ФНЧ или фильтр низкой частоты – предназначен для того, чтобы срезать ненужные частоты с динамика. Кроссоверы в акустических системах нужны, так как каждый динамик качественно может играть лишь небольшой диапазон частот. К примеру, сабвуфер, может воспроизводить только низкие частоты. С возрастанием частоты отдача динамика падает, а количество искажений, наоборот, возрастает. Можно ли собрать фильтр для сабвуфера своими руками?
Рассмотрим один из множества вариантов создания фильтра для сабвуферного динамика. Для этого вам не понадобятся большие финансовые затраты и тяжелый труд. Самый дорогой элемент — это микросхема BA4558. Ее стоимость составляет около 20 рублей. Поэтому почти каждый любитель музыки и специалист по проектированию и сборке акустических систем, может позволить себе собрать такой ФНЧ. Помимо электрических элементов, вам понадобится паяльник и все соответствующие расходные материалы. Если вы не обладаете этими инструментами, можно в любой момент обратиться к знакомому радиолюбителю.
Фильтры сигнала делятся на два типа:
- активные;
- пассивные.
Отличием активных от пассивных является активный элемент (микросхема, транзистор, лампа). В пассивных кроссоверах данный элемент отсутствует.
После того, как у вас появился сабвуфер, встает вопрос – как обеспечить фильтрацию сигнала? Можно использовать пассивный фильтр первого или второго порядка, но у этого варианта есть минус. На выходе у них сигнал до сотен раз ослаблен, а этого недостаточно для полноценной качественной игры сабвуферного динамика. Тогда на помощь приходят простые схемы, выполненные на паре транзисторов. Однако и этот вариант не обделен недостатками. Самым лучшим вариантом является фильтр на схеме с применением сдвоенного малошумящего операционного усилителя, это микросхема BA4558. Она обладает большим количеством названий, поэтому ориентироваться надо не по буквенному обозначению, а по цифрам.
Схемотехника
Схема фильтра очень простая и не габаритная. Микросхему можно найти в старом плеере или любой другой аудиотехнике. Также она часто встречается в SMD корпусах. Фильтр, построенный на микросхеме BA4558, обеспечивает хорошую фильтрацию. Частоту можно подобрать для любого динамика или системы. Еще одной особенностью является сумматор, который позволяет использовать кроссовер как с однополярными усилителями, так и с мощными двухполярными. На выходе получаем большой номинал выходного сигнала, а этого хватит для раскачки динамика от такого усилителя как Lanzar.
Питание обеспечивается 15 – 60 В. Все зависит от токоограничивающего резистора, применяемого в схеме. Мощность такого резистора должна составлять 1 Ватт.
Узел стабилизации построен на одном стабилитроне, который должен обладать номиналом от 1 до 12 Вольт. Мощность желательно выбрать также 1 Ватт. Сглаживающий конденсатор лучше выбрать с емкостью 100 – 220 мкФ.
Перейдем к самой схеме фильтра. Входной сигнал через ограничительный резистор и разделительные конденсаторы электролитического типа. Емкость должна быть от 4.7 до 22 мкФ. Напряжение от 10 до 25 Вольт. Номинал выходного сигнала легко регулируется при помощи переменного резистора на 50 кОм. После этого следует выход. Несложно догадаться, что фильтр один. Это связано с тем, что он предназначен для сабвуфера. Стереоканалы суммируются и подаются на один выход. С такими номиналами, которые указаны выше, срез частоты получается в районе 100 Гц. Такой фильтр срезает исключительно все частоты выше 100 Гц, а все частоты ниже этого порога оставляет. Другими словами, наши уши будут слышать практически чистый бас.
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 собрана всего на одном биполярном, маломощном транзисторе. Можно конечно использовать для сабвуфера и пассивный фильтр, например всего из одного фильтра LC, он мог бы отфильтровать звук до частоты 20-150 Гц, но это не целесообразно, так как на выходе получим то же самое, что и на входе. Вот именно поэтому нам и нужно первоначальный звук хорошо отфильтровывать.
Почему применяют фильтры НЧ, да потому что при фильтрации, так сказать с каждой ступенькой номинал звука уменьшается на входе в сотни раз, и когда подаём этот номинал на сабвуфер, его не достаточно или просто не хватает для нормальной раскачки.
В приведённой в этой статье схеме, происходит практически тоже, но за исключением того, что стоит один транзистор, на котором собран предварительный усилитель, и который уже “отфильтровал” звуковой сигнал и усилил его для подачи на конечный усилитель.
печатка для тех, кто собирается травить плату.
На входе фильтра собран сумматор, который суммирует оба канала, и в последствии сигнал поступает в пассивный фильтр с частотой среза 150 Гц. Фильтр второго канала имеет усилитель на выходе. Есть и особенность данной схемы, в том что можно регулировать срез от 15 до 30 Гц.
Схема не требует к себе каких-либо наладок или подстроек. Единственная подстройка это частота среза, которую можно настроить под себя, под свой вкус, так как в схеме есть сдвоенный регулятор 100 кОм (можно взять номинал от 47 до 2200 кОм).
Схема прекрасно работает с любыми усилителями мощности звук.частоты, как с маломощными 12-Воль-ми, так и с мощными двуполярными.
Отечественные или импортные транзисторы, прекрасно себя чувствуют в этой схеме, так что тут выбор за вами.
И ещё хочу отметить один момент, если у вас сложилась ситуация, которая требует обратиться в автосалон, то сперва узнайте о нём прочитав отзывы. Лучше ехать, когда знаешь куда едешь…
Вещь, о которой мы сейчас расскажем, как понятно из названия статьи, является самодельным усилителем для сабвуфера, в народе называемом «Саб». Устройство имеет активный фильтр НЧ, построенный на операционных усилителях, и сумматор, обеспечивающий ввод сигнала с выхода стерео.
Поскольку сигнал для схемы берется с выходов на акустические системы, нет необходимости вмешательства в работающий усилитель. Получение сигнала с динамиков имеет еще одно преимущество, а именно — позволяет сохранить постоянное соотношение громкости сабвуфера к стереосистеме.
Естественно, усиление канала сабвуфера можно регулировать с помощью потенциометра. После отфильтровывания высоких частот и выделения низких (20-150 Гц), звуковой сигнал усиливается с помощью микросхемы TDA2030 или TDA2040, TDA2050. Это дает возможность настройки выходной мощности басов по своему вкусу. В этом проекте успешно работает любой динамик НЧ с мощностью более 50 Ватт на сабвуфер.
Схема фильтра с УМЗЧ сабвуфера
Схема принципиальная ФНЧ и УМЗЧ сабвуфера
Описание работы схемы усилителя
Стерео сигнал подается на разъем In через C1 (100nF) и R1 (2,2 М) на первом канале и C2 (100nF) и R2 (2,2 М), в другом канале. Затем он поступает на вход операционного усилителя U1A (TL074). Потенциометром P1 (220k), работающем в цепи обратной связи усилителя U1A, выполняется регулировка усиления всей системы. Далее сигнал подается на фильтр второго порядка с элементами U1B (TL074), R3 (68k), R4 (150к), C3 (22nF) и C4 (4,7 nF), который работает как фильтр Баттерворта. Через цепь C5 (220nF), R5 (100k) сигнал поступает на повторитель U1C, а затем через C6 (10uF) на вход усилителя U2 (TDA2030).
Конденсатор С6 обеспечивает разделение постоянной составляющей сигнала предусилителя от усилителя мощности. Резисторы R7 (100k), R8 (100k) и R9 (100k) служат для поляризации входа усилителя, а конденсатор C7 (22uF) фильтрует напряжение смещения. Элементы R10 (4.7 k), R11 (150к) и C8 (2.2 uF) работают в петле отрицательной обратной связи и имеют задачу формирования спектральной характеристики усилителя. Резистор R12 (1R) вместе с конденсатором C9 (100nF) формируют характеристику на выходе. Конденсатор C10 (2200uF) предотвращает прохождение постоянного тока через динамик и вместе с сопротивлением динамика определяет нижнюю граничную частоту всего усилителя.
Защитные диоды D1 (1N4007) и D2 (1N4007) предотвращают появление всплесков напряжений, которые могут возникнуть в катушке динамика. Напряжение питания, в пределах 18-30 В подается на разъем Zas, конденсатор C11 (1000 — 4700uF) — основной фильтрующий конденсатор (не экономьте на его ёмкости). Стабилизатор U3 (78L15) вместе с конденсаторами C12 (100nF), C15 (100uF) и C16 (100nF) обеспечивает подачу напряжения питания 15 В на микросхему U1. Элементы R13 (10k), R14 (10k) и конденсаторы C13 (100uF), C14 (100nF) образуют делитель напряжения для операционных усилителей, формируя половину напряжения питания.
Сборка сабвуфера
Вся система паяется на . Монтаж следует начинать от впайки двух перемычек. Порядок установки остальных элементов любой. В самом конце следует впаивать конденсатор C11 потому что он должен быть установлен лежа (нужно согнуть соответствующим образом ножки).
Плата печатная для устройства
Входной сигнал должен быть подключен к разъему In с помощью скрученных проводов (витой пары). Микросхему U2 обязательно необходимо оснастить радиатором большого размера.
Схему следует питать от трансформатора через выпрямительный диодный мост, фильтрующий конденсатор стоит уже на плате. Трансформатор должен иметь вторичное напряжение в пределах 16 — 20 В, но чтобы после выпрямления оно не превышало 30 В. К выходу следует подключить сабвуфер с хорошими параметрами — от головки очень многое зависит.
Психоакустика (наука, изучающая звук и его влияние на человека) установила, что человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания в диапазоне от 16 до 20000 Гц. При том, что диапазон 16-20 Гц (низкие частоты), воспринимается уже не самим ухом, а органами осязания.
Многие меломаны сталкиваются с тем, что большинство поставляемых акустических систем не удовлетворяет их потребности в полной мере. Всегда находятся мелкие недоработки, неприятные нюансы и т.п., которые побуждают собирать колонки с усилителями своими руками.
Возможны и другие причины сборки сабвуфера (профессиональный интерес, хобби и т.п).
Сабвуфер (от англ. «subwoofer») – низкочастотный динамик, который может воспроизводить звуковые колебания в диапазоне 5-200 Гц (в зависимости от типа конструкции и модели). Может быть пассивным (использует выходной сигнал с отдельного усилителя) или активным (оснащается встроенным усилителем сигнала).
Низкие частоты (басы) в свою очередь можно разделить на три основные подвида:
- Верхние (англ. UpperBass) – от 80 до 150-200 Гц.
- Средние (англ. MidBass / мидбасы) – от 40 до 80 Гц.
- Глубокие или подбасы (англ. SubBass) – все что ниже 40 Гц.
Фильтры частот применяются как для работы активных сабвуферов, так и пассивных.
Преимущества активных низкочастотных динамиков заключается в следующем:
- Активный усилитель сабвуфера не нагружает дополнительно акустическую систему (так как питается отдельно).
- Входной сигнал может фильтроваться (исключаются посторонние шумы от воспроизведения высоких частот, работа устройства концентрируется только на том диапазоне, в котором динамик обеспечивает наилучшее качество передачи колебаний).
- Усилитель при правильном подходе к конструкции может гибко настраиваться.
- Исходный спектр частот можно разделить на несколько каналов, с которыми можно уже работать по-отдельности – низкие частоты (на сабвуфер), средние, высокие, а иногда и сверхвысокие частоты.
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:
- Сопротивление индуктивности прямо пропорционально частоте и поэтому катушка пропускает низкие частоты и задерживает высокие (чем выше частота, тем выше сопротивление индуктивности).
- Сопротивление емкости обратно пропорционально частоте сигнала и поэтому высокочастотные колебания затухают на входе динамика.
Такой тип фильтров – пассивный. Более сложные в реализации – активные фильтры.
Как сделать простой фильтр для сабвуфера своими руками
Как и было сказано выше, самые простые в конструкции – пассивные фильтры. Они имеют в составе всего несколько элементов (количество зависит от требуемого порядка фильтра).
Собрать свой собственный фильтр НЧ можно по готовым схемам в сети или по индивидуальным параметрам после подробных расчетов требуемых характеристик (для удобства можно найти специальные калькуляторы для фильтров разных порядков, с помощью которых можно быстро рассчитать параметры составляющих элементов – катушек, емкостей и т.п.).
Для активных фильтров (кроссоверов) можно использовать специализированное программное обеспечение, например, такое как «Crossover Elements Calculator».
В некоторых случаях при проектировании схемы может понадобиться фильтр-сумматор.
Здесь оба канала звука (стерео), например, после выхода с усилителя и т.п., необходимо сначала отфильтровать (оставить только НЧ), а потом объединить в один с помощью сумматора (так как сабвуфер чаще устанавливается всего один). Или наоборот, сначала суммировать, а затем отфильтровать НЧ.
В качестве примера возьмем простейший пассивный НЧ фильтр второго порядка.
Если сопротивление динамика будет 4 Ом, предполагаемая частота среза – 150 Гц, то для типа фильтрации по Баттерворту нужны будут.
Так как сабвуфер отвечает у нас за воспроизведение низких частот, нам необходимо «отсеить» сигналы низкой частоты из общего диапазона звука. Для этого используются так называемые фильтры нижних частот, сокращенно ФНЧ. Схем его построения существует масса, подразделяются они на пассивные и активные.
Пассивные фильтры состоят из обычных типовых элементов: конденсаторов, индуктивностей, резисторов и не имеют никаких внешних источников питания, т.е. непосредственно фильтруют нижние частоты и задерживают высокие.
Поэтому всегда ставятся после усилителя на выходе, в чем и есть сложность его сборки, потому что требует сборки усилителя, что для неспециалиста является довольно сложной задачей. Активные же фильтры построены на интегральных микросхемах, требуют дополнительного источника энергии, но в отличии от пассивных выполняют сразу две функции усиления и фильтрации.
На схеме построен активный фильтр на основе операционного усилителя BA4558, с помощью навесных элементов делаем активный фильтр нижних частот с верхней границей 100 Гц, т.е. любые частоты выше 100 Гц не усиливаются и не поступают на выход. Подстроечным резистором регулируется громкость звука, т.е. меняется коэффициент усиления сигнала.
Запитывать микросхему в обязательном порядке следует через ограничительный резистор, как показано на схеме, номинал резистора зависит от питания и тока потребления выбранного операционника.
В случае если питание берется от аккумулятора необходимо поставить стабилитрон на 12 В, как показано на схеме во избежание отказа микросхемы. Остальные тонкости сборки можете посмотреть на видео.