Реклама на портале

Активный фильтр низких частот (ФНЧ) для сабвуфера. Активные фильтры для сабвуферов Низкочастотный фильтр своими руками


Доброго времени суток, уважаемые читатели! Сегодня речь пойдёт о сборке простого фильтра низких частот. Но несмотря на свою простоту, по качеству фильтр не уступает магазинным аналогам. Итак, приступим!

Основные характеристики фильтра

  • Частота среза 300 Гц, более высокие частоты отсекаются;
  • Питающее напряжение 9-30 Вольт;
  • Потребляет фильтр 7 мА.

Схема

Схема фильтра представлена на следующем рисунке:


Список деталей:
  • DD1 - BA4558;
  • VD1 - Д814Б;
  • C1, C2 - 10 мкФ;
  • С3 - 0,033 мкФ;
  • С4 - 220 нф;
  • С5 - 100 нф;
  • С6 - 100 мкФ;
  • С7 - 10 мкФ;
  • С8 - 100 нф;
  • R1, R2 - 15 кОм;
  • R3, R4 - 100 кОм;
  • R5 - 47 кОм;
  • R6, R7 - 10 кОм;
  • R8 - 1 кОм;
  • R9 - 100 кОм - переменный;
  • R10 - 100 кОм;
  • R11 - 2 кОм.

Изготовление фильтра низких частот

На резисторе R11, конденсаторе C6 и стабилитроне VD1 собран блок стабилизации напряжения.


Если напряжение питания меньше 15 Вольт, то R11 следует исключить.
На компонентах R1, R2, С1, С2 собран сумматор входных сигналов.


Его можно исключить, если на вход подаётся моносигнал. Источник сигнала при этом следует подключать напрямую ко второму контакту микросхемы.
DD1.1 усиливает входной сигнал, а на DD1.2 собран непосредственно сам фильтр.


Конденсатор С7 фильтрует выходной сигнал, на R9, R10, С8 реализован регулятор звука, его также можно исключить и снимать сигнал с минусовой ножки С7.
Со схемой разобрались, теперь давайте перейдём к изготовлению печатной платы. Для этого нам понадобится стеклотекстолит размерами 2х4 см.
Файл платы фильтра низких частот:

(cкачиваний: 420)



Шлифуем до блеска мелкозернистой наждачной бумагой, обезжириваем поверхность спиртом. Распечатываем этот рисунок, переносим на текстолит методом ЛУТ.



При необходимости дорисовываем дорожки лаком.
Теперь следует приготовить раствор для травления: растворяем 1 часть лимонной кислоты в трёх частях перекиси водорода (пропорция 1:3 соответственно). Добавляем в раствор щепотку соли, она - катализатор и в процессе травления не участвует.
В приготовленный раствор погружаем плату. Ждём растворения лишней меди с её поверхности. По окончании процесса травления достаём нашу плату, промываем проточной водой и снимаем тонер ацетоном.


Компоненты впаивайте, ориентируясь на это фото:


В первой версии рисунка я не сделал отверстие под R4, поэтому припаял его снизу, в документе для скачивания этот недостаток устранён.
На обратной стороне платы необходимо припаять перемычку:

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:

  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.

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.

ФИЛЬТР ДЛЯ САБВУФЕРА

Каждый хочет иметь у себя дома свой личный очень хороший домашний кинотеатр, что при нынешних ценах на посещение общественного вполне оправдано, но не у каждого это получается. Кто-то довольствуется покупкой дешёвых китайских 2.1 колоночек, кто-то приспосабливает для басов советскую акустику. А самые продвинутые радиолюбители меломаны делают сабвуферный НЧ канал сами. Тем более, что процедура изготовления совсем не сложная. Стандартный сабвуфер - это активный фильтр НЧ, на который подаются сигналы правого и левого каналов линейного выхода, усилитель мощности на много-много ватт и большой деревянный ящик с низкочастотным динамиком. Расчёт и изготовление корпуса дело чисто столярное, об этом можно почитать и на других ресурсах , усилитель мощности так-же не проблема - при богатом ассортименте всевозможных и . А вот на входном фильтре НЧ для усилителя сабвуферного канала мы здесь остановимся подробно.

Как известно, сабвуфер воспроизводит частоты до 40 Гц, и используется совместно с небольшими сателлитными громкоговорителями. Сабвуферы бывают пассивные и активные. Пассивный сабвуфер — это помещенная в корпус НЧ-головока, которая подключаются к общему усилителю. При таком способе подключения широкополосный выходной сигнал УМЗЧ подается на вход сабвуфера, а его разделительный фильтр удаляет из сигнала НЧ и подаёт отфильтрованный сигнал на громкоговорители.

Гораздо более эффективный и распространённый способ подключения сабвуфера с помощью электронного разделительного фильтра и отдельного усилителя мощности, что позволяет отделять басы от сигнала, подаваемого на основные громкоговорители в том месте тракта, где фильтрация сигнала вносит гораздо меньше нелинейных искажений, чем фильтрация выходного сигнала усилителя мощности. Кроме того, добавление отдельного усилителя мощности для сабвуферного канала существенно увеличивает динамический диапазон и освобождает усилитель основных СЧ и ВЧ каналов от дополнительной нагрузки. Ниже предлагаю первый, простейший вариант фильтра НЧ для сабвуфера. Выполнен он как фильтр сумматор на одном транзисторе и на серьёзное качество звучания с ним рассчитывать не приходится. Оставим его сборку самым начинающим.

А вот эти три варианта с одинаковым успехом зарекомендовали себя в качестве отличных фильтров для сабвуфера и некоторые из них установлены в моих усилителях.

Эти фильтры устанавливаются между линейным выходом источника сигнала и входом усилителя мощности сабвуфера. Все они обладают малым уровнем шумов и энергопотреблением, широким диапазоном питающих напряжений. Микросхемы использовал любые сдвоенные ОУ, например TL062, TL072, TL082 или LM358. К пассивным элементам предьявляются обычные требования, как к деталям высококачественных аудиотрактов. На мой слух, звучание нижней схемы было особенно упругим и динаминым, сабвуфер с таким вариантом слушаешь даже не ушами, а животом:)

Технические характеристики фильтра для сабвуфера :

  • напряжение питания, В 12…35В;
  • ток потребления, мА 5;
  • частота среза, Гц 100;
  • усиление в полосе пропускания, дБ 6;
  • затухание вне полосы пропускания, дБ/Окт 12.

Фотографии плат фильтров сабвуфера предоставленные товарищем Dimanslm:

Добавление активного сабвуфера существенно увеличивает динамический диапазон, понизижает нижнюю граничную частоту воспроизведения, улучшает чистоту звучания средних частот и обеспечивает высокий уровень громкости без искажений. Удаление низких частот из спектра основного сигнала, поступающего на сателлиты, позволяет им звучать громче и чище, так как конус НЧ-головки не колеблется с большой амплитудой внося серьёзные искажения, пытаясь воспроизвести басы.

Сегодня сабвуфер - неотъемлемая часть любого домашнего кинотеатра. Впрочем, не только домашнего. В публичных кинотеатрах тоже стоят сабвуферы. Их задача с максимальной реалистичностью воспроизводить звуки выстрелов, взрывов, грохота проползающего по экрану танка или проплывающего в экранном холодном космическом пространстве межзвездного галактического имперского крейсера. Да, да, я знаю, что крейсеры в космическом пространстве проплывают бесшумно, но у Джорджа Лукаса, который снял потрясающую киноэпопею «Звездные войны» на этот счет совершенно другое мнение. И это правильное мнение, поскольку одно дело смотреть на безмолвный имперский крейсер, а другое - слышать и даже ощущать проход мощной машины. Да, про ощущать я не оговорился, ибо низкочастотные вибрации, создаваемые мощным сабвуфером, ощущаются буквально всем телом.

Собственно, сам сабвуфер является мощным низкочаcтотным динамиком, подключенным к специальному сабвуферному каналу многоканальной системы усилителей. Сабвуферный канал при записи звуковой дорожки к фильму пишется отдельно, так что вся информация в нем содержащаяся - это исключительно о том, где и когда надо бахнуть, и с какой силой. Но это в случае цифровой записи сигнала. При аналоговой записи-воспроизведении сигнал сабвуферного канала может выделяться из общего сигнала фонограммы при помощи специального Фильтра Низких Частот - ФНЧ.

В общем случае именно ФНЧ формирует сигнал сабвуферного канала, и именно от его параметров зависит насколько мощно, сочно, четко будет бабахать сабвуфер. Разумеется, не только от ФНЧ, но и от акустического оформления самого сабвуфера зависит, насколько высоко вы будете подпрыгивать в кресле от очередного киношного выстрела или взрыва, но сейчас мы рассмотрим именно ФНЧ.

Два самых главных параметра ФНЧ называются: частота среза и крутизна спада.

Начнем с первой.

Дело в том, что динамик сабвуфера большой, тяжелый, неповоротливый, чаще всего с огромным диффузором, который призван создавать большое звуковое давление, вдавливающее зрителя в кресло. Амплитуда колебаний этого диффузора должна быть достаточно велика, поэтому на сабвуфер подается очень приличная мощность от выходного усилителя. Если мы не отфильтруем ВЧ составляющие сигнала, подаваемого на динамик, то просто спалим его, ибо он физически не сможет так быстро двигаться, в результате чего катушка динамика перегреется и разрушится.

Таким образом, наш ФНЧ занимается тем, что просто отрезает от входного сигнала ненужные для сабвуфера куски частотного диапазона и на выходе оставляет только те, которые не угробят сабвуфер и будут эффективно им воспроизводиться.

Посмотрим на амплитудно-частотную характеристику ФНЧ (ура, первая картинка!):

Итак, частота среза, выражаясь человеческим языком - это та частота, за которой амплитуда выходного сигнала резко падает. Посмотрите на левую картинку: так должен выглядеть идеальный ФНЧ - до определенной частоты сигнал есть, после нее сигнала нет. Но реальность, как обычно, несколько хуже. На правой картинке показана работа реального ФНЧ. Частота, на которой уровень выходного сигнала ослабляется на 3 дБ называется частотой среза ФНЧ - Fср. на картинке. Как видно по правой картинке, реальный ФНЧ ослабляет сигнал за частотой среза не сразу, а постепенно и тут у нас есть возможность перейти ко второй основной характеристике ФНЧ - крутизне спада.

Общеизвестно, что погоня за идеальным - самая большая ошибка человечества. Тем не менее, человечество не перестает за ним гнаться, набивая по пути знатные шишки.

С ФНЧ такая же история. Как вы видите на картинке выше, у идеального ФНЧ АЧХ поворачивает на 90 градусов на частоте среза, то есть, ни одна капелька сигнала за частотой среза не появится на выходе ФНЧ. Это - идеальная крутизна спада ФНЧ.

У любого реального ФНЧ данная характеристика более пологая и никогда не станет идеальной, но может максимально к ней приблизиться.

Посмотрим на второй рисунок - на нем отображены крутизна спада ФНЧ в зависимости от так называемого порядка ФНЧ - числа звеньев, из которых состоит фильтр.

Чем больше звеньев в ФНЧ, чем ближе его АЧХ к идеальной. Но тут надо заметить, что увеличение числа звеньев фильтра приводит к его схемотехническому усложнению и как следствие, увеличению количества электронных компонентов, из которых сделан фильтр, а следом и цены этого устройства. Помимо этого, разумеется, растут шум, искажения, уменьшается амплитуда выходного сигнала.

Простейшее звено ФНЧ выглядит следующим образом:

Это пассивный ФНЧ первого порядка. Включая такие звенья последовательно можно добиться весьма существенной крутизны спада. Но при этом, как уже отмечалось выше, существенно растут шумы и искажения в звуковом тракте. Более того, для согласования входного и выходного сопротивления такого фильтра необходимо на входе и выходе ФНЧ устанавливать буферные усилители. В противном случае сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки фильтра будет существенно влиять на частоту среза.

Поэтому, чаще всего для построения ФНЧ используют схемы активного фильтра на операционных усилителях.

Вот, например, активный ФНЧ второго порядка:

Не смотря на простоту самого фильтра необходимо помнить о буферных усилителях, которые нужны и для этого типа ФНЧ. Да и к тому же, 2 порядок - это как-то маловато, а значит, нужно последовательное включение двух таких фильтров.

В общем, схема разрастется прилично.

Более того. Если вы только начинаете заниматься сабвуферами и всем, что с ними связано, непременно начнете читать профильные сайты и форумы, где обсуждаются те или иные способы построения ФНЧ. И тут выяснится, что помимо всего прочего есть фильтр Чебышева, фильтр Баттерворта, эллиптический фильтр, фильтр Саллена-Ки. И у каждого схемного решения есть свои плюсы и минусы. Честно говоря, закопаться можно запросто.

Видимо, поглядев на все это в древнерусской тоске, тайваньская компания PTC почесала в затылке и выпустила отличную микросхему - PT2351 - фильтр НЧ Саллена-Ки третьего порядка.

Микросхема в 8-выводном корпусе содержит в себе все элементы, необходимые для построения ФНЧ с очень приличными характеристиками.

Стерео сигнал от источника поступает на два буферных усилителя с высоким входным сопротивлениям. Сигнал смешивается и нормируется по уровню в смесителе, после чего поступает собственно на ФНЧ с встроенным выходным буферным каскадом (выходное сопротивление - всего 40 Ом), позволяющим подключать фильтр непосредственно к нагрузке без дополнительных плясок с буфером на ОУ.

Частота среза такого фильтра задается внешними конденсаторами.

На основе этой микросхемы был разработан набор для самостоятельной сборки NM0103 "ФНЧ для сабфувера" .

Основные технические характеристики:

Принципиальная схема:

Как видите, схема простейшая, с очень небольшим количеством навесных компонентов.

Схема универсальная - благодаря встроенному стабилизатору напряжения VD1, R3, C6, этот ФНЧ может применяться как для построения автомобильного сабвуфера, так и для домашнего кинотеатра или музыкальных систем 2.1. Максимальное напряжение питания, которое можно подавать на фильтр - 20 Вольт. Впрочем, если увеличить резистор R3, то можно и больше.

Питание однополярное, что серьезно облегчает встраивание такого фильтра в уже имеющийся звуковой тракт.

Частота среза фильтра определяется емкостью конденсаторов C3, C7. В наборе есть два комплекта конденсаторов разной емкости для построения ФНЧ с частотой среза 60 Гц или 80 Гц.

АЧХ фильтра:

Ну, а если номиналы конденсаторов, входящих в набор, вас по каким-то причинам не устроят, их можно выбрать из нижеследующей таблицы:

Часть номиналов конденсаторов получается нестандартной и составляется из двух конденсаторов стандартной емкости; номиналы указаны в скобках.

Из недостатков данной схемы по сравнению со схемами на ОУ можно отметить невозможность плавной регулировки частоты среза, а так же отсутствие регулировки фазы выходного сигнала. Но вот часто ли нужны такие регулировки?