Частотный преобразователь низких и высоких частот для сабвуфера

Хорошая и громкая музыка в салоне автомобиля – этого хотят многие автолюбители, особенно молодежь. Но существует некоторая проблема, далеко не каждая машина уже оборудована качественной аудиосистемой. Поэтому в этой статье мы постараемся в полной мере и доходчиво рассказать, как можно самостоятельно выполнить подключение сабвуфера к штатной магнитоле, к той, какая у вас уже имеется, установленная заводом изготовителя.

Правда хочется сразу оговориться. Что если вы решили сами выполнить всю работу и подключить активный сабвуфер, то ответственность будет лично на вас. Но не надо испытывать излишних страхов, если ваши руки могут держать отвертку и пассатижи, то подключение усилителя к штатной магнитоле, будет вам по силам.

Низкочастотная акустическая система предназначена для воспроизведения определённого участка звукового диапазона. Этот участок находится ближе к нижним границам зоны слышимости и составляет интервал от 20 до 100-200 Гц. Басовая колонка представляет собой прочный ящик, в котором установлены один или два мощных динамика.

Благодаря особенностям воспроизведения низких частот диффузоры имеют большой диаметр, а подвес обеспечивает сильную амплитуду качания звуковой катушки и диффузора. Для того чтобы на катушку низкочастотного громкоговорителя не попадали лишние частоты, на входе системы ставится пассивный или активный фильтр-кроссовер. Фильтр для сабвуфера можно купить или сделать своими руками.

Блок фильтров низкой частоты

ФНЧ срезает частоты, которые не нужны, передает на входной канал усилителя только низкочастотные колебания звуковой частоты. Многие фильтры срезают сигналы меньше 20 Гц и больше 200 Гц, при этом остается бас, который слышен из сабвуфера.

Базовые виды фильтров низких частот:

• Активный;
• Пассивный;

Фильтр пассивного вида включает в себя только резисторы и емкости.

Фильтры не имеют в составе компоненты усиления. Главное преимущество фильтра – это конструктивная простота, малое число компонентов.

Фильтры низких частот имеют негативную сторону. Проходящий через фильтр звук уменьшает громкость, и на выходе остается слабый сигнал, требующий усиления. Для усиления такого сигнала применяют усилитель, после которого сигнал идет на главный усилитель.

Фильтры пассивного вида производят первого порядка. Во втором каскаде фильтрации нет смысла, так как сигнал звука после него уменьшается в десятки раз.

Фильтры активного вида включают в себя пассивный фильтр и усилитель частот звука, который восполняет потери от фильтра, усиливает звук на выходе. ФНЧ можно изготовить с помощью одного транзистора. Фильтры изготавливаются на микросхемах, применяются усилители звука малой мощности.

Главное преимущество фильтра низкой частоты состоит в обеспечении высокого сигнала выхода, в регулировке частот необходимого интервала. Фильтры подключают к питанию. На главном трансформаторе создают обмотку питания фильтра.

Большое число радиодеталей, сложная схема являются вторым недостатком фильтров низкой частоты.

Предназначение

Рассматриваемое устройство предназначено для того, чтобы сделать звук более качественным, оно часто называется кроссовером.

Предназначение заключается в повышении эффективности воспроизведения требуемой частоты.

Поэтому низкокачественные динамики могут звучать намного лучше.

 

Различные НЧ-фильтры для сабвуфера устанавливаются для достижения хорошего качества звучания аудиосистемы. Поэтому есть необходимость в подборе наиболее подходящего изделия. Если в продаже не встречается подходящий кроссовер для саба, то его можно изготовить самостоятельно. Динамики автомобильной акустической системы могут снабжаться еще сумматором.

Активный фильтр низких частот (ФНЧ) для сабвуфера

Такой фильтр был изготовлен для мощного автомобильного сабвуфера. Представленная схема — активный фильтр низких частот, который срезает все ненужные полосы, оставляя только низкие. Затем сигнал усиливается и подается на вход сабвуферного усилителя. Именно благодаря такому НЧ фильтру головка играет на низких частотах, (в простонародье называют БАСС).

На плате помимо фильтра НЧ также присутствует сумматор, который предназначен для суммирования сигнала обеих каналов. На вход этого блока подается сигнал с двух каналов (стереофонический), поступая на сумматор, сигнал превращается в один единый, это дает возможность получить дополнительное усиление. После суммирования, сигнал фильтруется и срезаются частоты ниже 16Гц и выше 300Гц. Регулирующий фильтр срезает сигнал от 35Гц — 150Гц.

Таким образом, мы получаем низкочастотный сигнал с возможностью регулировки в указанных пределах. Также имеется фазовый регулятор, который дает возможность согласовать сабвуфер с акустикой автомобиля.

В ФНЧ схеме я применил только пленочные конденсаторы, говорят в усилителях они лучше керамики, но и с керамическими работает очень хорошо, разница не слишком большая.

Монтаж выполнен на печатной плате, которая была создана методом ЛУТ, травил раствором лимонной кислоты и перекиси водорода.

Такой сабвуфер питается от двухполярного источника питания (+/-15Вольт), поскольку работает совместно с мощным усилителем по схеме Ланзара. Если для питания усилителя и блока фильтров (как в моем случае) у вас только один источник питания, то блоку ФНЧ необходим двухполярный стабилизатор напряжения. Такой блок сумматора и фильтра низких частот может работать буквально с любыми усилителями мощности. Три регулятора, один из них предназначен для регулировки громкости, другой для среза низких частот, третий — регулятор плавной фазы (о чем было сказано выше).

В моем случае были куплены только микросхемы, все остальные пассивные компоненты были сняты из старых плат. Пленочные конденсаторы на входе ФНЧ были выпаяны от старого телевизора, одним словом затраты на такой блок минимальны, не более 3$, взамен можете гордится тем, что аналогичный блок фильтров используют в современных автоусилителях, цена которых порядка 400$.

Виды фильтров для низких частот (НЧ)

По реализации 

• Аналоговые схемы.
• Цифровые устройства.
• Программные фильтры.

По типу 

• Активный фильтр для сабвуфера (так называемый кроссовер, обязательный атрибут любого активного фильтра – дополнительный источник питания)
• Пассивный фильтр (такой фильтр для пассивного сабвуфера лишь отсеивает необходимые низкие часты в заданном диапазоне, не усиливая сигнала).

По крутизне спада 

• Первого порядка (6 дБ/октав.)
• Второго порядка (12 дБ/октав.)
• Третьего порядка (18 дБ/октав.)
• Четвертого порядка (24 дБ/октав.)

Основные характеристики фильтров: 

• Полоса пропускания (диапазон пропускаемых частот).
• Полоса задерживания (диапазон существенного подавления сигнала).
• Частота среза (переход между полосами пропускания и задерживания происходит. нелинейно. Частота, на которой пропускаемый сигнал ослабляется на 3 дБ, называется частотой среза).

Дополнительные параметры оценки фильтров акустических сигналов: 

• Крутизна спада АХЧ (Амплитудно-Частотная Характеристика сигнала).
• Неравномерность в полосе пропускания.
• Резонансная частота.
• Добротность.

Линейные фильтры электронных сигналов различаются между собой по типу кривых (зависимости показателей) АЧХ.

Разновидности таких фильтров чаще всего называются по фамилиям ученых, выявившим эти закономерности: 

• Фильтр Баттерворта (гладкая АЧХ в полосе пропускания),
• Фильтр Бесселя (характерна гладкая групповая задержка),
• Фильтр Чебышёва (крутой спад АЧХ),
• Эллиптический фильтр (пульсации АЧХ в полосах пропускания и подавления),

И другие.

Простейший НЧ фильтр для сабвуфера второго порядка выглядит следующим образом: последовательно подключенная к динамику индуктивность (катушка) и параллельно – емкость (конденсатор). Это так называемый LC-фильтр (L — обозначение индуктивности на электрических схемах, а C – емкости).

Принцип работы заключается в следующем: 

1. Сопротивление индуктивности прямо пропорционально частоте и поэтому катушка пропускает низкие частоты и задерживает высокие (чем выше частота, тем выше сопротивление индуктивности).
2. Сопротивление емкости обратно пропорционально частоте сигнала и поэтому высокочастотные колебания затухают на входе динамика.

Такой тип фильтров – пассивный. Более сложные в реализации – активные фильтры.

Основные определения

Амплитудно-частотная (АЧХ) — указывает изменение амплитуды сигнала, в зависимости от его частоты. На одной она может быть равна на входе и выходе. При другой будет уменьшать амплитуду входного сигнала.

Частота среза — частота, при которой исходящие колебания падают до 0.7 от входящих.

Крутизна частотной характеристики — при перемене АЧХ на выходе указывает резкость изменения исходящего сигнала. При этом лучше, когда это уменьшение происходит быстрее.

Фильтры представляют собой электрические цепи. В состав может входить один или несколько элементов, которые имеют разное сопротивление. Существуют различные схемы и устройство фильтров низких частот.

Для звукового сигнала изменение сопротивления этих фильтров зависит от его частоты и называется реактивным. Им наделены катушки индуктивности и конденсаторы, благодаря чему из них производят фильтры различных частот.

Они являются обязательная деталью усилителей. В основном их ставят около электрической катушки.

Показатель полосы пропускания — один из их главных характеристик.

Низкочастотные часто используют при изготовлении сабвуферов, где они изменяют волны высоких частот.

Фильтр – сумматор для сабвуфера, схема

При сборке усилителей для автомобилей на микросхемах TDA 7293 или TDA 7294 иногда возникает необходимость в компактом блоке фильтра, желательно чтобы был простым и понятным, а также имел нормальные характеристики и являлся одновременно сумматором. Именно в этой статье и предоставляю такую поделку и схему.

Схема фильтра для сабвуфера показана на рисунке. Работает он на основе двух операционных усилителей U1-U2 (NE5532). Первый из них отвечает за суммирование и фильтрацию сигнала, в то время как второй обеспечивает его кэширование.

Принципиальная схема ФНЧ к сабу

Стереофонический входной сигнал подается на разъем GP1, а дальше через конденсаторы C1 (470nF) и C2 (470nF), резистора R3 (100k) и R4 (100k) попадает на инвертирующий вход усилителя U1A. На этом элементе реализован сумматор сигнала с регулируемым коэффициентом усиления, собранный по классической схеме. Резистор R6 (27k) вместе с P1 (50k) позволяют провести регулировку усиления в диапазоне от 0.5 до 1.5, что позволит подобрать усиления сабвуфера в целом.

Резистор R9 (100k) улучшает стабильность работы усилителя U1A и обеспечивает его хорошую поляризацию в случае отсутствия входного сигнала.

Сигнал с выхода усилителя попадает на активный фильтр нижних частот второго порядка, построенный U1B. Это типичная архитектура Sallen-Key, которая позволяет получить фильтры с разной крутизной и амплитудной. На форму этой характеристики напрямую влияют конденсаторы C8 (22nF), C9 (22nF) и резисторы R10 (22k), R13 (22k) и потенциометр P2 (100k). Логарифмическая шкала потенциометра позволяет добиться линейного изменения граничной частоты во время вращения ручки. Широкий диапазон частот (до 260 Гц) достигается при крайнем левом положении потенциометра P2, поворачивая вправо вызываем сужения полосы частот до 50 Гц. На рисунке далее показана измеренная амплитудная характеристика всей схемы для двух крайних и среднего положения потенциометра P2. В каждом из случаев потенциометр P1 был установлен в среднем положении, обеспечивающим усиление 1 (0 дб).

Полезное: Схема многоканального пульта дистанционного управления по кабелю или радиоканалу

Сигнал с выхода фильтра обрабатывается с помощью усилителя U2. Элементы C16 (10pF) и R17 (56k) обеспечивают стабильную работу м/с U2A. Резисторы R15-R16 (56k) определяют усиление U2B, а C15 (10pF) повышает его стабильность. На обоих выходах схемы используются фильтры, состоящие из элементов R18-R19 (100 Ом), C17-C18 (10uF/50V) и R20-R21 (100k), через которые сигналы поступают на выходной разъем GP3. Благодаря такой конструкции, на выходе мы получаем два сигнала сдвинутых по фазе на 180 градусов, что позволяет осуществлять прямое подключение двух усилителей и усилителя с мостовой схемой.

В фильтре используется простой блок питания с двухполярным напряжением, основанный на стабилитронах D1 (BZX55-C16V), D2 (BZX55-C16V) и двух транзисторах T1 (BD140) и T2 (BD139). Резисторы R2 (4,7k) и R8 (4,7k) представляют собой ограничители тока стабилитронов, и были подобраны таким образом, чтобы при минимальном напряжении питания ток составлял около 1 мА, а при максимальном был безопасен для D1 и D2.

Элементы R5 (510 Ом), C4 (47uF/25V), R7 (510 Ом), C6 (47uF/25V) представляют собой простые фильтры сглаживания напряжения на базах T1 и T2. Резисторы R1 (10 Ом), R11 (10 Ом) и конденсаторы C3 (100uF/25V), C7 (100uF/25V) представляют собой также фильтр напряжения питания. Разъем питания — GP2.

Что такое сумматор

В общем смысле слова, сумматор — это какое-либо устройство, которое что-либо суммирует и выдает на выходе сумму этих воздействий. Сумматор можно представить в виде какого-либо неизвестного нам ящика, на который поступает входные воздействия и на выходе такого ящика выдается их сумма.

В электронике сумматоры делятся на две группы:

• сумматоры аналоговых сигналов
• сумматоры цифровых сигналов

В этой статье мы будем разбирать аналоговые сумматоры.

Как сделать своими руками

Проще всего изготовить пассивный фильтр низких частот. Это связано с тем, что он изготавливается при применении всего нескольких элементов. Среди особенностей проведения работы своими руками отметим следующее:

• Проводятся подробные расчеты. Повысить удобство можно путем применения специальных калькуляторов, с помощью которых проводится расчет параметров основных элементов изделия.
• Выбирается наиболее подходящая схема. Она предусматривает применение специального разделителя, который изготавливается в виде сумматора. Качественного звука в этом случае не достигнуть, но устройство прослужит долго.

Простой фильтр для 2-полосного усилителя собрать просто. Инструкция по проведению работы следующая:

1. Подается сигнал на вход операционного усилителя.
2. Подается сигнал на МС2.
3. С выхода ФНЧ переводится сигнал на МС2.
4. Блок стабилизации напряжения создается на основе резистора, конденсатора и стабилизатора.
5. При напряжении питания менее 15В из схемы исключается резистор R11. На компонентах R1, R2, C1, C2 собирается сумматор входного сигнала. Этот элемент отключается в том случае, если подается моносигнал. Подключение источника сигнала проводится напрямую ко второму контакту.
6. Конденсатор C7 предназначается для фильтрации выходного сигнала. Регулятор сигнала основан на R9, R10, C8.
7. Для получения устройства потребуется печатная плата. Изготовить ее можно самостоятельно из стеклотекстиля, рекомендуемые размеры листа 2 на 4 см.
8. Поверхность шлифуется до блеска, после чего обезжиривается. Распечатанный рисунок схемы переносится на поверхность.
9. Выполняется травлене при применении специального состава. Лишняя медь растворяется, после чего поверхность промывается чистой водой.

Для соединения отдельных элементов проводится пайка. При правильной сборке схемы она должна заработать сразу, при этом дополнительная настройка не требуется. Если звука нет, то придется проверить надежность всех соединений. При работе есть вероятность повреждения основных элементов.

Процесс изготовления

Чтобы изготовить простейший фильтр низких частот своими руками стоит использовать магнитную сетку. Ее стоит разместить после резисторов. Преселектор выступает проводником. Тип конденсатора будет влиять на перехват сигнала.

Последнее время наибольшее распространение получили полевые модели. Они дают возможность оказывать влияние на коротковолновые импульсы, оказывая на них стабилизирующее действие.

Осуществление расчетов

Их выполняют, учитывая частоту среза и коэффициент передачи постоянного сигнала. При изготовлении активных фильтров учитывают емкость конденсаторов.

Отдельно рассчитывают передаточную функцию. Коэффициент постоянного сигнала будет положительным, если частота входящего сигнала выше первоначальных характеристик.

Активный фильтр

Большое широкое распространение получил активный фильтр сабвуфера. Подобная схема обладает следующими особенностями:

• Активный элемент не нагружает акустическую систему.
• Входной сигнал фильтруется. За счет этого есть возможность устранить шумы.
• При правильном подходе можно гибко настроить усилитель.
• Исходный спектр часто разделяется на несколько каналов. Схема активного фильтра позволяет выбрать низкие и средние, высокие частоты.

Изготовить самостоятельно активный фильтр можно, для этого не требуется специальное оборудование.

Активный фильтр для сабвуфера своими руками

По сравнению с пассивными конструкциями, активные схемы выравнивают амплитудно- частотную характеристику низкочастотного сигнала, корректируя пики и спады, негативно влияющие на прослушивание музыки. Простой фильтр для сабвуфера своими руками можно сделать на малошумящем операционном усилителе.

Схема фильтра НЧ для сабвуфера, сделанного своими руками, состоит из двух операционных усилителей и небольшого числа дискретных элементов. В качестве основного элемента используется интегральная микросхема LM324, которая содержит четыре операционных усилителя с однополярным питанием, что особенно удобно, если сабвуфер будет использоваться в автомобиле. Активное устройство обеспечивает подавление высокочастотной части звукового диапазона, начиная с 120 Гц. Существует много схем разного уровня сложности, которые сделаны на микросхемах или транзисторах. Интегральные схемы требуют меньшего количества деталей и не критичны к изменению напряжения питания.

Более качественную схему можно сделать на специализированной микросхеме РТ2351. Сигналы с выходов стереофонического усилителя поступают на входные каскады, микшируются и поступают на активный блок подавления низких частот. Точка начала подавления высокочастотной части спектра определяется величиной конденсаторов С3 и С7. Буферный каскад позволяет подключать устройство непосредственно к акустической системе.

Сигнал с двух каналов стереофонического усилителя через RCцепочки поступает на соответствующие входы интегральной микросхемы. Благодаря стабилизатору микросхему можно питать от любого однополярного источника постоянного тока напряжением до 20 вольт. Порог среза активного устройства составляет примерно 70 Гц. Для некоторых акустических систем эта величина подавления может быть слишком низкой. Для величины подавления 200 Гц номиналы конденсаторов должны быть следующими:

• С1 – 0,47 мкф
• С2 – 0,47 мкф
• С3 – 0,047 мкф
• С7 – 0, 068 мкф

Активный блок ограничения высокочастотной части звукового диапазонаможет использоваться как для домашнего звукового комплекса, так и в автомобиле. Недостатком данной схемы можно считать отсутствие плавной регулировки полосы пропускания, но для работы звукового комплекса это не так важно.

Пассивный фильтр

Пассивное устройство проще в изготовлении, но обладает менее привлекательными характеристиками. Его особенности заключаются в следующем:

• Предназначено для отсеивания низких частот в заданном диапазоне.
• Не усиливает сигнал.

В продаже встречается большое количество пассивных фильтров. Они могут прослужить в течение длительного периода и имеют относительно небольшие размеры.

Пассивный фильтр НЧ для сабвуфера схема

Пассивный фильтр НЧ для сабвуфера своими руками можно сделать за короткое время. Схема не содержит дефицитных деталей и правильно собранная не требует настройки. Простой фильтр низких частот для сабвуфера состоит всего из двух деталей. Это катушка индуктивности и конденсатор. Для того чтобы определить электрические величины этих элементов лучше всего воспользоваться онлайн калькулятором. Для этого нужно набрать в строке поиска «Расчёт LC-фильтров. Онлайн калькулятор». Далее в окне нужно найти следующую таблицу.

Здесь достаточно указать нужную частоту среза, сопротивление нагрузки и нажать «Вычислить». Например, при сопротивлении динамика 4 Ома и частоте среза 220 Гц калькулятор выдаст ёмкость конденсатора в 255,7 микрофарад, а индуктивность 4,09 миллигенри. При сопротивлении головки 8 ом и подавлении «верхов» начиная с 250 Гц, данные будут 112,5 мкф и 7,2 мГн. Сделать фильтр низких частот для сабвуфера можно на простой печатной плате или использовать пластину из текстолита с контактными площадками.

В качестве конденсаторов используется ёмкость ближайшая по номиналу. В фильтре частот для сабвуфера можно использовать электролитические конденсаторы, но лучше поставить бумажные типа «МБГО», К73-16 или специально предназначенные для акустических систем полипропиленовые ёмкости К78-34. Для получения нужного номинала конденсаторы можно соединять параллельно. Катушки индуктивности можно купить готовые или намотать самостоятельно.

Аналоговый сумматор

Думаю, все из вас помнят осциллограмму постоянного напряжения

Если, допустим, цена нашего квадратика 1 В, то на данной картинке мы видим постоянное напряжение амплитудой в 1 В. Суммировать постоянное напряжение — одно удовольствие. Для этого достаточно сложить амплитуды этих сигналов в любой момент времени.

На рисунке ниже мы видим два сигнала A и B и сумму этих сигналов: A+B. Если сигнал A = 2 В, сигнал B = 1 В, то сумма этих сигналов составит 3 В.

Все то же самое касается и сигналов с отрицательной полярностью

Как вы видите, при сложении сигналов с равной амплитудой, но разной полярности, мы в сумме получаем 0. То есть эти два сигнала взаимно себя скомпенсировали: 1 +(-1)=0. Все становится намного веселее, если мы начинаем складывать сигналы, которые меняются во времени, то есть переменные сигналы. Они могут быть как периодические, так и непериодические.

Давайте для начала рассмотрим самый простой пример. Пусть у нас будут два синусоидальных сигнала с одинаковыми амплитудами, частотами и фазами. Подадим их на сумматор. Что получится в итоге?

Получим синусоиду с амплитудой в два раза больше. Как вообще она получилась? Вычисления производятся довольно просто. Каждая точка синусоиды A+B — это сложение точек в одинаковый момент времени синусоид А и B. Для наглядности мы взяли 3 точки: t1 , t2 и t3 .

Как вы видите, в момент времени t1 у нас амплитуда сигнала А была равна 1 В, амплитуда сигнала В тоже 1 В. В сумме их результат в момент времени t1 будет равен 2 В, что мы и видим на сигнале A+B. В момент времени t2 амплитуда сигнала A была 0 В, амплитуда сигнала В тоже 0 В. Как нетрудно догадаться, 0+0=0, что мы и видим на сигнале A+B в момент времени t2 . Ну а в момент времени t3 амплитуда сигнала А = -1 В, амплитуда сигнала В = -1 В, в результате их сумма -1+(-1) = — 2 В, что мы как раз и видим на синусоиде А+B в момент времени t3 . Отсюда напрашивается вывод: для сложения сигналов надо суммировать амплитуды сигналов в одинаковые моменты времени.

А давайте сместим фазу одного из сигналов на 180 градусов, относительно другого, но при этом амплитуды и частоты сигналов оставим без изменения. Про такие сигналы говорят, что они находятся в противофазе. Как думаете, чему будет равняться их сумма? Долго не думая, смещаем второй сигнал на 180 градусов и суммируем их амплитуды в каждый момент времени. Нетрудно догадаться, что их сумма будет равняться нулю, что мы и видим на рисунке ниже.

Сборка

Давайте рассмотрим инструкцию как правильно сделать простой фильтр

Для начала следует отшлифовать стеклотекстолит наждачной бумагой и обезжирить. На него способом ЛУТ перенести рисунок платы.

Возможно потребуется дорисовать лаком дорожки.

Из лимонной кислоты и перекиси водорода (1:3) готовят раствор для травления. В качестве катализатора используется щепотка соли.