Розділові фільтри трисмугових громкоговорителів

З метою зменшення інтермодуляційних спотворень під час відтворення звуку динаміки системи Hi-Fi складаються з низькочастотних, середньочастотних і високочастотних динамічних головок. Їх підключають до виходів підсилювачів через розділові фільтри, які є комбінаціями LC фільтрів нижніх і верхніх частот.

Нижче наведена методика розрахунку трьохполосного розділового фільтра за найбільш поширеною схемою.

Частотна характеристика розділового фільтра трьохполосного динаміка в загальному вигляді показана на рис. 1. Тут: N - відносний рівень напруги на звукових котушках головок; fн і fв - нижня та верхня граничні частоти, що відтворюються динаміком; fр1 і fр2 - частоти розділу.

В ідеальному випадку вихідна потужність на частотах розділу повинна розподілятися порівну між двома головками. Це умова виконується, якщо на частоті розділу відносний рівень напруги, що подається на відповідну головку, знижується на 3 дБ порівняно з рівнем у середній частині її робочої смуги частот.

Частоти розділу слід вибирати поза областю найбільшої чутливості вуха (1... 3 кГц). При невиконанні цієї умови, через різницю фаз коливань, що випромінюються двома головками на частоті розділу одночасно, може бути помітно "роздвоєння" звуку. Перша частота розділу зазвичай лежить в інтервалі частот 400... 800 Гц, а друга - 4... 6 кГц. При цьому низькочастотна головка відтворює частоти в діапазоні fн...fp1, середньочастотна - в діапазоні fp1... fр2, а високочастотна - в діапазоні fр2...fв.

Один з поширених варіантів електричної принципової схеми трьохполосного динаміка наведений на рис. 2. Тут: B1 - низькочастотна динамічна головка, підключена до виходу підсилювача через фільтр нижніх частот L1C1; В2 - середньочастотна головка, з'єднана з виходом підсилювача через смуговий фільтр, утворений фільтрами верхніх частот C2L3 і нижніх частот L2C3. На високочастотну головку В3 сигнал подається через фільтри верхніх частот C2L3 і C4L4.

Розрахунок ємностей конденсаторів і індуктивностей котушок проводять виходячи з номінального опору головок динаміка. Оскільки номінальні опори головок і номінальні ємності конденсаторів утворюють ряди дискретних значень, а частоти розділу можуть варіюватися в широких межах, то розрахунок зручно проводити в такій послідовності. Задавшись номінальним опором головок, підбирають ємності конденсаторів з ряду номінальних ємностей (або загальну ємність кількох конденсаторів з цього ряду) такими, щоб отримана частота розділу потрапляла в зазначені вище частотні інтервали.

В розділових фільтрах зазвичай використовують метало-паперові конденсатори типів МБГО, МБГП і МБМ з допустимим відхиленням від номінальної ємності не більше ± 10%. Найбільш підходящі для використання в фільтрах типо-номінали конденсаторів наведені в табл 1.

Ємності конденсаторів фільтрів С1...С4 для різних опорів головок і відповідні значення частот розділу наведені в табл 2.

Легко бачити, що всі значення ємностей можуть бути або безпосередньо взяті з номінального ряду ємностей, або отримані паралельним з'єднанням не більше ніж двох конденсаторів (див. табл. 1).

Після того як ємності конденсаторів вибрані, визначають індуктивності котушок в мілігенрі за формулами:

В обох формулах: Zг-в ома; fp1, fр2 - в герцах.

Оскільки повне опір головки є частотно залежною величиною, для розрахунку зазвичай приймають зазначене в паспорті головки номінальне опір Zг, воно відповідає мінімальному значенню повного опору головки в діапазоні частот вище частоти основного резонансу до верхньої граничної частоти робочої смуги. При цьому треба мати на увазі, що фактичне номінальне опір різних зразків головок одного і того ж типу може відрізнятися від паспортного значення на ±20%.

В деяких випадках радіолюбителям доводиться використовувати в якості високочастотних головок наявні динамічні головки з номінальним опором, що відрізняється від номінальних опорів низькочастотної та високочастотної головок. При цьому узгодження опорів здійснюють, підключаючи високочастотну головку В3 і конденсатор С4 до різних виводів котушки L4 (рис. 2), тобто ця котушка фільтра одночасно виконує роль узгоджуючого автотрансформатора. Котушки можна намотати на круглих дерев'яних, пластикових або картонних каркасах з щічками з гетинаксу. Нижню щічку слід зробити квадратною; так її зручно кріпити до основи - гетинакової плати, на якій закріплюють конденсатори і котушки. Плату кріплять шурупами до дна ящика динаміка. Для уникнення додаткових нелінійних спотворень котушки мають виконуватися без сердечників з магнітних матеріалів.

Приклад розрахунку фільтра

В якості низькочастотної головки динаміка використовується динамічна головка 6ГД-2, номінальне опір якої Zг=8 Ом. в якості середньочастотної - 4ГД-4 з таким же значенням Zг і в якості високочастотної - ЗГД-15, для якої Zг=6,5 Ом. Згідно табл. 2 при Zг=8 Ом і ємності С1=С2=20 мкф fp1=700 Гц, а при ємності С3=С4=3 мкф fр2=4,8 кГц. В фільтрі можна застосувати конденсатори МБГО зі стандартними ємностями (С3 і С4 складають з двох конденсаторів).

По наведеним вище формулам знаходимо: L1=L3=2,56 мГ; L2=L4=0,375 мГ (для автотрансформатора L4 - це значення індуктивності між виводами 1-3).

Коефіцієнт трансформації автотрансформатора

На рис. 3 показана залежність рівня напруги на звукових котушках головок від частоти для трьохполосної системи, що відповідає прикладу розрахунку. Амплітудно-частотні характеристики низькочастотної, середньочастотної та високочастотної областей фільтра позначені відповідно НЧ, СЧ і ВЧ. На частотах розділу загасання фільтра дорівнює 3,5 дБ (при рекомендованому загасанні 3 дБ).

рис. 3

Відхилення пояснюється відмінністю повних опорів головок та ємностей конденсаторів від заданих (номінальних) значень і індуктивностей котушок від отриманих розрахунком. Крутість спаду кривих НЧ і СЧ складає 9 дБ на октаву і кривої ВЧ - 11 дБ на октаву. Крива ВЧ відповідає несогласованому включенню динаміка 1 ГД-3 (в точці 1-3). Як видно, в цьому випадку фільтр вносить додаткові частотні спотворення.

Примітка редакція. У наведеній методиці розрахунку прийнято, що середній звуковий тиск при одній і тій же підводимої електричної потужності для всіх головок має приблизно однакове значення. Якщо ж звуковий тиск, що створюється якою-небудь головкою, помітно більше, то для вирівнювання частотної характеристики динаміка за звуковим тиском цю головку рекомендується підключати до фільтра через дільник напруги, вхідний опір якого має бути рівним прийнятому при розрахунку номінальному опору головок.

(РАДІО N 9, 1977 р., с.37-38)