Cosa fa un condensatore o un induttore in un crossover di altoparlanti?
Confuso un po' su cosa esattamente condensatori o induttori fanno in un crossover di altoparlanti? Sei nel posto giusto!
In questo articolo, è tutto qui insieme a diagrammi chiari e di facile comprensione che ho creato io stesso. Mi piacerebbe aiutarti a saperne di più e capire di più su queste parti audio estremamente utili. Continua a leggere e divertiti!
Induttori vs condensatori:in che cosa differiscono?
Induttori e condensatori sono i componenti di base dietro tutti i tipi di meravigliosa elettronica audio, inclusi i sistemi di altoparlanti a casa o in macchina. Ciascuno è considerato un componente passivo tipo di parti in quanto non richiedono un alimentatore per funzionare.
La cosa davvero interessante è il modo in cui sono in qualche modo agli opposti ma possono lavorare insieme in un crossover non alimentato (crossover passivo) per migliorare notevolmente la qualità del suono e ottenere il massimo dai tuoi altoparlanti.
Cosa fa un induttore?
Un induttore è una bobina di filo avvolta strettamente con un numero specifico di circuiti utilizzati per sfruttare una proprietà chiamata induttanza. L'induttanza è la tendenza di un conduttore (nello specifico una bobina di filo in questo caso) ad opporsi a una variazione della corrente elettrica che lo attraversa a causa dei campi magnetici che genera.
Sono utilizzati nei motori elettrici, nei solenoidi, nelle bobine delle candele e, naturalmente, nei progetti di crossover degli altoparlanti. Gli induttori si comportano come l'opposto dei condensatori:un induttore si oppone ai segnali ad alta frequenza, il che significa che trasmette più facilmente i segnali audio a bassa frequenza.
Un comportamento elettrico chiamato reattanza Questo è ciò che lo rende possibile. Quando la frequenza cambia, cambia anche l'opposizione di un induttore o di un condensatore al flusso di elettricità.
- Reattanza induttiva: Un induttore accumula una maggiore resistenza (impedenza) alla corrente man mano che la frequenza aumenta a causa dell'induttanza che ha.
- Reattanza capacitiva: un condensatore accumula una maggiore resistenza (impedenza) alla corrente quando la frequenza diminuisce grazie alla sua capacità.
Unità di misura per induttanza
Per gli induttori, l'unità di misura è Henry. Per convenzione, gli induttori sono solitamente venduti in unità di milliHenries (1/1.000 di Henry o .001 Henries). Un tipico crossover di altoparlanti potrebbe utilizzare un induttore con un valore di 10 mH, ad esempio.
Come funziona un condensatore?
I condensatori immagazzinano una carica elettrica utilizzando conduttori elettrici estremamente sottili e strettamente avvolti separati da un isolante. Questo può essere un elettrolita, una mica o molti altri tipi di materiali. Sebbene non consentano il passaggio di un segnale di corrente continua (CC), consentono il passaggio di tensione e segnali di corrente alternata (CA).
Hanno una caratteristica interessante: i condensatori lasciano passare solo le alte frequenze – aumentano la loro impedenza (resistenza basata sulla frequenza) quando vengono applicate frequenze più basse.
Il punto in cui ciò avviene è scelto con cura per essere la frequenza di crossover. Esistono due tipi fondamentali di condensatori di cui uno in particolare utilizzato per l'audio.
Unità di misura per capacità
Per i condensatori, l'unità di misura è il Farad. Per convenzione, i condensatori sono spesso venduti in unità di microFarad (1/1.000.000 di Farad, o .000 001 F), a volte scritti con la lettera greca mu "µ" per rappresentare "micro". Ad esempio, quando acquisti condensatori per i tuoi crossover, a volte vedrai i condensatori elencati in "µF".
Quelli più piccoli possono utilizzare picoFarad (pF) o nanoFarad (nF) che sono ancora più piccoli e vengono utilizzati nell'elettronica.
I condensatori utilizzati nell'audio tendono quasi sempre ad essere nella gamma dei microFarad. Ad esempio, un blocco dei bassi su un tweeter può utilizzare un condensatore da 47 µF.
Tipi di condensatori comuni da conoscere
1. Condensatore elettrolitico
I condensatori elettrolitici sono essenzialmente il tipo più comune e il più conveniente, da qui la loro popolarità in tutti i tipi di applicazioni elettroniche e di altoparlanti. Li troverai spesso in un crossover passivo o direttamente collegati a un tweeter come crossover passa alto.
Hanno una sottile custodia in metallo e contengono un elettrolita tra le piastre conduttive cariche super sottili all'interno.
Un condensatore elettrolitico non polarizzato consente il passaggio di una forma d'onda di corrente alternata (CA) come quella utilizzata per un segnale musicale. Sono anche chiamati condensatori "bipolari". I tipi CC, d'altra parte, non possono e devono essere utilizzati solo per la corrente continua come in un alimentatore.
Nota: i condensatori non polarizzati normalmente sono contrassegnati come tali e sono gli unici tipi che dovresti usare per l'audio. I condensatori polarizzati possono essere danneggiati (e persino esplodere!) Se utilizzati per applicazioni audio. Per lo meno avrai un suono distorto che odierai.2. Condensatore a film
Un condensatore a film utilizza un materiale a film sottile per separare le sue piastre cariche ed è in genere un po' più costoso. Sono anche più duraturi, hanno prestazioni migliori (in alcuni casi) per l'audio e potrebbero avere limiti di temperatura più elevati.
I condensatori a film sono offerti anche in tipi ad alta tensione, ideali per i progetti audio a valvole. Sono anche un buon aggiornamento per condensatori elettrolitici più economici se hai dimestichezza con un saldatore.
3. Condensatori ceramici
I condensatori ceramici non vengono normalmente utilizzati nei crossover perché i loro valori di capacità sono generalmente piuttosto piccoli (nell'intervallo picoFarad, ad esempio) mentre spesso abbiamo bisogno di valori di intervallo microFarad per gli altoparlanti.
In genere vengono utilizzati per altri scopi, come un condensatore di bypass in un alimentatore per controllare il rumore del segnale elettrico o in un crossover attivo.
Come funziona un crossover di altoparlanti?
Un crossover utilizza un condensatore, un induttore o entrambi per limitare la gamma di frequenza dell'audio inviato a uno o più altoparlanti. Ciò è estremamente utile per evitare che le basse frequenze raggiungano un tweeter o che le frequenze medie e acute dal suono aspro raggiungano un subwoofer.
Il punto di crossover è spesso consigliato dal produttore dei diffusori o scelto come un buon compromesso tra i limiti della risposta in frequenza di ciascun diffusore utilizzato. La frequenza del filtro (chiamata anche frequenza d'angolo o Fc a volte) è direttamente influenzata dall'impedenza dell'altoparlante.
Spiegazione delle piste di crossover
Quando parliamo di "ordine" di una rete crossover, ci riferiamo al numero di fasi (sezioni). Ciò influisce sull'efficacia della pendenza, ovvero sulla capacità di filtraggio dell'audio.
Un progetto di 1° ordine utilizza un singolo induttore o condensatore mentre 2 costituiscono un 2° ordine, tre un 3° ordine e così via. Ogni stadio (ordine) ha una pendenza di -6dB per ottava con -12dB/ottava che è uno dei più comunemente usati sia per i crossover di altoparlanti che di amplificatori.
Crossover del 1° ordine con un condensatore (filtro passa alto)
Un filtro passa alto funziona facendo passare le frequenze più alte a un altoparlante e opponendo le frequenze più basse. A frequenze più basse l'impedenza di un condensatore ha un valore Ohm molto alto, riducendo notevolmente la tensione di uscita all'altoparlante.
Allo stesso modo, è vero il contrario alle alte frequenze. Li troverai spesso installati su un'auto o su un tweeter audio di casa impostato per bloccare la riproduzione dei bassi distorsivi e potenzialmente dannosi.
Crossover di 1° ordine con un induttore (filtro passa basso)
Un filtro passa basso funziona bloccando le frequenze più alte su un altoparlante e consentendo il passaggio delle frequenze più basse. A frequenze più alte, l'impedenza dell'induttore significa che ha un valore Ohm molto alto, riducendo notevolmente l'uscita a un altoparlante.
Questo tipo viene normalmente utilizzato con un woofer o un altoparlante di gamma media per evitare che gli acuti o gli "alti" non possano essere riprodotti bene.
Crossover a 2 vie del 2° ordine con condensatori e induttori
Come funzionano
Una rete crossover di altoparlanti di 2° ordine a 2 vie è essenzialmente un filtro crossover passa alto e passa basso combinati in parallelo.
Tuttavia, poiché aggiungono un secondo stadio (2° ordine, filtro -12dB/ottava), offrono prestazioni migliori rispetto a un semplice progetto di 1° ordine. Sono anche il tipo più comune, poiché utilizzano un woofer e un tweeter per creare un sistema di altoparlanti a 2 vie per altoparlanti audio domestici o un set di altoparlanti componenti per l'audio dell'auto.
Anche gli economici set di componenti a 2 vie del 2° ordine possono suonare eccellenti con driver per altoparlanti di discreta qualità e design adeguato.
A causa del punto di sovrapposizione alla loro frequenza di taglio, le cose possono diventare un po' più complicate quando si tratta di crossover a 2 vie, come spiegherò più avanti.
Come funziona:
- Condensatore C1 riduce la tensione in uscita al tweeter al di sotto del punto di taglio. Induttore L1 riduce ulteriormente i segnali ad alta frequenza che lo hanno raggiunto facendoli passare al percorso di ritorno dell'amplificatore terra/negativo (-).
- Induttore L2 riduce la tensione di uscita al woofer al di sopra del punto di taglio, trasmettendo i segnali a bassa frequenza all'altoparlante. Condensatore C2 trasmette ulteriori segnali ad alta frequenza che lo hanno raggiunto al percorso di ritorno dell'amplificatore di massa/negativo (-).
Il risultato finale sono due stadi di crossover sfalsati in serie, il che significa che si combinano insieme per una pendenza di crossover 2 volte più efficace di un design a stadio singolo (-6dB/ottava). Questa è una pendenza di -12dB/ottava.
Perché vengono utilizzati i crossover del 1° ordine se quelli del 2° ordine sono migliori?
Sebbene le reti crossover di 1° ordine siano meno comuni ora, sono ancora in circolazione. Li troverai spesso in:
- Sistemi economici di casse acustiche a 2 vie
- Progetti in cui è possibile utilizzare il rolloff naturale dell'altoparlante (risposta in frequenza decrescente) per ridurre i componenti necessari per ottenere lo stesso effetto.
- Semplici crossover per altoparlanti in linea come bass blocker per l'uso dell'autoradio e applicazioni correlate in cui qualcosa di semplice e veloce è l'ideale.
In generale, tuttavia, i crossover 12dB/ottava sono i più popolari in quanto rappresentano un buon compromesso tra costo, numero di parti e complessità. In effetti, gli amplificatori per auto e i sintoamplificatori AV domestici utilizzano comunemente un design a 12dB/ottava (12dB/ottava) anche nei loro crossover elettronici attivi.
Tipi di design crossover
Esiste una gamma di possibili progetti di reti crossover tra cui un designer può scegliere, ma alcuni sono preferiti rispetto ad altri:
- Butterworth: Nella sua configurazione standard, il design Butterworth somma a +3dB alla sovrapposizione della frequenza di taglio. Questo può essere utile per varie esigenze di progettazione, come tenere conto dei diversi offset dei driver degli altoparlanti (spaziatura tra gli altoparlanti nel loro punto acustico centrale).
- Linkwitz-Riley: Questo tipo somma a un'uscita piatta (0dB) alla sovrapposizione della frequenza di crossover ed è uno dei più comunemente usati. È una scelta ideale nella maggior parte dei casi.
- Bessel: Un design Bessel non è considerato "all pass" come un Linkwitz-Riley e non ha una somma piatta nel punto di frequenza.
- Chebyshev: Non usato spesso, questo può essere utile quando c'è bisogno di un'uscita potenziata nel punto di crossover poiché il Chebyshev fornisce una somma di +6dB.
Perché è importante? Di solito, non importa molto per la persona media. Tuttavia, se sei interessato a creare il tuo crossover per altoparlanti, è utile comprendere le opzioni possibili.
Ogni tipo di rete crossover utilizza una formula matematica leggermente diversa impostata per calcolare i valori delle parti di cui avrai bisogno. In tutti i casi, un buon libro di progettazione degli altoparlanti può aiutarti a farlo da solo se sei interessato a ottenere le migliori prestazioni o se sei interessato a progetti di altoparlanti fai-da-te (fai-da-te).
Vuoi apprendere competenze più avanzate nella progettazione di altoparlanti o creare i tuoi crossover? Consiglio vivamente il Loudspeaker Design Cookbook di Vance Dickason. È pieno di informazioni eccellenti!
I crossover per altoparlanti domestici o per auto aftermarket generalmente utilizzano un design Linkwitz-Riley e si sommano a un livello di 0 dB nel loro punto di crossover. Uno dei motivi è che si presume che gli altoparlanti che stai utilizzando avranno un'uscita adeguata vicino a quel punto. In caso contrario, puoi studiare tu stesso progetti più avanzati e compensare i punti deboli di un particolare oratore.
Preoccupazioni relative alla fase di crossover
I crossover hanno un altro problema da affrontare:ogni singolo componente del crossover aggiunge una fase (spostamento) di 90° al segnale inviato all'altoparlante. Condensatori e induttori hanno uno "sfasamento" quando un segnale li attraversa.
Per semplici crossover a stadio singolo, questo non è davvero un problema in quanto non è qualcosa che molto probabilmente noterai, sebbene sia un dettaglio per design di altoparlanti più avanzati. Tuttavia, per i progetti del 2° ordine, ciò significa che c'è una differenza di 180° tra le due uscite, che spesso si traduce in un suono "strano" e significa anche che il suono non arriva contemporaneamente alle orecchie dell'ascoltatore.
Per rimediare a questo problema, i crossover di 2° ordine/ordine pari normalmente hanno l'uscita del tweeter invertita. Questa inversione di uscita di un altoparlante significa che entrambi gli altoparlanti sono "in fase" e non ci sono più problemi con il ritardo del suono. Se hai mai acquistato crossover per altoparlanti a 2 vie, probabilmente non sapevi nemmeno che fosse stato progettato in questo modo apposta!
Cos'è una rete Zobel incrociata?
Una rete Zobel è una rete di equalizzazione dell'impedenza utilizzata per compensare l'aumento dell'impedenza degli altoparlanti nell'intervallo di frequenza dovuto all'induttanza della bobina mobile. Ad esempio, molti altoparlanti con bobina mobile mostrano comunemente un aumento della loro impedenza totale all'aumentare della frequenza. Puoi vederlo sui grafici di impedenza tracciati per gli altoparlanti.
Poiché il comportamento di un crossover è direttamente influenzato dall'impedenza, questo design semplice può migliorare le prestazioni del sistema di altoparlanti compensando e "appiattendo" il normale aumento del carico Ohm dell'altoparlante che vede il crossover.
La rete utilizza una semplice rete RC (resistore-condensatore) in parallelo con un driver dell'altoparlante per compensare l'impedenza, con il risultato che il crossover vede un'impedenza quasi piatta sulla gamma di risposta in frequenza.
Il resistore assicura che l'impedenza totale minima sia sempre rispettata mentre il condensatore lavora per diminuire il carico di ohm di crossover totale all'aumentare della frequenza.
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