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Rick - Montag 13 November 2020

Die Grundlagen von Frequenzweichen-Bauteilen

Dieser Artikel widmet sich der Verwendung von LCR-Komponenten in passiven Frequenzweichen. Bei einer passiven Lautsprecherkreuzung verwendet man drei passive Komponenten - eine Induktivität, einen Kondensator und einen Widerstand (auch LCR-Komponenten genannt). Sie werden als passive Komponenten bezeichnet, da für den Betrieb keine Stromversorgung erforderlich ist, im Gegensatz zu einer aktiven Frequenzweiche, für die eine separate Stromversorgung erforderlich ist. LCR-Komponenten sind die drei wichtigsten passiven Komponenten. Innerhalb eines Wechselstromkreises bilden sie die Grundlage für fast jeden Stromkreis, den Sie sich vorstellen können. In Audiokreisen dienen sie hauptsächlich zum Filtern, Koppeln und Trennen von Signalen. Ein elektrisches Signal ist ein Wechselstrom (AC) und kann basierend auf der gewünschten Übergangsfrequenz gefiltert werden, um hohe und niedrige Frequenzen zu trennen. Abgesehen von einer sehr guten Vollbereichstreiberreichweite gibt es fast keinen Treiber, der das gesamte Audiospektrum von 20 Hz - 20 kHz ohne Verzerrung bei gleichem Schallpegel wiedergeben kann. Aus diesem Grund können Sie bei den meisten Lautsprecherdesigns eine Frequenzweiche nicht vermeiden. Wir nennen sie also passive Komponenten, aber verhalten sie sich wirklich passiv, wenn wir diese Komponenten in Audiokreisen verwenden? Welche Komponenten sollten Sie auswählen und was macht sie ideal für die Verwendung in Ihrem passiven Frequenzweichen-Filter? In den folgenden Abschnitten werden die Grundlagen der einzelnen Komponenten erläutert. Wir versuchen, die oben gestellten Fragen zu beantworten. Dieser Artikel zeigt Ihnen nicht die beste Marke oder Komponente. Dies unterscheidet sich in jedem Design; Die folgenden grundlegenden Informationen können Ihnen jedoch dabei helfen, eine gute Wahl für die Verwendung der richtigen Komponenten in einer passiven Frequenzweiche zu treffen.

 

Kondensator

Der einfache Ansatz um Kondensatoren zu beschreiben, ist sie als Komponenten zu bezeichnen, die als frequenzabhängige Widerstände betrachtet werden können. Diese Komponente besteht aus zwei isolierten Leitern (auch als Platten / Elektroden bekannt), die neben oder gegenüber durch eine als Dielektrikum bekannte Isolationskomponente getrennt sind. Dies ist ein Material, das keinen Strom leitet.

Kondensatoren sind nach ihrem Dielektrikum wie Keramikkondensatoren und Elektrolyt- oder Polypropylen Kondensatoren benannt.

Die Kapazität eines Kondensators wird als Farad (abgekürzt mit F) bezeichnet und kann elektrische Ladung speichern. Wie ein Induktor ist die Einheit Farad in Audioanwendungen sehr hoch, weshalb wir kleinere Einheiten verwenden.

Basis

 

 

 

 

farad (F)

millifarad (mF)

mikrofarad (mF)

nano-farad (nF)

picofarad (pF)

1

10-3

10-6

10­­-9

10-12

Im Gegensatz zu einem Widerstand wandelt ein Kondensator die mit dem kapazitiven Strom verbundene Leistung nicht in Wärme um, sondern wird in Form von Energie im internen elektrischen Feld des Kondensators gespeichert. Sie erhalten diese Energie in dem Moment zurück, in dem sich der Kondensator bei Gleichstrom entlädt. Ein Kondensator lässt jedoch keinen Gleichstrom durch, im Falle von Wechselstrom (AC). In der Realität läuft ein Ladestrom oder ein Entladestrom (d. H. Wechselstrom) kontinuierlich. Die Größe dieser Lade- und Entladeströme hängt von zwei Faktoren ab;

  • die Kondensatorkapazität F;
  • die Frequenz f

Da der Wechselstrom zunimmt, wenn Kapazität und / oder Frequenz erhöht werden, können wir sagen, dass der Widerstand kleiner wird. Dieser Widerstand in einem Kondensator ist als kapazitiver Widerstand (Xc) bekannt, der auch als kapazitive Reaktanz bezeichnet wird.

 

Xc = kapazitive Reaktanz in ohm (Ω);

Xc = 1 / (2π  f C)

f = Frequenz in hertz (Hz);

 

C = Kapazität in farad (F).

Schlussfolgerung: Aufgrund seiner frequenzabhängigen Widerstandscharakteristik bietet der Kondensator bei niedrigen Frequenzen mehr Widerstand als bei höheren Frequenzen. Aus diesem Grund wird er in einer Frequenzweiche verwendet, um niedrige Frequenzen herauszufiltern. Die Formel, mit der Sie die richtige Kapazität errechnen können, lautet wie folgt:

C = 1 / (2 π  f Xc)

Kondensatortyp, Spannungsklasse, Dielektrikum und gebrauchte Materialien

Grundsätzlich gibt es 3 Arten von Kondensatoren, basierend auf ihrer Struktur; Filmkondensatoren, Keramikkondensatoren und Elektrolytkondensatoren. In Frequenzweichen verwenden wir hauptsächlich Film- / Folien- und Elektrolytkondensatoren, da nicht jeder Typ für Audioanwendungen geeignet ist. Dielektrikum, Spannungswerte (Nennspannung) und Kapazität sind die wichtigsten Aspekte. Die Kondensatorkapazität hängt von drei Faktoren ab; die Oberfläche der Elektroden, die Abstände zwischen den Elektroden und den Wert des verwendeten Dielektrikums. Um die Kapazität zu erhöhen, muss die Oberfläche der Leiter vergrößert und der Abstand zwischen ihnen verringert werden. Dies wird häufig erreicht, indem das leitende Material auf einen dünnen Isolator (das Dielektrikum) aufgebracht und aufgerollt wird. Beispiele sind die zylindrischen Kondensatoren, bei denen die Film / Filmleiter aufgerollt sind, wie Polypropylen, metallisiertes Polypropylen und nicht polarisierte / bipolare Elektrolytkondensatoren. Für jeden Typ von Kondensatorserien gibt es unterschiedliche maximale Spannungswerte, z. B. 63 V, 100 V, 250 V, 400 V, 630 V usw. Dies ist ein wichtiger Faktor, da das Dielektrikum zusammenbricht (Spannungsdurchschlag), wenn die Spannung zu groß wird. Darüber hinaus ist die Kondensatorkapazität bei variierenden Temperaturen nicht stabil. Dies kann je nach Typ unterschiedlich sein und ist ein zu berücksichtigender Faktor. Bei Kondensatoren wird eine Toleranz von 1% bevorzugt, eine Toleranz von 5% beeinträchtigt jedoch nicht die Kondensatorqualität.

 

Induktor

Aufgrund seiner frequenzabhängigen Widerstandscharakteristik bietet ein Induktor bei hohen Frequenzen mehr Widerstand als bei niedrigen Frequenzen. Ein Induktor ist nicht mehr als ein um einen Kern gewickelter Kupferlackdraht (lackierter Draht). Der Kern kann entweder ein Ferritkern, ein Eisenkern oder ein Luftkern sein, der nur ein leeres Loch ist. Eine Spule kann hohe Frequenzen herausfiltern und wirkt tatsächlich wie das Gegenteil eines Kondensators. Die Eigenschaft eines Induktors ist die Induktorkonstante, bei der es sich um den Selbstinduktionskoeffizienten handelt, der im Buchstaben L angegeben und in der Einheit Henry (H) gemessen wird. Es zeigt den Grad der Selbstinduktion in der Spule an und wird oft in kleineren Einheiten verwendet.

Basis

 

 

 

 

henry (H)

millihenry (mH)

microhenry (mH)

nanohenry (nH)

picohenry (pH)

1

10-3

10-6

10­­-9

10-12

Grundsätzlich arbeitet ein Induktor umgekehrt wie ein Kondensator. Ein Induktor speichert Energie im Magnetfeld. Diese Energie wird wieder freigesetzt, wenn der Strom durch die Spule unterbrochen wird. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Strom durch eine Induktivität ändert, hängt von der Spannung über der Induktivität ab. Wenn die Frequenz zunimmt, ändert sich das Magnetfeld in der Spule zwischen dem Nord- und dem Südpol häufiger pro Sekunde. Der Strom (oder das Magnetfeld) nimmt schneller zu und ab. Die Selbstinduktionsspannung, die dem Strom entgegenwirkt, steigt an und wodurch der induktive Widerstand größer wird. Der induktive Widerstand hängt daher ab von:

  • der Selbstinduktionskoeffizient in L;
  • die Frequenz f.

Eine Erhöhung der Selbstinduktionsspannung hat den gleichen Effekt auf den Strom wie eine Erhöhung des Drahtwiderstands, d. H. eine Verringerung des Stroms. Dieser durch Induktion verursachte Widerstand ist der induktive Widerstand (Xl), auch als induktive Reaktanz bekannt.

 

Xl = induktive Reaktanz in ohm (Ω)

Xl = 2 π f L

f = Frequenz in hertz (Hz)

 

L = Induktion in henry (H)

Schlussfolgerung: Aufgrund ihrer frequenzabhängigen Widerstandscharakteristik bietet die Spule bei hohen Frequenzen mehr Widerstand als bei niedrigen Frequenzen. Infolgedessen wird sie auch in einer Frequenzweiche verwendet, um hohe Frequenzen herauszufiltern. Die Formel, mit der Sie die richtigen Induktion berechnen können, lautet wie folgt:

L = Xl / (2 π f)

 

Spulentyp, Toleranz und Materialien

Die Struktur der meisten Spulen, die für den Crossover-Einsatz vorgesehen sind, besteht somit aus emailliertem Kupferdraht. Ein Ferrit- oder Eisenkern erhöht die Induktionskapazität, enthält weniger Kupferdraht als Luftkerne mit demselben Wert und erzeugt einen geringeren Gleichstromwiderstand. Weniger Kupferdraht führt oft zu einem niedrigeren Preis. Es gibt auch "luxuriösere" Spulen wie Folienspulen, gewachste Litzendrahtspulen und Ringkernspulen. Jede mit seinen eigenen spezifischen Eigenschaften. Bei Spulen gibt es unterschiedliche Abstufungen in Materialverwendung und -typ, um die Stabilität und den Wert zu definieren. Dabei spielen die Temperaturverarbeitung und die Belastbarkeit eine wichtige Rolle. Am Ende bestimmt der Toleranzprozentsatz, wie nahe der gemessene Wert letztendlich am angegebenen Wert liegt und wie genau Ihre endgültige Schaltung sein wird. Wenn Sie Ihrem berechneten Wert nahe kommen möchten, wählen Sie 1% Toleranz. Eine Spule mit einer Toleranz von 5% hat keinen Einfluss auf die Qualität, nur die tatsächlichen Werte weichen stärker ab. Sowohl ein Kondensator als auch ein Induktor sind die wichtigsten Komponenten eines Crossover-Designs, jedoch beide auf unterschiedliche Weise. Spulen ändern nichts  an der „Farbe“ und Schärfe des Audiosignals. Kondensatoren hingegen reagieren empfindlicher darauf. Die wichtigen Aspekte bei der Auswahl eines guten Induktors sind mehr die Belastbarkeit und die Art der Spule. Wenn die Qualität des Materials und die Position der Spule gut sind, beeinflusst eine Induktivität in Bezug auf einen Kondensator das Signal nicht. Wenn Sie einen Induktor richtig (im rechten Winkel zueinander) platzieren, werden Übersprechen und Rauschen vermieden. Soviel zu den Grundprinzipien eines Kondensators und eines Induktors. Ein Kondensator in Kombination mit einer Induktivität in einem Übergangsfilter zeigt eine Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom, sie sind sogenannt reaktiv. Das Verhalten eines Induktors in Kombination mit einem Kondensator variiert zeitlich und ist ein separates Kapitel. Dies wird nicht weiter diskutiert.

 

Widerstand

Der Begriff "Widerstand" steht technisch gesehen wörtlich für das Widerstandsniveau, das Elektronen erfahren, wenn sie sich durch ein Material bewegen, d. H. den Widerstand. In Frequenzweichen, Zobel-Netzwerken oder L-Pad-Schaltungen verwendete Widerstände werden als ohmsche Widerstände bezeichnet. Ideale Widerstände leiden nicht unter Selbstinduktion und haben kein kapazitives Verhalten. Beim Anschließen eines ohmschen Widerstands an Wechselstrom oder Gleichstrom gibt es keinen Unterschied in den Eigenschaften.

Wenn wir einen ohmschen Widerstand an Wechselstrom anschließen, nennen wir den resultierenden Widerstand; Wechselstromwiderstand oder Impedanz. Der Begriff Impedanz ist der häufigste Begriff; Die Impedanz entspricht jedoch dem Gleichstromwiderstand in Ohm (Ω).

  • Wenn die Spannung an einem ohmschen Widerstand ansteigt, besagt das Ohmsche Gesetz, dass der Strom proportional ansteigt. V = I R.

In Crossover-Anwendungen werden Widerstände verwendet, die kaum Rauschen verursachen. Wir verwenden Kohlewiderstände, Metallfilmwiderstände und (bifilar (zwei Drähte)) gewickelte Drahtwiderstände. Kohlewiderstände können nicht mit hoher Leistung umgehen, wofür üblicherweise Metallfilmwiderstände (einige Watt) oder drahtgewickelte Widerstände (einige zehn Watt) verwendet werden. Für den Stabilitäts- und Widerstandswert gibt es unterschiedliche Abstufungen in Materialverwendung und -typ. Dabei spielt die Temperaturverarbeitung eine wichtige Rolle. Übliche Arten von Widerständen bei Crossovern sind Metallfilmwiderstände und gewickelte Drahtwiderstände mit Materialien wie Nickel-Chrom (Cr + Ni), Kupfer-Nickel (Cu + Ni) und Metalloxid.

 

Ohm Ω, Leistungsklassen, Toleranz und Bifilar

Insgesamt ist der Widerstand die grundlegendste Komponente und der ohmsche Widerstandswert und die Nennleistung sind die wichtigsten Spezifikationen. Selbst bei einem Widerstand bestimmt der Toleranzprozentsatz, wie nahe der gemessene Wert letztendlich am angegebenen Wert liegt. Wählen Sie 1% Toleranz, wenn Sie genau richtig sein möchten. Wählen Sie 5%, wenn der Wert weniger wichtig ist. Zurück zur Induktion bei einem Widerstand. In der Praxis sind ideale Komponenten nicht ideal, und eine kleine Induktion tritt auch bei Widerständen auf. Die Induktion beeinflusst das Signal und um dies zu verhindern, gibt es bifilar gewickelte Widerstände. Beispiele sind die Mundorf MRES-Serie und die Dayton Audio Precision-Serie. Diese Widerstände haben oft einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten und eine sehr niedrige Induktion.

Kondensator

Kapazität (µF):

Die Fähigkeit eines Kondensators, Ladung zu speichern, mit anderen Worten; Kondensatorkapazität gemessen in Farad (F).

Spannungsklasse

Die maximale Spannung (AC / DC), bei der der Kondensator weiterhin sicher arbeiten und elektrische Ladung speichern kann. Übermäßige Spannung kann zum Ausfall des Dielektrikums führen.

Verlustwinkel tan ∂:

Verlustwinkel (Tangentendelta) wie im Verhältnis IR / IC, wobei IR für den Leckstrom bei einem Kondensatorstrom IC steht. Verluste an einem Kondensator, der an Wechselstrom (AC) angeschlossen ist. Gemessen bei 1 kHz oder 10 kHz, z. B. 0,00002 bei 1 kHz.

Strukturtyp:

Axiale (horizontaler Zylinder) oder radiale Konstruktion. Radial = beide Bolzen kommen unten am Boden heraus. Radialtyp = ein Ende entlang der Zylinderachse.

Spule

DCR

Innenwiderstandsspule, gemessen in Ohm.

Induktion

Selbstinduktionskoeffizient eines Induktors gemessen in Henry (H).

Widerstand

Ohmscher Widerstand

Widerstandswert in Ohm.

Widerstands Materialien

Material (Legierungen), aus denen ein Widerstand besteht. Meistens Nickel-Chrom (Cr + Ni) -, Kupfer-Nickel (Cu + Ni) - und Metalloxid-Filmwiderstände.

Allgemein

Kabeldurchmesser

Dicke des Kupferdrahtes gemessen in cm2 oder AWG (amerikanisch).

Leistung (RMS)

Die Leistung in Watt, die eine Komponente kontinuierlich verarbeiten kann.

Toleranz

Die Abweichung in Prozent (%) des angegebenen Wertes. Bei 5% liegt der tatsächliche Messwert des Induktivitäts- / Kapazitäts- / Widerstandswerts innerhalb von 5% des angegebenen Wertes.

Es scheint sogar, dass die Wahl der passiven Komponente ebenso viel Einfluss auf die Gesamtklangqualität hat wie das Schaltungsdesign selbst.

Ist es wichtig, welche Marke und welchen Typ Sie wählen? Ja, und es gibt viele Artikel zu diesem Thema, die die Unterschiede durch umfangreiche Tests hörbar machen und auf Papier zeigen. Auch dann ist es subjektiv. Insgesamt erhält derjenige, der gerade erst anfängt, eine allgemeine Verbesserung, wenn der Art der Frequenzweiche und der Art der Komponenten viel Aufmerksamkeit geschenkt wird.

 

Bibliographie

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