Klantenservice
0
Sluiten

Categorieën

Filters
    Rick - Maandag 18 November 2020

    De basisprincipes van crossover-componenten.

    Dit artikel zoomt in op LCR-componenten die gebruikt worden in een passief crossover. In een passief speaker crossover maak je gebruik van drie passieve componenten, een spoel, condensator en een weerstand, ook wel LCR-componenten genoemd. Ze worden passieve componenten genoemd omdat ze geen voeding vereisen om te werken, in tegen stelling tot actieve crossovers. LCR-componenten zijn de drie belangrijkste passieve componenten. Zij vormen binnen een AC circuit de basis voor bijna elke schakelingen die je kan bedenken. In audioschakelingen voornamelijk voor het filteren, koppelen en ontkoppelen van signalen. Een elektrisch signaal is een wisselspanning (AC) en kan gefilterd worden op basis van de desgewenste crossoverfrequentie om hoge en lage tonen te scheiden. Afgezien van een erg goed full range driver aanbod is er bijna geen driver te vinden die het hele audiospectrum van 20 Hz – 20 kHz goed weer kan geven zonder vervorming op eenzelfde geluidsniveau. Daarom ontkom je in de meeste speakerontwerpen niet aan een crossover. We noemen ze dus passieve componenten. Maar zijn ze wel zo passief als we de componenten gebruiken in audioschakelingen? Welke componenten moet je kiezen? En wat maakt het dat je deze 3 componenten kan gebruiken voor je crossoverfilter? De volgende alinea’s leggen de basis uit van elk component en proberen we antwoord te geven op bovenstaande vragen. Het artikel laat je niet zien wat het beste merk of component is. Dit verschilt in elk ontwerp, echter kom je met deze basisinformatie dichter bij een goede componentkeuze voor in crossover gebruik.

     

    Condensator 

    Een eenvoudige eerste benadering zijn condensatoren componenten die als frequentieafhankelijke weerstanden kunnen worden beschouwd. Dit component bestaat uit twee geïsoleerde geleiders (platen/elektroden) die naast of tegenover elkaar gescheiden zijn door een isolatiecomponent die bekend staat als een diëlektricum. Diëlektricum is een materiaal dat geen elektriciteit geleidt. Condensatoren worden genoemd naar hun diëlektricum zoals keramische condensatoren en elektrolytische of Polypropyleen condensatoren.

    De capaciteit van een condensator noemen wij farad (afgekort F) en heeft het ‘vermogen’ om elektrische lading op te slaan. Net zoals bij een spoel is de eenheid farad in audio toepassingen erg hoog en gebruiken we kleinere eenheden.

    Basis

     

     

     

     

    farad (F)

    millifarad (mF)

    microfarad (mF)

    nanofarad (nF)

    picofarad (pF)

    1

    10-3

    10-6

    10­­-9

    10-12

    In tegenstelling tot een weerstand zet een condensator het vermogen dat met de capacitieve stroom is geassocieerd niet om in warmte, maar wordt het in de vorm van energie opgeslagen in het interne elektrische veld van de condensator. Je krijgt al die energie weer terug op het moment dat de condensator ontlaadt in het geval van gelijkspanning (DC). Een condensator laat gelijkstroom niet door. Echter, bij een wisselstroom (AC) juist wel. Bij wisselstroom varieert de spanning waarop de condensator is aangesloten voortdurend. In de praktijk loopt er voortdurend een laadstroom of een ontlaadstroom (lees wisselstroom). De grootte van deze laad- en ontlaadstromen hangt af van twee factoren; 

    • de capaciteit van de condensator F;
    • de frequentie f

    Omdat de wisselstroom bij toename van capaciteit en/of frequentie toeneemt, kunnen we zeggen dat de weestand dan kleiner wordt. Deze weerstand bij een condensator noemen we de capacitieve weerstand (Xc), ook wel capacitieve reactantie.

     

    Xc = capacitieve weerstand in ohm (Ω);

    Xc = 1 / (2π  f C)

    f = frequentie in hertz (Hz);

     

    C = capaciteit in farad (F).


    Conclusie; door zijn frequentie afhankelijke weerstand als eigenschap biedt de condensator meer weerstand bij lage frequenties dan bij hoge frequenties. Hierdoor wordt hij ingezet in een crossover om lage frequenties weg te filteren. De formule die je uiteindelijk kan gebruiken om tot de juiste capaciteit te komen is als volgt:

    C = 1 / (2 π  f Xc)

    Type condensator, Voltage klasse, diëlektricum en materialen

    Er zijn grofweg 3 type condensatoren op basis van hun opbouw; filmcondensatoren, keramische condensatoren en elektrolytische condensatoren. In crossovers gebruiken we voornamelijk film/foil- en elektrolytische condensatoren, want niet elk type is geschikt voor audio toepassingen. Het diëlektricum, spanningswaarden (voltage rating) en de capaciteit zijn de meest belangrijke aspecten. De capaciteit van een condensator is afhankelijk van drie factoren; het oppervlakte van de elektroden, de afstanden tussen de elektroden en de waarde van het gebruikte diëlektricum. Voor een grotere capaciteit moet het oppervlak van de geleiders worden vergroot en de onderlinge afstand verkleind. Dit wordt veelal bereikt door het geleidend materiaal op een dunne isolator (het diëlektricum) aan te brengen en dit op te rollen. Voorbeelden zijn de cilindervormige condensatoren waar de film/folie geleiders zijn opgerold zoals Polypropylene, Metalized Polypropylene en Non-Polarized/bipolaire elektrolytische condensatoren. Per type condensator zijn er reeksen in verschillende spanningswaarden zoals 63V, 100V, 250V, 400V, 630V etc. Dit is een belangrijke factor want bij een te hoge spanning kan het diëlektricum doorslag geven. Verder geldt dat de capaciteit van een condensator niet stabiel is bij wisselende temperaturen. Per type kan dit verschillen en is een factor om rekening mee te houden. Bij condensatoren geniet 1% tolerantie de voorkeur echter, doet 5% tolerantie niets af aan de condensator kwaliteit.

     

    Spoel

    Door zijn frequentie afhankelijke weerstand als eigenschap biedt een spoel meer weerstand bij hoge frequenties dan bij lage frequenties. Een spoel bestaat uit niets anders dan gewikkeld geëmailleerd koperdraad (lakdraad) dat in een spiraal rondom een kern is gewikkeld. De kern kan een ferrietkern, ijzerkern of een luchtkern zijn, wat gewoon een leeg gat is. Een spoel kan hoge frequenties weg filteren en werkt in feite het tegenovergestelde van een condensator. De eigenschap van een spoel is de spoelconstante oftewel de coëfficiënt van zelfinductie aangegeven in de letter L, gemeten in de eenheid henry (H). Het geeft aan in welke mate er in de spoel een zelfinductiespanning wordt opgewerkt. Veelal gebruikt in kleinere eenheden.

    Basis

     

     

     

     

    henry (H)

    millihenry (mH)

    microhenry (mH)

    nanohenry (nH)

    picohenry (pH)

    1

    10-3

    10-6

    10­­-9

    10-12


    Een spoel werkt in principe het tegenovergestelde als een condensator. Een spoel slaat energie op in het magnetisch veld. Deze energie komt weer vrij wanneer de stroom door de spoel onderbroken wordt. De snelheid waarmee de stroom door een spoel verandert hangt af van de spanning over de spoel. Wanneer de frequentie groter wordt zal het magnetisch veld in de spoel vaker per seconde van noord- en zuidpool wisselen. De stroom (oftewel magnetisch veld) neemt sneller toe en af. De zelfinductiespanning die de stroom tegenwerkt neemt toe en daardoor wordt de inductieve weerstand groter. Inductieve weerstand is dus afhankelijk van:

    • de zelfinductie coëfficiënt in L;
    • de frequentie f.

    Toename van de zelfinductiespanning heeft hetzelfde effect op de stroom als een toename van de draadweerstand, namelijk een afname van de stroom. Deze weerstand ten gevolge van inductie is inductieve weerstand (X­­l) ook wel inductieve reactantie genoemd.

     

    Xl = inductieve weerstand in ohm (Ω)

    Xl = 2 π f L

    f = frequentie in hertz (Hz)

     

    L = inductie in henry (H)


    Conclusie: door zijn frequentie afhankelijke weerstand als eigenschap biedt de spoel meer weerstand bij hoge frequenties dan bij lage frequenties. Hierdoor wordt hij ook ingezet in een cross over om hoge frequenties weg te filteren. De formule die je uiteindelijk kan gebruiken om tot de juiste inductie te komen is als volgt;

    L = Xl / (2 π f)

     

    Type spoel, tolerantie en materialen

    Een spoel met ferriet of ijzerkern verhoogt het inductievermogen, bevat minder koperdraad dan luchtkernen van eenzelfde waarde en produceren minder gelijkstroomweerstand. Minder koperdraad resulteert vaak in een lagere prijs. Verder zijn er nog “luxere” spoelen zoals foliespoelen, gewaxte litzedraadspoelen en ringkernspoelen. Ieder met zijn eigen specifieke eigenschappen. Ook bij spoelen zijn verschillende gradaties in materiaalgebruik en type ervoor bedoelt om de stabiliteit en waarde te definiëren. Temperatuurverwerking en power handling spelen hier een belangrijke rol in. Uiteindelijke bepaalt het tolerantiepercentage hoe dicht de gemeten waarde uiteindelijk bij de vermelde waarde ligt en hoe precies je uiteindelijke schakeling wordt. Wil je dicht bij je berekende waarde komen, kies dan voor 1% tolerantie. Een spoel met 5% tolerantie doet niets af aan de kwaliteit alleen wijken de uiteindelijke waardes meer af. Zowel een condensator als een spoel zijn de belangrijkste componenten van een scheidingsfilter, maar beide op een andere manier. Spoelen veranderen het klankkarakter niet het signaal. Condensatoren zijn hier gevoeliger voor en daarbij speelt dit meer een rol. De belangrijke aspecten bij het kiezen van een goede spoel liggen meer op power handling en het type spoel. Wanneer de kwaliteit van materiaal en de plaatsing van de spoel goed zijn zal een spoel t.o.v. een condensator geen invloed uitoefen op het signaal. Het juist plaatsen van een spoel (in de juiste hoek haaks op elkaar) zal crosstalk en ruis voorkomen. Tot dusver de basisprincipes van een condensator en een spoel. Een condensator en een spoel in een crossoverfilter laten een faseverschil zien tussen spanning en stroom, ze zijn zogenoemd reactief. Het gedrag van een spoel in combinatie met een condensator variëren in tijd en is een hoofdstuk apart. Dit wordt niet verder toegelicht.

     

    Weerstand

    Letterlijk staat ‘weerstand’ in technische termen voor de mate van tegenwerking die elektronen ondervinden bij hun verplaatsing door een materiaal, de weerstand dus. Weerstanden gebruikt in crossovers, Zobel netwerk of L-Pad circuit noemen we ohmse weerstanden. Ideale weerstanden hebben geen ‘last’ van zelfinductie en hebben geen capacitieve werking. Er is geen verschil in eigenschap bij het aansluiten van een ohmse weerstand op wisselspanning of gelijkspanning. Bij het aansluiten van een ohmse weerstand op wisselspanning noemen we de ondervonden weerstand wisselstroomweerstand, schijnbare weerstand of impedantie. De term impedantie is de voor de hand liggende term echter is de impedantie gelijk aan de gelijkstroomweerstand in ohms (Ω).

    • Als de spanning over een ohmse weerstand groter wordt, wordt de stroom volgens de wet van Ohm evenredig groter. V = I R.

    In crossover toepassingen gebruikt men weerstanden die nauwelijks ruis veroorzaken. We gebruiken koolweerstanden, metaalfilmweerstanden en (bifilair (twee draden)) gewikkeldedraadweerstanden. Koolweerstanden kunnen geen hoge vermogens kunnen verwerken en wordt veelal metaalfilmweerstanden (paar watts) of draadgewonden weerstanden (tientallen watts) gebruikt. Verschillende gradaties in materiaalgebruik en type zijn er voor de stabiliteit en weerstandswaarde. Temperatuurverwerking speelt hier een belangrijke rol in. Gangbare type weerstanden in crossover zijn metaalfilmweerstanden en gewikkelde draadweerstanden met de materialen zoals nikkel-chroom (Cr + Ni), koper-nikkel (Cu + Ni) en metaaloxide.

     

    Ohm Ω, vermogens klasse, tolerantie en bifilair.

    Over het algemeen is de weerstand het eenvoudigste component en zijn de ohmse weerstandswaarde en power rating de belangrijkste specificaties. Ook bij een weerstand bepaalt het tolerantie percentage hoe dicht de gemeten waarde uiteindelijk bij de vermelde waarde ligt. Kies voor 1% tolerantie als je precies goed wil zitten. Kies 5% als de waarde er minder om doet. Terugkomend op inductie bij een weerstand. In de praktijk zijn ideale componenten niet ideaal en treedt er ook bij weerstanden een kleine inductie op. Inductie beïnvloedt het signaal en om dit te voorkomen zijn er bifilair gewikkelde weerstanden. Voorbeeld zijn de Mundorf MRES serie en Dayton Audio Precision Series. Vaak hebben deze weerstanden zeer lage temperatuur coëfficiënt en een zeer lage inductie.

    Condensator

    Capaciteit (µF):

    Het vermogen van een condensator om lading op te slaan ofwel de capaciteit van de condensator gemeten in farad (F).

    Voltage klasse

    Het maximale voltage (AC/DC) waarbij de condensator veilig blijft werken en elektrische lading kan opslaan. Te hoge spanning kan doorslag van het diëlektricum geven.

    Tan ∂:

    Verlieshoek (tangens delta) als in verhouding IR/IC waar IR voor de lekstroom staat bij een condensatorstroom IC. Verliezen bij een condensator die aangesloten wordt op wisselspanning (AC). Gemeten bij 1 kHz of 10 kHz zoals 0.00002 @ 1kHz.

    Constructie type:

     

    Axiale (horizontale cilinder) of Radiale opbouw. Radial = beide pinnen komen uit aan de onderkant van de bodem. Radial type = een uiteinde langs de as van de cilinder.

    Spoel

    DCR

    Interne weerstand spoel, gemeten in ohms.

    Inductie

    Coëfficiënt van zelfinductie van een spoel gemeten in henry (H).

    Weerstand 

    Ohmse weerstand

    Weerstandswaarde in Ohm.

    Materialen weerstand

    Materiaal (legeringen) waar een weerstand van gemaakt is. Vaak Nickel-chromium (Cr + Ni), copper-nickel (Cu + Ni) en metal oxide film weerstanden.

    Algemeen

    Draad diameter

    Draaddikte van koperdraad gemeten in cm2 of AWG (Amerikaans).

    Vermogen (RMS)

    Het vermogen in watts dat een component continu kan verwerken.

    Tolerantie

    De afwijking in procenten (%) van de vermelde waarde. Bij 5% ligt de werkelijke gemeten waarde van de inductie/capaciteit/weerstandswaarde binnen 5% van de vermelde waarde.

    It even appears that the choice of passive component may have as much effect on the overall sound quality as the circuit design itself.

    Maakt het uit welk merk en welke type je kiest? Ja en hier zijn genoeg artikelen over te vinden die met uitgebreide testen laten zien wat hoorbaar en op papier de verschillen zijn. Dan nog is het subjectief. ‘Overall’ gezien is er voor iemand die net begint al winst te behalen wanneer veel aandacht wordt geschonken aan het type crossover en type componenten.

     

    Bibliografie

    Alden, R. (2004). Speaker Building 201 (First ed.). Segment LLC. Retrieved 2020

    Colella, T. (2020, October 8). Capacitors in Audio Crossover Networks. Retrieved October 8, 2020, from electrocube: https://www.electrocube.com/pages/capacitors-in-audio-crossover-networks-data-sheet

    Colloms, M. (1985, October). A Passive Role? Hi-Fi News & Record Review, 4. Retrieved September 2020

    Colloms, M. (1985, December). Capacity To Change. Hi-Fi News & Record Review, 3. Retrieved September 2020

    Fredricks, H. (n.d.). Elektrotechniek 2 MK. Nijgh Versluys.

    Hill, P. H. (2010). Elektronica Kunst & Kunde. (E. Bogers, L. van Loock, D. van Spronsen, & T. Vandenborn, Trans.) Susteren, Nederland: Elektor International Media B.V. Retrieved 2020

    Lawrence, M. (2020, October). How components work. Retrieved from calsci: https://www.calsci.com/audio/X-Overs2a.html

    Ricardo, & Fields, E. (2020, October). questions. Retrieved from Electrical Engineering: https://electronics.stackexchange.com/questions/264896/how-do-i-find-c-l-from-xc-and-xl

    Thiele, N. (2002). An Inexpensive Precise Passive. Audio Engineering Society Conference Paper (p. 11). St. Petersburg, Russia: AES. Retrieved September 2020, from https://www.aes.org/tmpFiles/elib/20201001/11219.pdf

    L. Mero Paolini, Photos of the “final” crossover of Lana 2.2, http://loudspeakers.merlo.hu/

    • Rik Gielen

      Geplaatst op vrijdag 27 november 2020 22:08

      Door deze titelkeuze verwachtte ik welke invloed(en) een passief component heeft indien dit geschakeld is met een luidspreker.
      En dan beland je snel in een volledige cursus over filterhellingen, over impedantie, frequentie, octaaf enz en dat is niet samen te vatten op enkele pagina's.

    Toon meer

    Recente artikelen

    Vergelijk 0

    Voeg nog een product toe (max. 5)

    Start vergelijking

    Door het gebruiken van onze website, ga je akkoord met het gebruik van cookies om onze website te verbeteren. Dit bericht verbergenMeer over cookies »