Scheidingsfilters en de werking ervan.
Inleiding.
Beste lezer,
Dit verhaal over scheidingsfilters is bedoeld voor iedereen die zelf boxen wil bouwen en wil experimenteren met filters. Het behandelt in het kort de basis van het hoe en waarom van filters. Zelf gebruik ik de inhoud van dit verhaal als leidraad bij iedere zelfbouw onderneming om een start te maken met het filter. Als je dan eenmaal een begin hebt, kun je er lekker mee gaan experimenteren en het op gehoor naar jouw smaak aanpassen.
De werking.
De werking van filters berust op enkele eenvoudige natuurwetten, die de eigenschappen van spoelen en condensatoren bepalen.
Een condensator heeft een lagere weerstand naarmate de frequentie of toon hoger wordt. Bij een spoel is het precies andersom, de weerstand is lager naarmate de toon lager is.
Eenvoudig gezegd, een condensator “C” laat de hoge tonen door en een spoel “L” laat de lage tonen door.
In de elektronica spreken we van impedantie “Z” in plaats van weerstand, omdat de impedantie in tegenstelling tot een gelijkstroomweerstand frequentie afhankelijk is. “Z” wordt wel net als een gewone weerstand benoemd in ohms.
De frequentie waarbij de signaalsterkte is afgenomen met 3dB of 6 dB, afhankelijk van het type filter, is de scheidingsfrequentie of kantelpunt fo, het –3dB of –6dB punt. Op het –3dB punt is de spanning aan de luidspreker gedaald tot
“ ½ x √ 2 = 0,707 V ” en het vermogen tot de helft. Op het –6dB punt is de spanning gedaald tot de helft en het vermogen tot een kwart. De mate van verzwakking wordt uitgedrukt in decibel per octaaf ( dB/oct ) en dit kan zijn 6, 12, 18 of meer dB/oct , ook wel genoemd 1e, 2e of 3e orde filter. Bij het 1e en 3e orde filter is het –3dB punt het overnamepunt en bij het 2e en 4de orde filter is het –6dB punt het overnamepunt. Men kan in een filter verschillende orden naast elkaar toepassen, maar dit vereist veel kennis van zaken en een ruime ervaring.
Daarnaast zijn er nog verschillende karakteristieken mogelijk bijvoorbeeld de Butterworth, de Bessel en de Chebychev karakteristiek en, last but not least, de Linkwitz-Riley karakteristiek. In scheidingsfilters wordt bijna altijd voor oneven orde filters de Butterworth karakteristiek toegepast en bij even filters de Linkwitz-Riley karakteristiek. Siegfried Linkwitz is in de jaren '70 van de vorige eeuw door dit filter zeer bekend geworden en filters die in combinatie met de eigen respons van de luidspreker units deze karakteristiek bereiken, zijn momenteel nog steeds het meest toegepast. Linkwitz heeft een zeer informatieve website over alle facetten van luidsprekerontwerp gemaakt, zie hiervoor http://www.linkwitzlab.com .
Maar nu weer terug naar dit verhaal. Behalve de taakverdeling over de luidsprekers vervult een filter ook nog andere belangrijke functies
In het filter worden, indien nodig, netwerken ingebouwd voor correctie van de impedantie- en of frequentiekarakteristiek van de betreffende speakers. Ook kunnen filters voorzien zijn van weerstandsnetwerken om verschillen in rendement tussen de speakers onderling te compenseren en gelijk te trekken.
Bij het berekenen van een filter dienen de volgende factoren in de berekening te worden meegenomen.
1 Het optimale werkgebied van de speaker.
Van iedere luidspreker moet het meest ideale gebied worden benut terwijl daarnaast een
goede aansluiting met de overige luidspreker(s) moet worden nagestreefd.
2 De impedantie karakteristiek.
De impedantie van een luidspreker varieert met de frequentie. Daarom dient men vooral de
impedantie te kennen over een gebied dat zich uitstrekt van minimaal een octaaf beneden
tot een octaaf boven de scheidingsfrequentie fo.
3 De resonantiefrequentie.
Deze dient bij middentoners en tweeters zorgvuldig buiten het bereik te worden gehouden.
4 De frequentiekarakteristiek
Deze is vrijwel nooit vlak, loopt bij woofers meestal af en bij middentoners meestal op en
ook hiermee moet dus rekening worden gehouden.
De impedantie- en frequentiekarakteristiek kan gecorrigeerd worden door aan het filter
toegevoegde netwerken.
5 Fase verschuiving
Spoelen en condensatoren hebben de eigenschap om de fase te verschuiven. Dit is een
onontkoombare natuurwet. Bij een spoel ijlt de stroom 90* na op de spanning, bij een
condensator ijlt de stroom 90* voor op de spanning. Ook in een luidspreker zelf treedt
faseverschuiving op. Door het filter goed te dimensioneren is het effect hiervan te
elimineren. Hiertoe worden middentoners en tweeters soms omgepoold op het
filter aangesloten. De polariteit, dus in of uit fase speelt bij de berekening van een filter een
grote rol.
Indien parallel aan een woofer een condensator wordt geplaatst kan worden volstaan met een bipolaire elco voor een goede kwaliteit. Wil men het onderste uit de kan, dan kunnen het best in het hele scheidingsfilter MKP condensators worden gebruikt
In de signaalweg verdient de toepassing van MKP condensatoren (of beter) altijd de voorkeur. Indien in een bestaande luidsprekerbox de componenten worden vervangen door die met een betere kwaliteit, wordt ook de geluidskwaliteit beter.
Bij een matige luidspreker echter kan dan de geluidskwaliteit verslechteren doordat de betere component de filterkarakteristiek verandert, die door de fabrikant zorgvuldig was geoptimaliseeerd voor de kwalitatief mindere component.
Polyprop’s zijn folie condensatoren voorzien van een isolatielaag van of polypropyleen ( MKP ) . Iets goedkoper en ook minder van kwaliteit zijn foliecondensatoren van polyester ( MKT ) of polycarbonaat ( MKC ).
U krijgt bij dit verhaal de Butterworth formules voor het berekenen van 6, 12 en 18dB/oct. netwerken. Daarbij dient te worden opgemerkt dat het 12 dB/oct Butterworth filter een 3 dB bult op fo geeft en dat daarvoor eigenlijk beter een 12 dB/oct Linkwitz-Riley filter kan worden gebruikt. U zult inmiddels wel hebben begrepen dat u deze netwerken niet zonder meer aan elkaar kunt knopen om daarmee een goed filter te verkrijgen. Na de berekening van een filter worden de laatste verfijningen aangebracht met behulp van meetinstrumenten en het gehoor. Indien u een goed filter wilt ontwikkelen zult u de literatuur moeten bestuderen en/of een computerprogramma aanschaffen/downloaden.
De schakelingen 6, 12 en 18 dB ofwel 1e , 2e en 3e orde filters.
f = scheidingsfrequentie
Z = luidspreker impedantie Π = 3,14
De volgende waarden voor L en C zijn zuiver theoretische waarden bij 8 ohm.
6 dB filter 12 dB filter
Fo (Hz) C (uF) L (mH) C (uF) L (mH)
200 100 6,5 70 9
400 50 3,2 35 4,5
1000 20 1,3 14 1,8
2500 8 0,5 5,6 0,7
3000 6,8 0,43 4,7 0,6
3600 5,6 0,36 3,9 0,5
4200 4,7 0,3 3,3 0,43
5200 3,9 0,25 2,7 0,35
18 dB filter laag sectie 18 dB filter hoog sectie
Fo (Hz) L1 (mH) L2 (mH) C1 (mH) Fo Hz C2 (uF) C3 (uF) L3 (mH)
210 9 3 124 2800 4,7 14 0,34
240 8 2,7 110 3400 3,9 11,7 0,28
275 7 2,3 96 4000 3,3 10 0,24
320 6 2 82 4900 2,7 8 0,2
380 5 1,7 70 6000 2,2 6,6 0,16
Rendementsaanpassing.
Indien het rendement van een middentoner of de tweeter hoger is dan die van de woofer, dient deze verzwakt te worden. U kunt dit ook doen om de sterkte van midden en hoog aan te passen aan uw eigen smaak of de kamerakoestiek. Door het verzwakken van midden en hoog wordt de basweergave relatief sterker. Dit geeft een beter resultaat dan wat met de toonregeling van de versterker kan worden bereikt.
Verzwakkings netwerken.
De onderstaande waarden zijn berekend voor 8Ω speakers. Voor 4Ω speakers moet je de waarde van de weerstanden halveren.
R1 Ohm R2 Ohm R3 Ohm
- 1 dB 1 1 65
- 2 dB 2,2 1,5 33
- 3 dB 3,3 2,2 18
- 4 dB 4,7 2,7 15
- 5 dB 6,2 3,3 10
- 6 dB 8 3,9 8,2
- 7 dB 10 4,7 6,8
- 8 dB 12 4,7 5,6
- 9 dB 15 5,2 4,4
- 10 dB 18 5,6 3,9
- 11 dB 22 5,6 3,3
- 12 dB 24 6 2,7
Maar, let op, er zijn drie mogelijkheden.
1. zie schema A
Een netwerk van 2 weerstanden tussen filter en speaker. Hiermee blijft de impedantie van het netwerk plus de speaker gelijk aan de impedantie van de speaker. Voor die impedantie is het filter ontworpen.
2. zie schema B
Door een enkele serieweerstand tussen het filter en de speaker. Bij deze methode dient de serieweerstand bij de berekening van het filter te worden opgenomen.
Indien men later deze weerstand met meer dan 20% wijzigt, moet het filter aangepast worden. Ook wanneer een weerstand van meer dan 2 ohm bij een bestaand filter wordt aangebracht.
3. Door toepassing van een enkele serieweerstand vóór de filtersectie van de betreffende speaker. Deze methode heeft een beperkte invloed op de scheidingsfrequentie, zolang het niet om een eerste orde filter gaat, waarbij de luidsprekers via een enkele spoel of condensator worden aangestuurd. Voor de scheidingsfrequentie moet in dit geval worden gerekend met de som van de serieweerstand en de luidsprekerimpedantie. Het maakt geen verschil of de weerstand aan de kant van de versterker of aan de kant van de luidspreker wordt geplaatst.
Concluderend kan worden gesteld dat, bij gelijkblijvend filter, rendementsaanpassing het beste met de methode van schema A kan worden gedaan.
Het is niet wenselijk de woofers oftewel basspeakers te dempen met een weerstand. Dit verslechtert de bas weergave doordat de versterker minder controle heeft op deze speaker. Zorg er dus voor dat je bij de keuze van speakers, de midden en hoog unit een gelijk of hoger rendement hebben dan de bas unit.
Verzwakken met weerstanden heeft geen nadelige invloed op de geluidskwaliteit.
Toch menen sommigen een verschil te horen na het aanbrengen van een verzwakkingsnetwerk. Hiervoor moet je echter wel zeer goed luisteren, want het verschil is minimaal en te verwaarlozen. Door de weerstanden wordt de tweeter iets meer gedempt en de Q factor iets verlaagd. Hierdoor vermindert de vervorming en het lijkt dan alsof de tweeter minder hoog weergeeft.
Door onkunde wordt dit door sommigen toegeschreven aan de zelfinductie van de weerstanden. Deze zeer geringe zelfinductie heeft echter in het audio gebied geen enkele invloed, maar is pas werkzaam bij radio frequenties het megahertz gebied.
Correctie netwerken
In het voorgaande hebt u kunnen lezen dat de impedantie van spoelen toeneemt naarmate de frequentie stijgt. Dit geldt natuurlijk ook voor luidsprekerspoelen. In sommige gevallen is het dan ook wenselijk dit te corrigeren met een impedantie correctie netwerk.
Hierbij zou het een goede zaak zijn als we de zelfinductie van de luidsprekerspoel zouden weten. Deze wordt meestal niet opgegeven en niet iedereen heeft de beschikking over meetapparatuur om dit te meten. Maar met de formules die bij het schema staan krijg je een goede benadering voor een vloeiend verloop van de impedantie over het weer te geven frequentie gebied. Dit wordt het meest toegepast bij bas- en basmid speakers.
Let op, de formule voor Le heb ik er bij gezet, maar het is een moeilijk in te schatten waarde. In de praktijk neemt men voor Le wel de waarde van 1,1 mH in de berekeningen. Dit schijnt aardig in de buurt te zitten.
2. Impedantie correctie bij de resonantiefrequentie van midden en hoog units.
Het kan voorkomen dat je last hebt van een piek in de weergave door de resonantiefrequentie van een unit. Ook hier is meetapparatuur eigenlijk wel wenselijk maar met de opgegeven formules bij het schema verkrijg je ook hier een goede benadering.
Beide schakelingen kunnen desgewenst ook gecombineerd bij een unit worden toegepast.
3. Sperkring ter onderdrukking van pieken in de weergave.
Hoewel dit in principe bij iedere unit kan voorkomen, wordt dit vooral toegepast bij breedbanders. De spoel en condensator worden zo gedimensioneerd dat ze het gewenste frequentiegebied sperren waardoor het signaal via de weerstand in verzwakte vorm naar de luidspreker gaat. Die verzwakking is makkelijk te regelen door de weerstand te verlagen of te verhogen. Ook hier is het beter om meetapparatuur te kunnen gebruiken voor het vaststellen van het gewenste frequentiegebied
Parallel en serie schakelen van weerstanden, spoelen en condensatoren.
Als je een bepaalde waarde niet voorhanden hebt, kun je eventueel componenten parallel en of serie schakelen. De vervangingswaarde kun je uitrekenen zoals hier wordt aangegeven.
Hier nog enkele schakelmogelijkheden. Per speaker kan ook worden gekozen voor een verschillende orde van filtering.
Dit is wat ik u kan vertellen over filters met dank aan Jeroen_d die hier aan heeft meegewerkt. Veel succes met bouwen en experimenteren. Ga daarbij vooral af op je gevoel, je eigen beleving van muziek en vooral je eigen oren.
Koop, als je niet echt zeker bent van je zaak, niet te dure onderdelen. Dat kan altijd nog wanneer je denkt, dat je “ HET “ hebt uitgeknobbeld.
Of en hoe je de verschillende mogelijkheden combineert is afhankelijk van de toe te passen speakers en de aard van de te bouwen boxen. Dat kan per geval nogal verschillen.
Ook hier is eigen smaak doorslaggevend.
Sietse
| 
Onze Bibliotheek