Filtro Cross-over

 

I filtri cross-over si sudiano sui libri ma anche e soprattutto osservando le realizzazioni degli altri. La rivista Audio Review da anni pubblica lo schema dei filtri dei diffusori acustici. In passato lo faceva anche SUONO.

 

dispositivo attivo o passivo utilizzato per selezionare le bande di frequenza da inviare ai diversi altoparlanti specializzati di un diffusore acustico a due o più vie. Normalmente i cross-over passivi sono sistemati all’interno del cabinet, raramente all’esterno. Il filtro cross-over è diviso in sezioni. Per un sistema a tre vie:

 

tipo

Frequenza limite (indicativa)

Funzione

Passa basso

<200

Invia le basse frequenze al woofer

Passa banda

200-2000

Invia le frequenze medie al midrange

Passo alto

> 2000

Invia le frequenze acute al tweeter

 

Il filtro cross-over esegue tre funzioni: equalizzazione del livello, equalizzazione della risposta, filtraggio (limitazione di banda).

L’equalizzazione del livello è necessaria per equiparare la diversa sensibilità (per esempio) di woofer e tweeter. L’equalizzazione compensa l’andamento della risposta degli altoparlanti per ottenere una risposta in frequenza ragionevolmente piatta. La funzione di filtro limita la banda passante in modo che ogni altoparlante riproduca il range di frequenze che gli compete. La fase relativa tra i diversi altoparlanti può essere ottimizzata :

  

Ottimizzando la risposta impulsiva nel tempo

In modo meccanico

sfalsando i piani degli altoparlanti o inclinando il pannello frontale

Ottimizzando la risposta in frequenza in regime stazionario

In modo elettrico

Scegliendo opportunamente l’ordine dei filtri o introducendo un ritardo con delle celle All-Pass

 

Il modo più semplice per verificare se due altoparlanti sono correttamente in fase all’incrocio è il seguente:

-          si progettano i filtri in modo che l’attenuazione alla frequenza di incrocio sia di 6 dB

-          si misura la risposta complessiva del filtro

-          se la sovrapposizione delle risposte dei due altoparlanti all’incrocio risulta essere di 0 dB significa che la pressione si è sommata con differenza di fase nulla e gli altoparlanti sono in fase (almeno in un intorno della frequenza di incrocio ed in regime stazionario)

-          Si inverte la fase di uno dei due altoparlanti e si ripeta la msura, ora all’incrocio si deve misurare un profondo “buco” che indica l’interferenza distruttiva tra le due sorgenti.

 

Questo indica quello che succde in regime stazionario e, se la frequenza di taglio è posta sotto u 250Hz o oltre i 2500 Hz può essere sufficiente. Comunque per verificare se l’allineamento è corretto anche nel tempo masta misurare con un metro la distanza tra i centri acustici dgli altoparlanti (per esempio la distanza tra la cupoletta del tweeter e la cupoletta parapolvere del woofer(o del medio). Se la differenza tra queste due distanza è minore di un quarto della lunghezza d’onda del suono alla frequenza di incrocio si può considerare che anche l’allineamento temporale sia soddisfatto. Per esempio se la frequenza di cross-over è fissata a 200 Hz (lunghezza d’onda = 1.72 metri) se la differenza di distanza dei centri acustici è minore di 21 centimetri le sorgenti possono considerarsi temporalmente allineate.

Se la frequenza di cross-over è fissata a 2000 Hz (lunghezza d’onda = 17.2 centimetri) se la differenza di distanza dei centri acustici è minore di 21 millimetri le sorgenti possono considerarsi temporalmente allineate. Non è necessario essere estremamente precisi perché il punto di ascolto è variabile: basta che l’ascoltatore inclini o ruoti la testa per alterare le cndizioni geometriche in modo significativo.

 

Dato che raramente il cross-over si limita alla sola funzione di filtro è ben raro poter applicare la teorica canonica dei filtri: ogni situazione richiede una soluzione ad hoc che, tra l’altro, deve tenere conto anche dei costi e dell’impedenza del diffusore. Va tenuto presente che i componenti passivi:

 

introducono distorsione

Meno sono e meglio è

hanno delle tolleranze

Più sono basse e meglio è (i filtri dei canali destro e sinistro devono essere uguali

soffrono la temperatura

Vanno dimensionati in modo opportuno per sopportare le tensioni e le potenze in gioco

 

I componenti più critici sono le induttanze di valore superiore a 3 mH ed i condensatori di valore superiore a 47uF (ovvero i valori più alti). I condensatori sono anche i componenti con le tolleranze maggiori.

La struttura in cascata, in linea di principio, è preferibile ma non consente la multi-amplificazione. La configurazione con le sezioni indipendenti (e masse separate) consente multi-wiring e multi-amplificazione.

 

Dal punto di vista delle funzioni ottenibili, nel caso ideale, le configurazioni in serie o in parallelo sono equivalenti.

Questo schema illustra una serie di configurazioni di cross-over del primo e secondo ordine in versione serie e parallelo. In tutti gli esempi la massa è in comune. I valori sono calcolati per un carico resistivo puro uguale per tutte le sezioni. Tabelle come questa vanno utilizzate come punto di partenza e per ottenere l’ordine di grandezza dei componenti da utilizzare. Nella configurazione parallelo le nasse delle diverse sezioni possono essere separate e si possono scegliere le frequenza di passa alto, passa basso e bassa banda in modo indipendente. Nel filtro serie le masse non possono essere separate (non consente la biamplificazione) e le frequenze di taglio sono interdipendenti e fortemente dipendenti dall’impedenza degli altoparlanti impiegati. Il filtro serie è particolarmente sensibile alla impedenza elettrica degli altoparlanti e richiede la compensazione dell’impedenza. Per il woofer la cosa si risolve con una rete RC in parallelo. Per un medio o un tweeter è necessario compensare la frequenza di risonanza fondamentale e questo richiede una rete RLC serie. In sostanza per compensare l’impedenza di un filtro a due vie servono 7 componenti (due reti RC e una RLC). Una delle migliori applicazioni del filtro serie si trova nei diffusori Cisek III. L’impedenza complessiva dei filtri, sia serie che parallelo, dipende dalla particolare scelta dei componenti. In linea di principio se gli altoparlanti devono essere attenuati nell’intorno della frequenza di transizione, il filtro parallelo fornisce una impedenza più alta rispetto al filtro serie. I filtri parallelo sono largamente usati perché consentono di scegliere le frequenze di taglio in modo indipendente per le diverse vie consentendo così di ottenere tre funzioni: equiparazione dei livelli, equalizzazione della risposta, taglio.

 

 

Filtri passivi in configurazione parallelo, come sopra ma più chiaro

 

E’ possibile realizzare filtri con sezioni in serie inseriti in sezioni in parallelo (vedasi Dalhquist DQ10).

Nella realizzazione dei filtri si deve anche considerare il fattore di smorzamento visto dall’altoparlante che deve essere il più basso possibile. Questo si ottiene collegando un induttanza direttamente in parallelo ai morsetti del tweeter ed un condensatore direttamente ai morsetti del woofer. Anche i resistori devono essere opportunamente posizionati.

 

Questo è un filtro cross-over che non tiene conto del fattore di smorzamento visto dai singoli altoparlanti.

Questo è un filtro progettato per massimizzare il fattore di smorzamento degli altoparlanti. Si notino le bobine in parallelo a tweeter e mid ed il condensatore in parallelo al woofer.

I miglior fattore di smorzamento si ottiene con filtri parallelo di ordine pari (dispari di tipo serie)

 

 

In questo filtro (Audio Review n. 323)

il passa alto del midrange è stato ottenuto come differenza di due funzioni passa basso.

Il costruttore dice che non ci sono condensatori in serie al segnale. A parte il filtro del tweeter (in origine del 6° ordine)

almeno un condensatore in serie al segnale rimane sempre. Questo filtro non è classificabile né come tipo serie né come tipo parallelo.

L’incrocio tra woofer e medio richiede 11 componenti. Sarebbe stato meglio cercare un woofer ed un medio con caratteristiche diverse.

 

 

 

Topologia DiAural (brevettata).

in pratica si tratta della normale configurazione serie senza i condensatori. il woofer subisce un filtraggio passa basso (polo-zero) molto blando.

Medio e tweeter sono soggetti a un passa alto del primo ordine.

 

 

 

 

Fig.B Conventional first-order high-pass crossover filter (top) vs "Sine-Cap" filter (bottom).

Fig.A High-pass filter slopes: theoretical 6dB/octave (dotted/dashed); "Sine-Cap" resistor/inductor filter (solid); and conventional capacitor filter (dashed).

by Martin Colloms • Posted: Jun 7, 1995 

 

In the case of the Extrema, the series resistor for the treble section is typically 20 ohms. This provides the required source impedance for the crossover inductor, and also correctly attenuates the treble unit by the required 4dB or so. Yet with the Extrema's nominal 8 ohm drivers, the total system impedance does not fall below a 4 ohm minimum—it is nominally a 5 ohm-rated design. Fig.C shows the high-pass filter's impedance curves, both for a normal crossover with a series capacitor (upper trace) and for Sonus Faber's "Sine Cap," parallel inductor case (lower trace). The former's variations are normal and show a typical 8 ohm system, one without that 20 ohm power in parallel over most of the range.

 

Fig.C Sonus Faber Extrema, electrical impedance with "Sine-Cap" crossover (solid) and conventional crossover (dotted). (5 ohms/vertical div.)

Alla fine la sezione del woofer viene a trovarsi una resistenza in parallelo che “regolarizza” l’impedenza abbassandola considerevolmente.

Il filtro Sine Cap provoca un consistente aumento dell’assorbimento di corrente e costringe ad utilizzare un amplificatore più potente e anche se deve lavorare su un carico “facile”. Era meglio utilizzare un filtro del secondo ordine con condensatori di qualità.

 

Effetto del filtro (una induttanza da 6 mH + 1ohm in serie) sulla risposta in frequenza di un woofer. A causa della bobina in serie l’estensione verso le base frequenze si riduce ed aumenta il Qt (sorge un picco a 70 Hz). Per recuperare l’estensione si deve aumentare il volume. L’allineamento alle basse frequenze va sempre calcolato tenendo conto del filtro.Questo, con i filtri attivi non avviene quindi il filtro attivo consente una maggiore estensione a parità di volume, meno perdite, miglior fattore di smorzamento, la riduzione della distorsione di intermodulazione…e sono tutti vantaggi notevoli ai quali si sommano la possibilità di applicare equalizzazione di qualsiasi sorta.

Per amplificare un woofer è sufficiente un amplificatore in classe D (la banda passante è limitata, lo slew rate dei segnali filtrati passa basso è molto basso, l’eventuale distorsione non sporca la gamma media).