LuidsprekerWisselfilters<laatst bijgewerkt: 2014-12-15>
In het kort:
Eris vrijwel geen enkele luidspreker (chassis) die in z'n ééntje het helebereik van audiofrequenties kan weergeven. We gebruiken meestal twee ofmeer luidsprekers die ieder een beperkt deel van het bereik goed kunnenweergeven. Er is dan op één of andere manier een filter nodig datervoor zorgt dat elke luidspreker het bereik toegevoerd krijgt dat 'iekan weergeven.
Dit hoofdstuk bespreekt de alom toegepaste passieve wisselfilters, duscircuits tussen de versterker en de luidsprekers. Vrijwel altijd is datfilter in de luidsprekerkast ingebouwd.
Verwante onderwerpen:
Impulsgedrag
Decomponenten van een wisselfilter Enkelebegrippen in verband met filters. Basisschakelingen Enkelebenaderende berekeningen. Andereschakelingen Meerdereidentieke luidprekers Luidsprekersmet verschillende gevoeligheid en/of impedantie Zobelnetwerken: Compensatie van de luidspreker impedantie Bi/Tri/Multi-Wiring Bi/Tri/Multi-Amping Hettransiënt gedrag van passieve wisselfiltersgrootte
Decomponenten van een wisselfilter
Een spoel (eenklos koperdraad) of zelfinductie vormteen schijnbare weerstand die toeneemt met de frequentie. Als je een spoel inserie zet met een luidspreker zal 'ie de hoge tonen tegenhouden. Paralell aaneen luidspreker worden de lage frequenties erdoor kortgesloten.
De grootte van eenzelfinductie wordt opgegeven in Henry, evt. met het voorvoegsel milli voor eenduizendste (mH) of micro voor een miljoenste (µH)
Dat kortsluiten bijlage frequenties gaat in de praktijk niet helemaal goed, want een spoel heeftaltijd ook een bepaalde weerstand, simpelweg de weerstand van het gebruiktekoperdraad.Omdat spoelen die bijlage frequenties werkzaam moeten zijn veel windingen nodig hebben moeten die metrelatief dik koperdraad gewikkeld worden om die weerstand laag te houden.
In een aantal gevallenvind je daarom wel spoelen die gewikkeld zijn rond een ijzerkern. Er zijn danvoor de zelfde zelfinductie veel minder wikkelingen nodig, waardoor de weerstandvan de spoel gemakkelijker laag kan blijven. Helaas zijn de magnetischeeigenschappen van ijzer (permeabiliteit, hysteresis en verzadiging) afhankelijk van de stroomdoor de spoel. Dit betekent dat er intermodulatie vervorming kan optreden.
Voor hifi toepassingengebruiken we liever geen spoelen met ijzer of zoiets er in. (De tussenvorm meteen ijzerkern met luchtspleet heeft minder last van deze vervormingen)
Er worden hier en daarspoelen aangeboden gebaseerd op litze-draad, d.w.z. dat de draad bestaat uit eengroot aantal apart geisoleerde dunne draadjes die afwisselend aan de buitenkantvan de bundel komen en dan weer de diepte in gaan. Dit is een effectieve manierom het z.g. Skin-effect tegen te gaan. Bij spoelen voor wisselfilters is ditechter "het paard achter de wagen spannen". Het gaat er hier om eenhoge impedantie te krijgen bij hoge frequenties. Het skin-effect helpt hierjuist bij.
Spoelen met litze-draad gebruik je in filters die een zeer hoge Q-factor moetn hebben, zoals in afstemkringenvan radio ontvangers.
Een condensatorof capaciteit vormt een schijnbareweerstand die afneemt met de frequentie. Als je een condensator in serie zet meteen luidspreker zal 'ie de lage frequenties tegenhouden. Paralell aan eenluidspreker vormt 'ie een kortsluiting voor hoge frequenties.
De grootte van eencondensator wordt opgegeven in Farad (F), meestal met een voorvoegsel als milli,micro, nano, pico, iedere keer duizend keer kleiner.
Condensatoren komenmet uiteenlopende constructies en gebruikte materialen. Zo zijn erdeelectrolytische condensatoren, of elco's. (zowel gebaseerd op aluminium als optantaal) Deze zijn goed verkrijgbaar en goedkoop, ook bij de wat groterewaardes (tientallen µF) die soms nodig zijn. Het nadeel van elco's is dat zepolair zijn, d.w.z. de spanning mag maar in 1 richting staan. Dit maakt degewone elco onbruikbaar voor een wisselfilter. Er zijn wel bipolaire elco's tekoop, maar deze bestaan uit twee gewone elco's tegen elkaar in in serie.Bovendien komen elco's met een vrij grote tolerantie op de waarde, en die waardeloopt in de loop der jaren nog wel eens terug ook.
Niet gebruiken dus.
Andere condensatortypen worden meestal aangeduid naar het materiaal dat voor de isolatie, het diëlectricum gebruiktis. Ruwweg onder te verdelen in keramieken en polymeren (plastics).
Keramischecondensatoren zijn niet goed verkrijgbaar in de waardes die je in wisselfiltersdoorgaans nodig hebt. Blijven de polymeren en papier.
De bekendste zijn hierpolyethyleen, polycarbonaat, polyphenyleen sulfide, polystyreen, enpolypropyleen. Deze materialen brengen bepaaldeverschillen in eigenschappen met zichmee, maar die zijn bij wisselfilters niet van belang.
Voor condensatorengeldt verder dat ze altijd komen met een maximale werkspanning.Voor eenwisselfilter is zo'n 60 Volt altijd genoeg. Meer is wel duurder, maar nietbeter. (er gaat in hifi kringen het verhaal dat een condensator van (veel)hogere werkspanning "beter zou klinken". Daar is een terecht argumentvoor: Je blijft dan verder weg van de doorslagspanning en daardoor zullen evt.niet lineariteiten -de capaciteit kan ietwat spanningsaf hankelijk zijn-geringer zijn. Deze effecten zijn echter zo gering dat die onhoorbaar zullenzijn.
Weerstanden wordengebruikt om aanpassingen te maken voor gevoeligheids verschillen tussen dediverse luidsprekers. Een enkele keer is dit zelfs regelbaar uitgevoerd, datlijkt me nogal ongewenst, want dan weet je nooit echt goed hoe het staat.
Omdater soms flinkevermogens in het spel zijn worden hier draadgewonden weerstandengebruikt.Vaak ingebed in keramiek, (cermet) om de warmte geleiding teverbeteren. Het steekwoord voor zulke weerstandscombinaties is "L-Pad".
Gloeilampen, ofsterk daar op lijkende dingen zoals een glazen buis met een al-of-nietgewikkelde draad daarin, zie je nog wel eens in disco luidsprekers. Deachtergrond is dat de weerstand van zo'n gloeilamp sterk stijgt als degloeidraad heter wordt, en daarmee kun je de luidsprekers beschermen tegenoverbelasting.
De lampen worden nogwel eens aan de voorkant geplaatst, zodat je ze kunt zien oplichten als deluidspreker te zwaar belast wordt.
In huiskamer- hifiapparatuur horen zulke dingen niet thuis. Bij de lage frequenties van eenbasluidspreker kunnen ze intermodulatie vervorming veroorzaken, en bij hogerefrequenties gaan ze als een soort limiter werken. Om oversturing van jeluidsprekers te voorkomen moet je je oren gebruiken, en ook wat daartussen zit.
Een zekering(smeltveiligheid) wordt soms in een luidsprekerkast gemonteerd om deluidsprekers te beschermen tegen overbelasting. Omdat smeltveiligheden in ditverband veel gemeen hebben met gloeilampen -temperatuur afhankelijke weerstand- horen ze naar mijn smaak ook nietthuis in hifi luidsprekers.
Enkelebegrippen in verband met filters.
We kennen 5 basistypen filters.
- Low pass, of laagdoorlaatfilter. Laat lage frequenties door, houdt hoge frequenties tegen
- High pass, of hoogdoorlaatfilter. Laat hoge frequenties door, houdt lage frequenties tegen
- Band pass, of banddoorlaatfilter. Onderdrukt hoge en lage frequenties, maar laat ergens daartusseneen frequentie gebied door.
- Band stop, of bandsperfilter. Laat hoge en lage frequenties door, maar onderdrukt een deel van hetmiddengebied.
- All pass. Dit filterlaat alle frequenties even sterk door, maar het doet iets met de fase en delooptijden.
Bij alle filters(behalve de all-pass) hebben we met de volgende eigenschappen te maken:
Fig 1.
We zien hier alsvoorbeeld de karakteristiek van een laag doorlaat filter. Op de vertikale asstaat de uitgangs signaalsterkte in dB, op de horizintale as de frequentie opeen logarithmische schaal.
We onderscheiden 3frequentie gebieden: de doorlaat-band, de onderdrukkings band, en het overgangsgebied daartussen.
In de doorlaat band iser meestal wat onregelmatigheid in de karakteristiek, de passband ripple.
Bij de cornerfrequency of kantelfrequentie begint de eigenlijke overgang. Meestal definierenwe die bij een verzwakking van 3dB ten opzichte van de doorlaatband.
In de stopband blijkenveel filters ook een rimpel te hebben. De frequentie die nog het sterkstdoorgelaten wordt bepaalt de stopband onderdrukking.
De helling van dekarakteristiek in het overgangsgebied noemen we de steilheid (eng: steepness).Deze steilheid wordt meestal uitgedrukt in dB/octaaf, oftewel hoeveel dB hetsignaal verzwakt is bij de dubbele of halve frequentie.
Die steilheid hangtnauw samen met de"orde" van het filter. Een 1e orde filter heeft eensteilheid van 6 dB/oct, een 2e orde 12 dB/oct, en voor elke orde komt er weer 6dB/oct bij.
Je kunt de orde, endus de steilheid van het filter ongeveer aflezen aan het totaal aantal spoelen encondensatoren dat er voor een overgangs band gebruikt is. (weerstanden tellenniet mee voor de orde bepaling)
Bedenk daarbij datbijv. een band doorlaat filter eigenlijk een combinatie is van een laag- en eenhoog- doorlaat filter. Zo'n filter kan best voor de hoge kant een andere ordehebben dan voor de lage kant.
Noot: De relatietussen het aantal spoelen + condensatoren, de orde en de steilheid gaat nietmeer op voor filters die nadrukkelijk op resonatie kringen berusten (filters methoge Q-factor). Zulke filters hebben doorgaans een slechtimpulsgedrag, dus die wil je niet gebruiken
Butterword,Chebychef, Bessel en zo
Deze namen zijnhistorisch verbonden aan de filter theorie, en in het bijzonder aan hetoptimaliseren van bepaalde eigenschappen van een filter.
Zo probeertButterworth de doorlaat band zo vlak mogelijk te krijgen. In het overgangsgebied treden echter aanzienlijke fase fouten op.
Chebyshev (ja,verschillende bronnen spellen de naam verschillend) concentreert zich op eengelijkmatige rimpel in de doorlaatband en een steile helling.
Bessel probeert delooptijden in de doorlaatband en de overgangsband redelijk constant te houden.Dit wordt ook wel "lineaire fase" of "constante fase"genoemd. De prijs die je er voor betaalt is een geringere steilheid in deovergangsband, en wat minder onderdrukking in de stop-band.
Andere namen in ditverband zijn o.m.: Boode, Cauer, Gauss, Linkwitz.
Het is niet zo dat jeaan een filterschakeling zo kunt zien met welk type je te maken hebt. Filtersmet dezelfde topologie (de manier waarop de onderdelen geschakeld zijn) kunnenbest heel verschillende karakteristieken hebben, afhankelijk van de waarde vande onderdelen. Andersom,kunnen dezelfde karakteristieken soms metverschillende topologien gerealiseerd worden.
Ik heb voor devoorbeelden een 3-weg systeem gekozen omdat daarin de meeste basis-filtersvoorkomen: laag-doorlaat, band-doorlaat en hoog-doorlaat.
In een twee-wegsysteem kun je de circuits voor de middentonen wegdenken.
Hieronder zienwe het eenvoudigste filter:
Fig 2.
Er is een zelfinductieL1 die de hoge tonen naar de basluidspreker B tegenhoudt, de condensator C2 laatalleen de hoogste frequenties door naar de tweeter T, en de combinatie van C1 enL1 houdt zowel de hoogste als de laagste frequenties tegen naar de middentoonluidspreker M.
De wat geïdealiseerdefrequentie karakteristieken zijn hieronder te zien: (Blauw: bas, Groen: midden,Rood: tweeter)
Fig 3.
Bij deze eenvoudigeschakeling is de steilheid waarmee het signaal overgaat van de ene naar deandere luidspreker nogal slap. Dat betekent dat de luidsprekers relatief veelsignaal zullen ontvangen wat eigenlijk voor een andere luidspreker bedoeld is.
Dit is een"eerste orde" filter of een filter met een helling of steilheid van 6dB/octaaf.
In fig 4. zien we hoedit verbeterd kan worden.
Fig 4.
Ten opzicht van fig 2.is er een extra C1 die hogere frequenties naar de basluispreker kortsluit. Opdezelfde manier sluit L4 de lagere frequenties naar de tweeter T kort.
C2 en L2 werken opvergelijkbare wijze voor de middentoner M.
Fig 5.
De overdracht van het"tweede orde systeem" van fig. 4, een filter met hellingen van 12dB/octaaf. De "buur" luidsprekers ontvangen al beduidend mindersignaal wat niet voor hen bestemd is.
En zo kunnen we nogwel wat verder gaan. Je komt wel wisselfilters met de 4e orde tegen, oftewel 24dB/octaaf, zoals hieronder.
Fig 6. Een 4e orde filter
Het is ook nietongebruikelijk dat de diverse luidspreker-groepen filters van verschillende ordehebben.
Wat zijn de vooren/of nadelen van zulke hogere orde filters?
Het voordeel is dat deluidsprekers slechts weinig signaal ontvangen dat niet voor hen bedoeld is. Datis vooral een kwestie van smaak, en het hangt samen met de keuze van deluidsprekers. Om een voorbeeld te geven: Sommige basluidsprekers geven best nogflink wat midden tonen weer. Meestal echtermet een sterke "kleuring". In zo'n geval wil je niet dat er veelmidden en hoog in het baskanaal komt.
Het nadeel isdat er -vooral op de overgangen van de ene naar de andere luidspreker- grotefasefouten optreden. Dat gaat altijd gepaard met een slechteimpuls responsie. Bovendien zullen sommige frequenties tegenfasig uit deluidsprekers komen en elkaar uitdoven. En dat is wel goed hoorbaar als eenongewenste "kleuring" van het geluid.
Een bijkomend nadeelis dat hogere orde filters vaak kritischer zijn voor de juiste waarde van decomponenten. Je komt dan soms met de reekswaardeswaarin spoelen en condensatoren verkrijgbaar zijn niet goed uit. Iemand die het weten kan verzekerde me dat je met filters van meer dande tweede orde het tijdgedrag van het systeem niet goed kan krijgen.
Enkelebenaderende berekeningen.
Deze paragraaf geeftslechts enkele benaderingen om "op een hoekje van de krant" te kunnenuitrekenen wat ongeveer de kantelfrequentie van een filter is, c.q. welkezelfinductie of capaciteit daarvoor nodig is. Ik geef alleen debenaderings formules voor 1e en 2e orde filters. Bij hogere orde filters is deonderlinge beinvloeding van de componenenten zodanig dat er een onbedrukte krantvoor nodig is.
Bij gebrek aan beteregegevens beschouw ik de luidspreker steeds als een zuivere weerstand (Zie het Zobelnetwerk).
Voor een eerste ordeL-R (low-pass) of een R-C (high-pass) filter zoals in fig. 2 geldt dat dekantelfrequentie op de plek ligt waar de schijnbare weerstand van dezelfinductie (xL)of de capaciteit (xC) gelijk is aan de weerstand van deluidspreker.
Voor de 8 Ohm basluidspreker kiezen we bijv. een kantelfrequentie van 200 Hz.
De schijnbareweerstand van een zelfinductie is xL = 2*pi*f*L (Ohms), waarbij pi = 3.14,f de frequentie in Hz en L de zelfinductie in Henry.
Omgewerkt: L = xL /(2*pi*f) of: L = 8 / (2*pi*200) = 6.34 mH
Voor de 8 Ohm tweeterkiezen we bijv. 3 Khz als scheidings frequentie.
De schijnbareweerstand van een condensator is xC = 1/(2*pi*f*C) (Ohms) waarbij pi =3.14, f de frequentie in Hz en C de capaciteit in Farad.
Omgewerkt: C = 1/ (2*pi*f*xC) of: C = 1 / (2*pi*3000*8) = 6.63 E-6 oftewel6.63 micro Farad.
Op soortgelijke wijzekun je ook benaderende berekeningen maken voor middentoners of luidsprekers metandere impedanties.
Het "finetunen" van een filter is echter een klus om met hulp van eencomputerprogramma te doen.
Er zijncomputerprogramma's in omloop die speciaal gericht zijn op wisselfilters.Sommige kennen ook eigenschappen van bekende luidsprekers, misschien zelfs welals ze in een kast gemonteerd zijn. (Dit maakt voor bas- en middentoners nogalwat uit. Tweeters zijn vrijwel altijd dicht aan de achterkant en dan maakt dekast niet veel uit voor het impedantie verloop)
Voor het simulerenvolstaat een programma dat slechts lineaire elementen aan kan. Ook het aantalcomponenten is niet zo erg groot, dus je kunt uit de voeten met een demo-versievan een veel duurder pakket voor elektronica simulatie, zoals pSpiceStudent.
In eenvoudige boxjeszie je nog wel eens een schakeling als deze: (links)
Fig 11.
Op het eerste gezichtlijkt het alsof we met een tweede orde filter te doen hebben, waarbij zowel despoel als de condensator dubbel gebruikt zijn. Dat is echter schijn, want alsbijv. bij toenenemde frequentie xL groter wordt dan de weerstand van de tweeterdan worden de tweeter met C1 bepalend voor de steilheid.
Er zit echter meervenijn in dit circuit:
Ik heb er deonvermijdbare serieweerstand van de spoel ingetekend om duidelijk te maken waarhet fout gaat.
Voor hoge frequentiesgaat de linker schakeling over in de middelste. De basluidspreker wordtkortgesloten door de condensator, en de zelfinductie vertegenwoordigt een hogeimpedantie, dus is praktisch afwezig. Dit gaat wel goed.
Bij lage frequenties(meest rechtse schakeling) is de spoel echter niet in staat om de tweetergoed kort te sluiten, want de spoel weerstand blijft steeds aanwezig.
De tweeter kan daaromnog een substantiele portie laag krijgen, en daar kunnen ze meestal slechttegen.
Wees altijd op jehoede als je luidsprekers in serie ziet staan.
Ikheb eens een lezing bijgewoond van iemand die vond je alleen maarfilters moest gebruiken waarbij de luidsprekers in serie staan. Hijraakte dus helemaal in de knoop toen hij probeerde om er 2e- of hogereordes mee te maken, want dat kan niet zolang de luidsprekers in seriestaan. Hattienietdoor.
Tweeters enmiddentoners worden nog wel een verdubbeld of nog meer. Meestal is dat gedaan omhet maximale vermogen dat de kast kan verwerken te vergroten. Tenzij jehouse-parties wilt gaan organiseren moet je je afvragen of dat zo zinvol is.Vrijwel alle luidsprekers kunnen vermogens verwerken die ruimschoots voldoendezijn voor huiskamer hifi, evt met een burenruzie.
Bovendien wordt hetricht effect versterkt in het vlak waarin de luidsprekers 'op een rij' staan.Bijv. een rijtje tweeters boven elkaar zal een sterk richt effect vertonen inhet vertikale vlak.
Staan de luidsprekersechter opgesteld in een bol kan er zelfs een 'rondom straler'gemaakt worden.
De volgende figurenillustreren deze stralings eigenschappen.
Fig 12.
Stralings patroon vaneen luidspreker, als het stralend deel van de conus wat kleiner is dan degolflengte.
Fig 13
Stralings patroon vaneen rijtje luidsprekers, als de golflengte in deordegrootte van de onderlingeafstand ligt. Je ziet dat er een min of meer vlak golffront ontstaat.
Als de afstand tussende luidsprekers meerdere golflengtes bedraagt kunnen er op enige afstanduitdovingen of versterkingen optreden. (interferentie)
Fig 14.
Stralings patroon vaneen bolstraler.
In deze voorbeeldenzijn de luidsprekers met gelijke polariteit aangestuurd. Je kunt je wellichtvoorstellen dat het stralings patroon aanzienlijk verandert als er 1 tussen zitmet omgekeerde polariteit.
Meerdere identiekebasluidsprekers
Ook dit wordt nog weleens gedaan om een groter maximaal vermogen te kunnen hanteren. Hetgeen op zichzelden nodig is, maar er zijn meer en andere voordelen aan verbonden.
Vooropgesteld dat deluidsprekers dicht bij elkaar gemonteerd zijn zou zo'n samenstel eenlagere resonantie frequentie hebben dan bij een enkele luidspreker (ik hebhiervan nog geen theoretische verificatie gezien). Als dit klopt is datvoordelig, want luidsprekers produceren nu eenmaal zeer weinig geluid benedenhun eigen resonantie frequentie.
Eentweede voordeel isdat bij het zelfde afgestraalde vermogen de conus uitslag geringer is.Ditvoordeel vertaalt zich onmiddelijk in lagere intermodulatie vervorming,want bij een grote conus uitslag komt de spreekspoel in een gebied waarhet magneetveld minder isBij middentoners en tweeters speelt ditprobleem niet, aangezien de slag daar zeer veel kleiner is.
Je hoeft bij meerdereidentieke basluidsprekers niet bang te zijn voor problemen met richtingeffecten. In vergelijking met de golflengte zijn basluidsprekers altijd klein enzitten dicht bij elkaar. Daarom gedragen ze zich ook gezamenlijk als éénrond-om straler.
Meerdere identiekeluidsprekers opnemen in een wisselfilter
Als je meerdereidentieke luidsprekers wilt toepassen moeten die ook op een geschikte manieraangesloten worden. Hierbij moet je vooral ook kijken of de demping van deluidsprekers niet om zeep geholpen wordt.
Het is verleidelijk ombijv. 4 identiek luidsprekers zo te schakelen:
Fig 15.
Zo geschakeld hebben 4identieke luidsprekers een vervangings impedantie gelijk aan die van 1luidspreker. De verbinding T lijkt eigenlijk niet eens nodig.
Als deze luidsprekersook op een identieke manier uitslingeren zullen ze gelijk-op gedempt worden doorde versterker.
Echter, ook eendereluidsprekers zijn nooit precies identiek, en er kunnen verschillen in uitslingergedrag zijn.
Laat in ieder geval deverbinding T in takt. Deze bewerkstelligt dat iedere luidspreker tenminste deparalellschakeling van 3 andere ziet (aangenomen dat de versterker een zeer lageimpedantie heeft)
Bij 2 identiekeluidsprekers zit er niets anders op dan ze paralell te schakelen. Serieschakelengeeft grotere problemen met de demping.
Je kunt op zoek gaannaar twee 16 Ohm luidsprekers, of genoegen nemen met 8 Ohm en dan dus eindigenmet een 4 Ohm systeem. Je versterker moet dat kunnen hebben, en mogelijk moet jedikkere luidspreker kabels gebruiken.
Luidsprekersmet verschillende gevoeligheid en/of impedantie
De gevoeligheid vanluidsprekers wordt opgegeven als de geluidssterkte die de luidspreker produceertbij 1 watt ingangs vermogen op 1 meter afstand.
Veel luidsprekers geven zo'n 90 dBa.
Het gunstigst isnatuurlijk om luidsprekers van gelijke gevoeligheid en gelijke impedantie tecombineren.
Als je echterluidsprekers met verschillende impedantie door elkaar gebruikt moet je hierextra rekening mee houden.
Bijvoorbeeld, als jeeen 8 Ohm en een 4 Ohm speaker combineert zal de 4 Ohm luidspreker 6 dB meergeluid produceren, als ze beide bijv. 90 dBa/W zijn. De 4 Ohm luidspreker krijgtimmers het dubbele vermogen ten opzichte van de 8 Ohmer.
Soms kies je eencombinatie van luidsprekers op basis van een aantal interessante eigenschappen,maar blijken ze door verschillen in gevoeligheid toch niet goed bij elkaarte passen.
Je kunt dan eenaanpassing maken door het gebruik van weerstanden.
Ook hier moet je ergletten op het effect dat een weerstands netwerk heeft op de demping van deluidspreker.
Fig 16.
Het linker schemageeft de meest simpele manier aan om een te gevoelige luidspreker wat teverzwakken. De demping van de luidspreker komt hierbij in gevaar, zeker als deserie weerstand in de grootte orde komt van die van de luidspreker.
Het rechter schemageeft een betere manier van verzwakken aan. De luidspreker "ziet" deparalellschakeling van de weerstanden, waardoor de demping redelijk gehandhaafdkan blijven.
Je moet er wel watmeer aan rekenen, maar je kunt dan ook bewerkstelligen dat de filter schakelingnog steeds 8 Ohm ziet. Neem maar eens voor de bovenste weerstand 4 Ohm, en deonderste weerstand -en de luidspreker- 8 Ohm. Het filter "ziet" dannog steeds 8 Ohm. De luidspreker "kijkt" in ca. 3 Ohm, en deverzwakking is 6 dB.
Deze schakeling met 2 weerstanden wordt wel een L-pad genoemd.
HetZobel netwerk: Compensatie van de luidspreker impedantie.
Een luidsprekervertoont steevast een wat grillig verloop van z'n impedantie. Een 8 Ohmluidspreker vertegenwoordigt bij gelijkstroom en extreem lage frequenties eenohmse weerstand van ca. 5 a 6 Ohm. Bij wat hogere frequenties wordt deimpedantie inductief, om bij de eigenresonatie om te slaan naar capacitief. Bijde eigenresonantie is de impedantie Ohms, maar kan gemakkelijk 20 tot 50 Ohmbedragen. Dit hangt ook sterk af van de kast waarin de luidspreker gemonteerdis. Beneden de resonantie frequentie straalt een luidspreker erg weinig geluidaf.
Bij frequenties bovende eigenresonantie neemt de impedantie weer af tot ongeveer 8 Ohm, om bij zeerhoge frequenties weer te gaan stijgen door de elektrische zelfinductie.Tengevolge van allerlei geringere resonanties in het conus materiaal kunnen ernog allerlei grillige maar doorgaans geringe variaties in de impedantieoptreden.
Bij het berekenen vanwisselfilters zitten die impedantie variaties nogal in de weg. De meesthinderlijke variaties kunnen gecompenseerd worden met netwerkjes die bekendstaan als "Zobel" netwerken.
Fig 17. Luidsprekermet een Zobel netwerk .
C1 en L1 vormen eenresonantie kring die afgestemd wordt op de eigenresonantie van de luidspreker inde uiteindelijke kast. Met R1 wordt de weerstand bij resonantie bepaald. Hetkomt er op neer dat bij resonantie R1 parallel aan de luidspreker staat. R1 zalin de praktijk zo'n 10 a 20 Ohm zijn, bij 8 Ohm luidsprekers.
Voor L1 en C1 geldt dat de resonantie frequentie fr = 1/ (2 * pi *wortel (L * C) ) oftewel: L * C = 1 / (2 * pi *fr2)
De verhouding van L1en C1 bepaalt de breedte van de resonantie piek. Als je C1 groter maakt, en L1evenveel kleiner dan wordt de resonantie van het netwerk scherper. Andersom zalde piek breder worden.
C2 en R2 vormen eencompensatie voor de elektrische zelfinductie van de luidspreker (spreekspoel).R2 is typisch in de buurt van 8 Ohm en C2 wordt zo gekozen dat C2 = Le / (R2* Rnom)
Als je over eenblokgolfgenerator en een oscilloscope beschikt kun je betrekkelijk eenvoudig dewaardes experimenteel vaststellen. Sluit de blokgolf generator via eenweerstand van bijv 1 kOhm aan op de luidspreker. Meet de spanning over deluidspreker met de scope. Varieer de frequentie om om de resonantiefrequentie vast te stellen. (dit gaat nog beter als je de generator opsinusgolven zet). Zet de generator op blokgolven en op een ca. 10 x lagerefrequentie. Je ziet op de scope het uitslingeren van de luidspreker resonantie.Experimenteer nu met L1 en C1 tot je zo weinig mogelijk uitslingeringen ziet.
Om C2 en R2 te bepalenzet je de blokgolf generator op een veel hogere frequentie en de scope op eenveel kortere tijdbasis, zodat je de overshoot van de zelfinductie goed kuntzien.
Top
De gedachte achtermulti-wiring berust geheel op een foute interpretatie van de elektrotechniek,nl. dat hoge en lage frequenties elkaar in 1 kabel "in de weg" zoudenzitten. Het is daarmee niets anders dan verspilling van luidsprekerkabel.Bi-wire adepten gebruiken meestal ook nog eens dure kabel soorten, dus tel uitje winst als je niet meedoet met die onzin.
Voor bi/tri/multiwiring moeten de filters zo ontworpen zijn dat de luidsprekers elektrischvolledig van elkaar gescheiden zijn. Combinatie schakelingen als in fig 11zijn niet geschikt voor multi-wiring.
In het onderstaandewordt e.e.a. verduidelijkt.
Fig 18.
"Normale"bedrading. Ik heb de serie impedantie van de kabel (weerstand, skin-effect enzelf-inductie) en de parallel capaciteit er in getekend.
Fig 19.
De bi-wire bedrading.
Je ziet dat bijmulti-wiring de kabelcapaciteit zoals de versterker die ziet toeneemt. Dit iszelden een probleem, maar het is niet nodig.
Ook voor de dempingvan de luidsprekers en de verliezen in de kabel heeft bi-wiring geen voordeel.In beide gevallen ondergaat het signaal naar iedere luidspreker het verlies door1 kabel, c.q. "ziet" de luidspreker de weerstand van 1 kabel, en hetdoet er niet toe of dat 1 gezamenlijke kabel is, dan wel 2 of 3 aparte kabels.
Er is 1 situatiewaarbij multi-wiring wat kan uitmaken, dat is als de secties van hetwisselfilter onderling resonantie vertonen en je kabel een te hoge weerstandheeft. In het bi-wire geval zullen de effecten daarvan een beetje anders zijn.We hebben het dan over een kabel met een veel te hoge weerstand en een slechtontworpen wisselfiler.
Als je reeds zulkekabels hebt liggen doe je er verstandig aan om bij de luidsprekerkasten degelijke polen ook door te verbinden. Je hebt dan voor alle frequenties en alleluidsprekers de kabelweerstand verkleind. Gebruik niet de beide aders vande ene kabel voor héén en die van de andere voor terug, want dat geeft extrazelfinductie.
Hierover is er een aparte pagina
Hettransiënt gedrag van passieve wisselfilters.
Hieronder geef ikenkele simulatie resultaten van een 1e orde en een 2e orde tweeweg filter.
In alle gevallen hebik de luidsprekers als zuivere weerstanden van 8 Ohm verondersteld. In depraktijk is 'ie dat zeer beslist niet. Dat maakt het alleen maar erger, hoewelje de schade kunt beperken met een Zobel netwerkje.
Fig20. 1eorde tweeweg filter
De component waardeszijn zo gekozen dat de kantelfrequenties c.q. de tijdconstantes van de hoog- ende laag sectie gelijk zijn. Alleen bij die conditie krijg je een vlakkeamplitude en fase karakteristiek, en is ook het impulsgedrag goed.
Fig 21.Amplitude en fase gedrag van het 1e orde filter.
groen: tweeter, rood:bas, blauw: sommatie van die twee.
Fig 22.Respons op een enkele puls (blok) van 1 msec tijdsduur
geel: hetingangssignaal
Het som signaal staathier omgekeerd. Dat komt doordat ik in de simulatie een inverterende sommeerversterker gebruikt heb.
We zien dat er met een1e orde filter een perfect impulsgedrag bereikt kan worden, als de luidsprekerimpedantie maar een zuivere weerstand is. Dat is 'ie normaliter niet, maar dieschade kun je enigszins beperken met Zobel netwerkjes aan iedere luidpreker.Verder moet de luidspreker natuurlijk alles perfect weergeven, en dat doen zemeestal ook niet.
Bij hogereorde filters is het fase- en impuls gedrag doorgaans veel slechter.
Fig23. Een 2eorde tweeweg filter
Fig 24.Amplitude en fase respons van het 2e orde filiter.
groen: tweeter, rood:bas, blauw: sommatie, geel: verschil
We zien in de sommatie(blauw) een forse dip. Dat is onvermijdelijk, want bij de overgangs frequentiedraait het basfilter de fase ongeveer 90 graden de ene kant op, terwijl het hoogfilter ca. 90 graden de andere kant op draait. In het fase diagram zie je defase van het gesommeerde signaal dan ook de klok rond gaan. Door wat sleutelenaan de zelfinductie en capaciteiten kun je het nog wel wat beter krijgen, maarhet komt nooit echt goed.
Velen komen hier in deverleiding om 1 van de luidsprekers om te polen. Je krijgt dan de gele curves,die er in de amplitude- en fase plaatjes minder erg uitzien.
Bekijken we echter hettransient gedrag dan blijkt het in beide gevallen een rommeltje.
Fig 25 . Respons opeen enkele puls (blok) van 1 msec tijdsduur.
paars: hetingangssignaal
We zien zowel in hetverschil- als in het somsignaal aanzienlijke afwijkingen. Er valt mogelijk nogwat te optimaliseren aan dit filter, maar je krijgt het nooit goed.
Het is te verwachtendat als je de luidsprekers voorstelt met hun "echte" impedantieverloop het allemaal nog erger wordt. Met een Zobel netwerkje kun je die schadewel beperken, maar dat kost weer een handvol extra onderdelen.
.
