15 дБ, хотя на практике это может быть не так уж хорошо.

Фильтры, используемые в нашей схеме, имеют конфигурацию Линквица-Райли, и мы используем восемь таких фильтров, четыре высокочастотных и четыре низкочастотных, в каждом канале. Каждый фильтр состоит из операционного усилителя, подключенного в качестве повторителя напряжения, которому предшествуют две RC-сети. Как уже отмечалось, для каждого фильтра высоких и низких частот мы используем два каскадных фильтра 12 дБ/октава, чтобы сделать общий откат 24 дБ/октава (4-й порядок) на ступень фильтра.

Основные конфигурации фильтров показаны на рис.4 вместе с формулой расчета частоты кроссовера. В данном конкретном случае частота кроссовера находится в точке -6 дБ, и причина этого заключается в том, что мы каскадируем два фильтра для каждой секции (2 х 3 дБ = 6 дБ).



Обратите внимание, что конденсаторы в фильтре низких частот показаны со значениями C и 2C, в то время как в фильтре высоких частот мы имеем резисторы со значениями R и 2R. В основной схеме на рис.2 вы заметите, что для компонента 2С были использованы два конденсатора равных значений, так как трудно получить значения конденсаторов, точно вдвое превышающие значения другого. С другой стороны, резисторы гораздо проще, и поэтому мы имеем значения 10 Ком для R и 20 Ком для 2R.

Теперь, после этого небольшого отклонения, давайте вернемся к схеме на рис.2. Вход в левый канал подается через RC-фильтр, чтобы откатить частоты выше 100 кГц, а затем на операционный усилитель IC1a, который подключен как буфер единичного усиления (или повторитель напряжения). Он управляет двумя ступенями фильтра высоких частот, связанными с IC1d и IC1c, и двумя фильтрами низких частот, связанными с IC3a и IC3d. Оба этих фильтра низких и высоких частот имеют частоты среза, установленные на 5,1 кГц. Выход второго фильтра высоких частот, IC1c, подается на уровнемер trimpot VR1, а затем на операционный усилитель IC1b, который подключен как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления два. Он управляет левым высокочастотным выходом (твитером). Следовательно, твитер получает только частоты выше 5 кГц.

Midrange band-pass.

Выход низкочастотного фильтра IC3d питает высокочастотные фильтры на IC3c и iC3b, оба с частотами среза 239 Гц. Выход фильтра высоких частот iC3b подается на trimpot VR2, а затем на OP AMP IC5a, который имеет коэффициент усиления два. Это приводит в действие левый среднечастотный выход, который получает полосу частот между 239 Гц и 5,1 кГц.

Помимо управления фильтрами высоких частот IC3c и iC3b, op amp IC3d также управляет каскадными фильтрами низких частот на основе IC5d и IC5c, опять же с частотой среза 239 Гц. Сигнал с IC5c через trimpot VR3 идет на OP AMP IC5b, который имеет коэффициент усиления два. Он управляет левым басовым выходом, который получает сигналы только ниже 239 Гц.

Все выходы из каждой ступени находятся в фазе в точках пересечения. Коэффициент усиления напряжения на частоте кроссовера для каждой секции составляет -6 дБ (то есть половину опорного уровня). Таким образом, когда кривые отклика всех трех секций складываются вместе, в результате получается чрезвычайно плоская частотная характеристика с общим коэффициентом усиления равным единице. Насколько хорошо это работает, показано на кривых отклика на рис.5.



ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ.

Схема питания показана на рис.3. Она использует тороидальный силовой трансформатор мощностью 20 ВА с двумя вторичными обмотками по 15 В, далее стоит мостовой выпрямитель (диоды D1 - D4) и два конденсатора 1000 мкФ 25 В для получения нерегулируемых источников постоянного тока около +-22 В. Далее на плате установлены стабилизаторы REG1 и REG2 для получения питания постоянного тока ±15В.

КОНСТРУКЦИЯ.

Как уже отмечалось, вся схема находится на одной плате размером 220 х 93 мм, поэтому конструкция очень проста.
Единственное осложнение возникнет, если вы захотите установить свои собственные частоты кроссовера. Если это так, то вам нужно будет выбрать значения из таблицы 1.



Например, если вы решили, что вам нужна частота кроссовера твитера около 3 кГц, перейдите к таблице 1, проведите пальцем вниз по правому столбцу, пока не дойдете до 3100, а значения R и C находятся в столбцах 1 и 2.
На практике конденсаторы 2,2 нФ в фильтрах высоких и низких частот, связанных с IC1 и IC3, теперь должны быть заменены на 3,3nF, в то время как резисторы 10 Ком увеличиваются до 11 Ком, а значения 20 Ком - до 22 Ком.

Обратите внимание, что очень важно, чтобы оба фильтра высоких частот (ICd и IC1c) для твитера и фильтры низких частот (IC3a и IC3d) для среднего диапазона должны иметь точно такие же частоты среза, иначе вы не получите общую плоскую частотную характеристику.
Аналогично, если вы хотите изменить частоту среза басов примерно на 350 Гц (скажем), проведите вниз по правому столбцу таблицы 1 до 347 Гц. Затем значения R становятся 11kΩ и 22kΩ, а значения C-27nF.

ПРОВЕРКА НАПРЯЖЕНИЯ.

Включите питание и проверьте регулируемые направляющие питания с помощью цифрового мультиметра. Они должны быть близки к ±15 В постоянного тока.

Затем проверьте, что +15 В присутствует на выводе 4 каждого TL074 и что -15 В присутствует на выводе 11 каждого IC. Слегка прикоснитесь к каждой микросхеме, чтобы убедиться, что ни одна из них не нагревается - все они должны быть прохладными.

Следующий шаг - выровнять всю схему с помощью тримпотов. Это простой вопрос настройки каждого выхода на единицу усиления в его полосе пропускания. Это можно сделать на трех частотах, скажем, 100 Гц для баса, 1 кГц для среднего диапазона и 12 кГц для высоких частот.

Вам понадобится аудио-генератор и цифровой мультиметр с частотной характеристикой переменного тока до 20 кГц или выше. Подключите аудио-генератор к входному разъему RCA в одном канале. Установите частоту на 100 Гц, 1 кГц или 12 кГц, в зависимости от того, какой участок вы хотите выровнять. Установите уровень генератора на 1V RMS.

Затем измерьте уровень сигнала на выходе регулируемого каскада. Для высокочастотного выхода используйте 10 кГц и отрегулируйте trimpot VR1 (левый канал) или VR4 (правый канал), чтобы получить 1V RMS в выходном гнезде.

Аналогично, для среднего диапазона используйте 1 кГц и отрегулируйте VR2 (левый канал) или VR5 (правый канал), чтобы получить 1V RMS на выходных гнездах.

Наконец, для баса используйте 100 Гц и отрегулируйте VR3 (левый канал) или VR6 (правый канал), чтобы получить 1V RMS на выходе. Сделав это, теперь остается только окончательно завершить проводку внутри корпуса и проверить ее перед подключением устройства к вашим усилителям.

ВАШИ УСИЛИТЕЛИ.

Мы уже упоминали, что требуется шесть усилителей; по одному для каждого из басовых, средних и высоких динамиков, умноженных на два (для стерео). Но какие усилители вы должны использовать?
Как правило, НЧ-усилитель должен быть примерно в два раза мощнее среднечастотного и твитерного усилителей, чтобы учесть более низкую чувствительность НЧ-динамиков. Таким образом, если вы запускали стереоусилитель мощностью 100 Вт на канал в свою 3-полосную акустическую систему, вам все равно понадобятся два усилителя мощностью 100 Вт для НЧ-динамиков (например, ваш существующий усилитель!) и вы можете обойтись двумя 50-ваттными усилителями для каждого из средних и твитеров (то есть всего четыре). Возможно, вам удастся снова ввести в эксплуатацию усилитель, который вы списали как "недостаточно мощный". Или, если вы хотите сделать все возможное, тогда соберите новые усилители для вашего нового активного кроссовера самостоятельно.

Параметры:

Усиление по напряжению (Voltage Gain) 1:1
Частотная характеристика (Frequency response) В пределах ±1 дБ от 10 Гц до 20 кГц (см. рис.5)
Наклон затухания фильтра (Filter attenuation slope) 24dB/на октаву
Полное гармоническое искажение (Total harmonic distortion) Обычно 0,003% при среднеквадратичном значении 1В
Отношение сигнал / шум (Signal to noise ratio) -94 дБ невзвешенный (от 22 Гц до 22 кГц) по отношению к среднеквадратичному значению 1В
Разделение между каналами (Separation between channels) Обычно лучше, чем-100 дБ от 10 Гц до 20 кГц
Входное сопротивление (Input impedance) 47kΩ
Выходное сопротивление (Output impedance) меньше, чем 200Ω

Печатная плата односторонняя, размер 93 x 220 mm, формат LAY6 выглядит так:



Список элементов схемы 3-Полосный Активный Кроссовер:

- Корпус для монтажа в стойку 1RU, Altronics H-5011 или его эквивалент - 1 шт.
- Розетка питания - 1 шт.
- Предохранитель корпус (тип 3AG или M205) - 1 шт.
- Предохранитель 0,5 А (тип 3AG или M205 в соответствии с фюзеляжем) - 1 шт.
- Коромысловый переключатель DPST со встроенным неоном (S1) - 1 шт.
- 20ВА тороидальный трансформатор с 2x15V вторичными обмотками - 1 шт.
- 3-ходовая изолированная клеммная колодка - 1 шт.
- Многооборотных тримпотов 100 Ком (VR1-VR6), Altronics R-2382A или эквивалент - 6 шт.

Полупроводники

- TL074 quad FET-input op amps (IC-IC6) - 6 шт.
- 7815 положительный регулятор - 1 шт.
- 7915 отрицательный регулятор - 1 шт.
- Кремниевых диода 1N4007 (D1-D4) - 4 шт.

Конденсаторы

- 1000 мкФ 25В электролитический - 2 шт.
- 100 мкФ 25В электролитический - 2 шт.
- 1 мкФ 50В биполярный электролитический - 2 шт.
- 100nF (0,1 мкм) многослойная керамика (код 100n или 104) - 14 шт.
- 47nF (.047μ) металлизированный полиэстер (код 47n или 473) - 20 шт.
- 2.2 nF (.0022μF) металлизированный полиэстер (код 2n2 или 222) - 20 шт.
- 220pF керамика - 2 шт.

Резисторы (1% металлическая пленка)

- 47kΩ - 2 шт.
- 20 Ком - 8 шт.
- 10 Ком - 38 шт.
- 100Ω - 4 шт.

Удачного повторения. Размер архива - 10,4 Mb.