Как сделать активный фильтр для сабвуфера. Активный фильтр низких частот (ФНЧ) для сабвуфера. Основные характеристики фильтра

Многие киноманы хотят иметь личный домашний кинотеатр, однако не все могут позволить себе такую прихоть. Каждый выходит из такой ситуации по-своему: кто-то приобретет простые китайские колонки, кто-то приспособит для басов акустику советского производства, ну а самые продвинутые, владеющие познаниями в радиотехнике, сконструируют сабвуферный низкочастотный канал самостоятельно. Тем более что это довольно-таки несложно.

Общие сведения

Рассмотрим, что же представляет собой обычный сабвуфер. По сути, это простой активный фильтр на вход которого подаются сигналы от (правый и левый каналы), усилитель и НЧ-динамик. В этой статье мы рассмотрим самый сложный элемент устройства - схему, которая позволяет самостоятельно собрать фильтр НЧ для сабвуфера. Такие устройства воспроизводят частоты, не превышающие 40 Герц. Их используют совместно с сателлитными громкоговорителями небольшого размера. Сабвуферы бывают активными и пассивными. Последние представляют собой низкочастотную головку, подключенную к общему усилителю. Такого рода приборы малоэффективны и непопулярны. Совсем другое дело - первый вариант. В таких устройствах электронный разделительный активный фильтр НЧ для сабвуфера и отдельный отделяют басы от сигнала, который подается на основные громкоговорители непосредственно в том месте подаваемого тракта, где фильтрация данного сигнала внесет наименьший уровень нелинейных искажений, по сравнению с фильтрацией выходного усилителя мощности. Добавление отдельного усилителя в сабвуферный канал значительно увеличит динамический диапазон, а также освободит усилитель средних и высоких частот от дополнительной нагрузки.

Фильтр для сабвуфера: схемы

Читателю для рассмотрения предлагается три варианта схем такого устройства. В первой схеме предложен простейший фильтр для сабвуфера, выполненный в виде сумматора на одном транзисторе. Серьезного качества звучания с таким устройством добиться не получится, зато, благодаря своей простоте, оно прекрасно подойдет начинающим радиолюбителям. А вот фильтр для сабвуфера, представленный в следующих двух вариантах, с большим успехом зарекомендовал себя как устройство с отличными характеристиками. Такие устройства устанавливают непосредственно после линейного выхода источника и входа усилителя мощности. Фильтр для сабвуферахарактеризуется низким уровнем шумов, малым энергопотреблением, а также широким диапазоном напряжения питания.

Заключение

Подводя итоги, скажем, что добавление типа значительно снижает нижнюю границу воспроизводимых частот, повышает чистоту звучания на средних частотах и обеспечивает довольно высокий уровень громкости без искажений. Устранение из спектра основного воспроизводимого сигнала, поступающего на сателлиты, низких частот позволяет им звучать чище и громче. Это объясняется тем, что конус головки низкой частоты не колеблется с большой амплитудой, пытаясь воспроизвести басы и тем самым внося искажения в сигнал.

» — имеется в виду активный фильтр нижних частот. Он особенно полезен при расширении стереофонической звуковой системы на дополнительный динамик воспроизводящий только самые низкие частоты. Данный проект состоит из активного фильтра второго порядка с регулируемой граничной частотой 50 — 250 Гц, входного усилителя с регулировкой усиления (0.5 — 1.5) и выходных каскадов.

Конструкция обеспечивает прямое подключение к усилителю с мостовой схемой, так как сигналы сдвинуты относительно друг друга по фазе на 180 градусов. Благодаря встроенному источнику питания, стабилизатору на плате, можно обеспечить питание фильтра симметричным напряжением от усилители мощности — как правило это двухполярка 20 — 70 В. Фильтр НЧ идеально подходит для совместной работы с промышленными и самодельными усилителями и предусилителями.

Принципиальная схема ФНЧ

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).

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.

Подключение сабвуферного фильтра

Стоит отметить, что модуль фильтра для сабвуфера должен быть присоединен к выходу предварительного усилителя после регулятора громкости, что позволит улучшить регулировку громкости всей системы. Потенциометром усиления можно отрегулировать соотношение громкости сабвуфера к громкости всего сигнального тракта. К выходу модуля необходимо подключить любой усилитель мощности, работающий в классической конфигурации, . При необходимости используйте только один из выходных сигналов, сдвинутых по фазе на 180 градусов относительно друг друга. Оба выходные сигнала можно использовать, если нужно построить усилитель в мостовой конфигурации.

ФИЛЬТР ДЛЯ САБВУФЕРА

Принципиальная схема, печатная плата, описание

Данный фильтр предназначен для суммирования стереосигнала и выделения из этой суммы НЧ сигнала для сабвуфера. По сложности фильтр является довольно сложным, поскольку построен по принципу параметрического эквалайзера, т.е. позволяет производить максимум регулировок.
Принципиальная схема фильтра для сабвуфера приведена на рисунке 1. Это последний, самый популярный и универсальный фильтр из разработанной пятерки фильтров для сабвуфера. На входе фильтра используется обычный резистивный микшер, далее на ОУ выполнен буферный усилитель с коррекцией АЧХ, позволяющей на обработку подавать сигнал с уже вырезанными СЧ и ВЧ сигналами, но довольно большой полосой захвата.
Далее идет уже сам фильтр выполненый на ОУ DA3 в обратную связь которого включен высокодобротный фильтр на ОУ DA2 и DA4. В этом фильтре происходит обработка аудиосигнала, причем имеется возможность регулировки добротности, т.е. полосы захвата. На рисунке 2 показано изменение АЧХ в зависимости от положения регулятора добротности (резистор R14).
На рисунке 3 приведен вид АЧХ в зависимости от положения регулятора частоты (резистор R15), на рисунке 4 приведен вид АЧХ уровня перегиба, по сути тот же уровень громкости, который стоит на входе, однако регулировка производится именно перегиба АЧХ, хотя на слух кажется, что изменяется уровень (резистор R16).
На рисунке 5 приведен вид АЧХ в зависимости от положени регуляторов частоты и добротности.
Как видно из рисунокв данный фильтр позволяет идиально настроить практически любой сабвуфер и может потягаться даже с корректором Линквица.

Рисунок 1 - принципиальная схема фильтра для сабвуфера.

Рисунок 2 - регулировка добротности.

Рисунок 3 - регулировка частоты.

Рисунок 4 - изменение уровня перегиба АЧХ.

Рисунок 5 - одновременное изменение частоты и добротности.

Принципиальная схема фильтра для сабвуфера чертеж печатной платы описание работы рекомендации фильтр для сабвуфера схема фильтра нч

На рисунке 6 приведен внешний вид фильтра, на рисунке 7 - чертеж расположения деталей на печатной плате. В формате lay плату можно взять . Поскольку высокодобротные фильтры довольно сильно сдвигают фазу сигнала в фильтр введен фазовращатель позволяющий получить максимальное совпадение сигналов по фазе широкополосного сигнала с сигналом сабвуфера. Кроме этого фильтр имеет 2 выхода, на которых сигнал идет в противофазе. Это позволяет компенсировать недостаточность сдвига фазы в фазовращателе при использовании типового усилителя для сабвуфера или же использовать 2 одинаковых усилителя соединенных мостом.

Рисунок 6 - внешний вид фильтра.

Рисунок 7 - расположение деталей и схема подключения.

Питание фильтра для сабвуфера производится от питания усилителя мощности (двуполярный источник), поскольку в фильтр уже интегрирован параметрических стабилизатор напряжения необходимо лишь подобрать токоограничивающие резисторы во избежания выхода из строя стабилитронов от теплового пробоя.

Несколько слов о построении этого фильтра и проверка его в симуляторе

Для Микрокап 8 в архиве лежит модель данного фильтра. Там же еще несколько фильтров как для двуполярного, так и однополярного питания, так что желающие могут поразминаться.

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.

При использовании современной магнитолы с акустикой чувствительностью 89 дБ и выше уровень громкости обычно вполне достаточен. Поэтому первый (бюджетный) усилитель, как правило, предназначается в первую очередь для сабвуфера. Обычно там есть блок формирования сигнала, но его возможности ограничены. Чаще всего фильтры имеют фиксированную частоту среза. А специализированный усилитель с плавно перестраиваемыми фильтрами - это вещь уже не бюджетная.

Предлагаемые схемы предназначены как раз для таких случаев. Большинство из них были разработаны "по просьбе трудящихся. Поэтому, кстати, мало рисунков печатных плат - это дело сугубо индивидуальное, зависит от деталей и компоновки в целом. Но платы зависит многое, в том числе и количество "граблей", на которые наступит радиолюбитель при повторении, поэтому все дополнения только приветствуются. Я пока проектирую платы только для конструкций "личного употребления", на все нет времени...

При разработке ставилось два условия:

обойтись только однополярным питанием 12 вольт, чтобы не связываться с изготовлением преобразователей и не лезть за повышенным напряжением внутрь усилителя
схема должна быть предельно простой и не требовать для повторения особой квалификации.

Первая схема предназначена для простейших установок. Поэтому ее характеристики далеки от идеала, но возможности вполне достаточны. Большой диапазон перестройки частоты частоты среза позволяет использовать сабвуфер практически с любой акустикой. Если у магнитолы нет линейных выходов - не беда. Схема может работать и с "колоночных" выходов магнитолы. Для этого нужно только увеличить сопротивление резисторов R1,R2 до 33...100 кОм.

При широкой полосе частот, воспроизводимых сабвуфером, для "стыковки" звучания с фронтальной акустикой необходимо использовать регулируемый фазовращатель. Схема простейшего сумматора с фазовращателем приведена на следующем рисунке. По сравнению с предыдущей схемой пределы перестройки частоты среза несколько сужены, все остальные рекомендации остаются в силе. Печатная плата не приводится - пусть это будет "домашним заданием".

Однако возможности простейших схем ограничены. Пассивный сумматор дает большое затухание сигнала, что заставляет использовать максимальную чувствительность усилителя. Кроме того, при работе от небуферизованного линейного выхода магнитолы (а в бюджетных линейках они все такие) возможно ухудшение разделения стереоканалов из-за невысокого входного сопротивления сумматора.
Поэтому нужно перейти к активному смесителю сигналов левого и правого каналов. Удобнее всего выполнить его на полевых транзисторах - при использовании транзисторов с напряжением отсечки более 3 вольт (КП303Г, КП303Е) необходимый режим работы достигается без смещения на затворе. В таком случае разделительный конденсатор на входе необязателен. А это дополнительное повышение качества звучания. Да и сами полевые транзисторы "благороднее".

Если встроенный фильтр усилителя устраивает, схему можно упростить.

И, наконец, когда есть все, что нужно и нужен только фазовращатель.

Наконец, если сабвуфер представляет сообой что-то более сложное, чем закрытый ящик, в канал усиления нужно включить фильтр обрезки инфранизких частот. Правда, для увеличения добротности пришлось выполнить его по схеме третьего порядка, хотя АЧХ соответствует второму.

В тех случаях, когда нужно встроить блок формирования сигнала сабвуфера непосредственно в усилитель, есть смысл перейти на двухполярное питание ОУ. Ниже приводится вариант схемы, дополненный входом высокого уровня и регулятором усиления. Резистор R18 определяет минимальный уровень выходного сигнала. Если нужно снижать его до нуля, резистор следует заменить перемычкой или снизить сопотивление до 100-200 Ом. Входные каскады и фильтр остались практически без изменений, но благодаря увеличению напряжения питания до 15 В несколько повышена перегрузочная способность. Небольшое изменение номиналов фильтра увеличило его добротность, как следствие - повысилась крутизна АЧХ непосредственно в зоне перегиба. При широкой полосе она приближается к фильтру третьего порядка. При налаживании нужно добиться, чтобы постоянное напряжение на эмиттере транзистора VT3 составляло 6-7 вольт.
Если нужно увеличить коэффициент передачи этого фильтра, можно зашунтировать резисторы в истоках полевых транзисторов электролитическими конденсаторами емкостью от 10 мкф и выше. Усиление возрастет примерно в 3 раза, но есть риск появления искажений.

Детали и монтаж
Для плавной регулировки частоты среза нужны резисторы с нелинейной зависимостью сопротивления (тип Б). В среднем пложении движка сопротивление одной половины "подковки" у них заметно больше, чем у другой. Включить их нужно так, чтобы движок закорачивал секцию с бОльшим сопротивлением.
Керамические конденсаторы в звуковом тракте использовать нельзя из-за микрофонного эффекта, их можно ставить только в цепи питания. Из недорогих и доступных лучше всего использовать полипропиленовые, фторопластовые или лавсановые. Например, К73-17 (от 0,01 до 6,8 мкф, напряжение от 50 до 630В, цена от 0,5 до 8 р за штуку в зависимости от размера и допуска). Конденсаторы нужно подобрать в пары с минимальным разбросом (важно не точное значение емкости, а рассогласование по каналам). Многие современные мультиметры позволяют измерить емкость непосредственно. Если такой возможности нет, лучше использовать конденсаторы с допуском 5%.
Полевые транзисторы по каналам нужно подбирать в пары по начальному току стока и напряжению отсечки. Если нет такой возможности, лучше использовать транзисторы из одной партии - в пределах упаковки разброс параметров обычно невелик. Вместо КП303 можно использовать сборки серии КПС, там идентичность пар обеспечивается технологически. Вместо КТ3102Е можно использовать любые другие n-p-n транзисторы с коэффициентом передачи тока более 50. Словом, возможности для творчества открываются широкие...
Чтобы избежать наводок, у транзисторов КП303 нужно соединить с общим проводом "земляную" ножку транзистора (вывод корпуса). Входные делители также должны быть как можно ближе к транзистору, чтобы в цепи "делитель-затвор" не было длинных проводников. Особенно важно это при высоком сопротивлении делителя.

Источник http://www.bluesmobil.com/shikhman/ А. И. Шихатов 1999-2003

Возможно, будет полезно почитать: