Filter componenten
... Let op: deze pagina is nog in bewerking ...
Op deze pagina wordt beschreven wat de (kwaliteits)verschillen kunnen zijn in de componenten die gebruikt worden in passieve luidspreker filters: weerstanden, spoelen en condensatoren. Er heerst nogal onduidelijkheid over de kwaliteit van de diverse componenten en wanneer deze wel of niet gebruikt mogen worden. Hier zal worden geprobeerd om enig licht in de duisternis te scheppen. De vermelde waarden zijn uit datasheets van de leveranciers gehaalt [noot 2] en [noot 3]. Aan de hand van simulaties en praktische metingen zijn de uitkomsten geverifieerd.
Algemeen doel
Het doel is om aan te geven welke parameters werkelijk van belang zijn bij luidsprekers en filters. Ook komt aan bod wat de invloed is van soorten of typen componenten met de invloeden op de werking van het filter.
De weerstand
In het figuur hieronder is het elektrisch model van een ideale en een niet-ideale weestand te zien.
Bekende uitvoeringen van weerstanden zijn: MOX, draadgewonden, koolstof, metaalfilm en bifilair gewikkelde draad weerstanden.
Qua uitvoering zijn alle weerstanden toepasbaar mits ze
niet draadgewonden zijn. Een draadgewonden weerstand is naast een weerstand namelijk ook een (kleine) spoel, wat ongewenste effecten kan opleveren.
Het benodigde vermogen voor de weerstand hangt af van de ohmse waarde en de toepassing, meestal wordt bij filters een waarde van 5W of 10W gebruikt.
De tolerantie is over het algemeen 5%, kleiner mag natuurlijk wel, maar of dit nog zin heeft is maar de vraag.
De weerstand is in de audio-keten geen kritisch component en zal op zich geen extra negatieve effecten met zich meebrengen.
De condensator
In het figuur hieronder is het elektrisch model van een ideale en een niet-ideale condensator te zien.
De C in het figuur is de uiteindelijke condensator. De Rs is een serie-weerstand die wordt veroorzaakt door de aansluitdraden en de weerstand van de geleiders in het dielectricum. De Ls is de zelfinductie van de aansluitdraden inclusief het inductieve deel van de constructie van de condensator. In het algemeen is de Rs en de Ls bij elkaar opgeteld de totale verliesfactor, ook wel ESR genoemd, en is in zekere mate frequentie afhankelijk. De Rp is een parallel weerstand die wordt veroorzaakt door de lekstroom in het dielectricum.
Wanneer condensatoren naar soort worden ingedeeld kan er onderscheid gemaakt worden in niet gepolariseerde film/folie condensator en in de gepolariseerde elko's (elektrolytisch of tantaal).
De belangrijkste verschillen zijn de grootte van de capaciteit en de bruikbaarheid bij hogere frequenties. Een elko heeft een grote(re) capaciteit maar is minder goed bruikbaar bij hogere frequenties. De conventionele condensatoren hebben een lage(re) capaciteit en zijn goed bruikbaar bij zowel lage als hoge frequenties.
De totale verliezen die een niet-ideale condensator heeft, wordt samengevat in de term ESR (electrical series resistance) en wordt voornamelijk bepaalt door de tan δ (verliesfactor).
Om de verliezen in een condensator te bepalen wordt de volgende formule gebruikt: tan δ = ESR x ω x C.
De
elektrolytische condensator kent de volgende uitvoeringen: elektrolytisch of tantalium, gepolariseerd of niet gepolariseerd (= bi-polair). Daarnaast zijn er standaard uitvoeringen en speciale low-ESR varianten.
In algemene zin is de ESR (tan δ) afhankelijk van de gebruikte frequentie en voornamelijk niet lineair bij frequenties tot 1kHz. Daarnaast hangt de ESR af van de temperatuur en de constructie inclusief aansluitdraden. Praktische waarden van de verliesfactor kunnen varieren van 0,1% tot 10%. De betere elko's zijn low-impedance typen en geschikt tot 105'C en hebben een verliesfactor die meestal onder de 0,5% zit.
Wanneer een elko als voedingsbuffer wordt gebruikt, dan is de maximaal toelaatbare ripple-current van belang. De ripple-current is de stroom die een elko zelf levert (via delta-V van voedingsrimpel). De toelaatbare ripple neemt af bij lage frequenties, bijvoorbeeld [noot 4] bij een elko bij 100Hz is de toelaatbare ripple nog maar 0,4x de nominale waarde.
Enkele belangrijke factoren over een elko: de levensduur wordt voornamelijk bepaalt door de verhouding tussen de spanning die op de elko staat ten opzichte van de maximale spanning die de elko mag hebben en in mindere mate de werktemperatuur (bron EPCOS Quality pdf).
Een gepolariseerde elko mag per definitie
niet zonder een DC-compensatie in serie met het audio-signaal gezet worden! Vanwege het feit dat het audio signaal wisselspanning is en een gepolariseerde elko alleen voor DC werkt (zie ook figuur gepolariseerde condensator). Wanneer de gepolariseerde elko verkeerd aangesloten wordt dan loopt de dissipatie op en kan deze defect raken. Toepassingen waar een gepolariseerde elko zonder DC aanpassing als in- en/of uitgangskoppeling wordt gebruikt is dus fout!
Kritische punten zijn ook de frequentie afhankelijkheid van de elko [noot 5]. Als voorbeeld bij een elko en 20'C in het audio bereik (20 tot 20kHz): capaciteit verandering is +2 tot -5%; de tan δ varieert van 0,1 tot 1,5; de maximale ripple-stroom varieert van 0,6x tot 1,1x.
Dus waar kun je een gepolariseerde elko wel gebruiken: in alle DC toepassingen met als aandachtspunt dat boven de 1kHz het frequentie afhankelijk gedrag mogelijk niet meer lieair is. Gepolariseerde elko's zijn dus niet toepasbaar in AC toepassingen, ongeacht waar of in welke omstandigheden.
De
conventionele condensator kent o.a. de volgende uitvoeringen: MKT, MKP, FKP, KPU, Au-Sn, etc...
De meest bekende conventionele condensatoren voor audio zijn de MKT (=polyester) en MKP (=polypropyleen) uitvoeringen. Het belangrijkste verschil is dat de MKP een nog lagere verliesfactor (tan δ) heeft: MKP <0,05% tegen <0,5% voor MKT.
Een klein nadeel van deze condensatoren is dat de tan δ min of meer frequentie afhankelijk is. Nu wordt over het algemeen aangenomen dat onderlinge verschillen in audio die kleiner zijn dan -65dB ofwel minder dan 0,1%, niet of nauwelijks meer waargenomen kunnen worden. Voor de condensatoren is dit te herleiden naar de tan δ, waarden kleiner dan 0,1% zijn technisch wel beter maar verschillen niet meer hoorbaar. En betere condensatoren zijn daarmee niet of nauwelijks meer een verbetering van het waarneembare geluid.
Een minder bekend nadeel wat deze condensatoren hebben, is het feit dat de maximaal toelaatbare spanning (AC) frequentie afhankelijk is. Ter indicatie: een polypropyleen condensator van 2u2F/160VDC mag bij 1kHz 100VAC hebben, maar bij 20kHz nog maar 30VAC! Bij 4u7F/160VDC en 20KHz nog maar 15VAC! [noot 6]
Wanneer zo'n condensator bij hogere frequenties meer spanning te verwerken krijgt, neemt de dissipatie en daarmee de vervorming sterk toe. In formule vorm is de dissipatie: dV/dt = Ip/C = Vpp/τ = k0 / 2.Vpp. Hogere spanningen beperken dus de maximaal toelaatbare stroom en hogere frequenties beperken de maximale spanning, vice versa.
Dus, feit: toegelaten VAC waarde is afhankelijk van nominale VDC waarde en
frequentie.
Gestapelde film condensatoren zijn 'iets' beter dan gewikkelde film exemplaren omdat door de bouwvorm er minder zelfinductie optreed en bij eventuele doorslag er maar een klein deel van de condensator defect raakt. (Bron: General-specification en Film-caps;specifications van Epcos, Vishay en AVX.)
Alle condensatoren hebben last van de ESR en ESL, dus een bepaalde verlieswaarde. Deze invloeden beperken onder andere de maximale werk-frequentie. Uitgedrukt in als een weerstand, is de Xc vanaf DC gedeeltelijk lineair waarbij de Xc omgekeerd evenredig is met de frequentie. Bij hogere frequenties zijn de invloeden van ESR en ESL niet meer verwaarloosbaar en niet lineair, dit deel dient vermeden te worden. Dit is afhankelijk van type en de gebruikte toepassing.
De levensduur van alle condensatoren wordt bepaalt door een (willekeurige mix van-): maximale spanning versus werk spanning; temperatuur; gebruikt frequentie bereik; belasting (i.v.m. maximale stroom).
De door de fabrikant opgegeven levensduur is de maximale waarde. Wanneer een van de nominale input parameters wordt overschreden gaat de dissipatie omhoog en de levensduur naar beneden.
Adviezen:
Gebruik in de audio keten geen elko's; indien niet te vermijden dan alleen orginele bi-polaire (niet zelf maken: afwijkingen/variatie!). Elko werken beperkt tot maximaal enkele kHz; bij lage frequenties (<100Hz) rekening houden met hogere ESR waarden: tot 4 Ohm niet ongebruikelijk...
Gebruik daarom in de audio keten bij voorkeur MKT of MKP met minimaal 4x de maximaal optredende piek-spanning, verder onderling verschil is er nauwelijks. Aangezien MKP iets beter is en de prijzen relatief gelijkwaardig zijn aan die van MKT, is een MKP condensator de beste keus. Maar nogmaals, onderlinge verschillen zijn erg klein.
Elko's zijn in de audio in mijn opinie alleen toepasbaar als voeding- of stabilisatie-condensator, hierbij geldt dat alleen de ESR in het werk/audio gebied voldoende laag moet zijn voor de gewenste toepassing.
De spoel
Is een component. Een elektrische spoel, een inductief geval...
De Rs in het figuur is de DC-weerstand van de spoel, dit is de pure Ohmse weerstand. De L is de feitelijke zelfinductie van de spoel waar alles om draait. Dan is er nog de Cp wat de parallel capaciteit is die veroorzaakt wordt door de onderlinge invloed van de wikkelingen en parallel over de weerstand en de aansluit draden staat. Formeel zijn er nog meer verliezen: een spoel met een kern heeft ook nog verliezen in het kernmateriaal zelf, de wervelstroom verliezen, maar daar wordt nu niet verder op ingegaan. In de praktijk is Cp zo klein dat het zeker in het audio gebied nagenoeg verwaarloosbaar is.
Bekende uitvoeringen van spoelen zijn die met en zonder een kern. In audio toepassingen zijn spoelen meestal circulair gewikkeld van rond draad of band-koper waarbij de uiteinden gelijk de aansluitdraden zijn.
De parameters die van belang zijn bij spoelen zijn: de draad-diameter die van belang is voor de ohmse (DC) weerstand; de kwaliteit en het soort van de kern, indien aanwezig bepaalt dit de maximale stroom in verband met de magnetische verzadiging en hysteresis; etc...
Nog een fenomeen wat speelt bij spoelen is dat bij hoge frequenties het skin-effect mee gaat spelen. Echter, dit effect begint pas bij een tiental kHz'en en is niet per definitie een nadeel. Een spoel is namelijk een weerstand voor hogere frequenties, hier zou het skin-effect dus wat kunnen 'helpen'!
Voornamelijk vanwege het feit dat invloeden door het skin-effect pas ver boven het audio gebied (> 50kHz) effecten gaan opleveren, wordt het in het verdere verhaal dan ook verwaarloosd.
Spoelen met waarden groter dan ongeveer 2 mH in serie met luidsprekers discutabel. De impedantie van die grotere spoelen is namelijk ook bij lage frequenties al zo hoog dat deze de afstemming van de luidspreker negatief gaat beïnvloeden. Dit is ook niet meer te corrigeren door de afstemming van de luidspreker of de kast te veranderen!
Als voorbeeld: een spoel met een waarde van 10mH en een Rdc van 0,6 Ohm (is een goed bekend staande spoel!) heeft bij 60Hz een totale impedantie van bijna 4 (!) Ohm. Dit zorgt er onder andere voor dat de dempingsfactor 2 wordt, en de eindversterker nauwelijks controle houdt over de luidspreker bij resonanties.
Een luchtspoel is altijd de beste oplossing in verband met de laagste afwijkingen op hogere frequenties, echter bij hogere waarden kan dit leiden tot extreem grote spoelen. Dan is een spoel met een ferriet-kern een praktische oplossing. Kernen van geperst ferriet geleiden elektrisch niet en kunnen daarom ook geen wervelstroom-verliezen hebben. Bekende namen/typen hierin zijn: Ferrocore en Ferrobar.
Resumerend: een luchtspoel is altijd beter; goed alternatief is een kernmateriaal van ferriet. Vermijd bij voorkeur waarden groter dan 2mH in verband met de hoge impedantie bij lage frequenties.
Berekeningen
In het kader van de relatieve eenvoud wordt uitgegaan van een (praktische) belasting van het luidspreker filter met een 2-weg luidspreker die geschikt is voor redelijke en realistische volumes.
De luidspreker is nominaal 8Ω, in werkelijkheid varieert deze van 3,2Ω tot 14Ω in het frequentie bereik van 20Hz tot 20kHz.
Vereiste volume/geluidsdruk is 100dB; aangenomen wordt dat afzonderlijke speakers een rendement hebben van 85dB/W, dan is om die benodigde 100dB te bereiken een versterking nodig van 15dB. De vermogensversterking is daarmee 32x, dan is het benodigde vermogen (minstens) 32WRMS. Die 32WRMS geeft bij de laagste ohmse waarde een maximale piekstroom van 4,5A en een maximale piekspanning (bij maximale ohmse waarde) van 30V.
Stel dat het gemiddelde luistervolume 85dB is (realistisch) dan is het vermogen nominaal 1W. Hiervan gaat het grootste deel naar de lage(re) tonen, deze vereisen afhankelijk van de muziek(soort) al gauw 60-80% van het totaal opgenomen vermogen.
Wat deze cijfers zeggen? Niet veel, maar dan krijg je een idee wat er gebeurt in de luidspreker qua spanning, stroom en vermogen.
Pas na het filter wordt de doorgelaten spanning frequentie afhankelijk gemaakt, wat tot gevolg heeft dat elk component moet voldoen aan de maximaal optredende spanning.
Een probleem van elke(!) luidspreker is dat het geen ohmse belasting is maar overwegend inductief is.
Omdat de luidspreker zich niet perfect ohms gedraagt, is de overdrachtsfunctie van het filter ook niet perfect. Het type luidspreker unit bepaalt dus
mede het gedrag van het filter. Een berucht probleem is dat wanneer een wisselfilter een erg hoge Q-factor heeft, rond het kantelpunt een opslingering ontstaat van de spanning (=resonantie) die zelfs andere delen in het wisselfilter kan beïnvloeden!
Praktisch voorbeeld
... Let op: onderstaande is nog in bewerking ...
Hieronder wordt een praktisch voorbeeld uitgewerkt met uitleg over de werkelijke en vermeende gevolgen.
Het betreft hier een 'doorsnede' 2-weg luidspreker met een goede naam.
De bas/middentoner is gefilterd als 1e orde met Ls=0,68mH en met een Zobel (impedantie correctie) van 6,8R en 2u2F.
De tweeter is gefilterd als 2e orde met Cs=12uF en een Cp=0,2mH en met een Zobel (impedantie correctie) van 6,8R en 2u2F.
Bij een spoel van L=0,68mH: Xl@40Hz= 0, Ohm. Xl@200Hz= 0, Ohm. Xl@2kHz= Ohm. by-the-way: geeft een DF van (8/0,14) 57 @40Hz en 11,5 @200Hz! Dit is nog exclusief R-serie van bekabeling!
Vermeende ESR en tanδ bij C's in HPF. HPF met Cserie = 14uF en Lpar 0,22mH en Zobel met 8,2R en 2u2F.
Bij C=14uF: Xc@200Hz= 57 Ohm. Xc@2kHz= 5,7 Ohm. Xc@20kHz= 0,57Ohm.etc...
Nog vragen?
Heb je vragen? Stuur een gerust een email.
Op de pagina contact vind je meer informatie en een contactformulier.
[1]: AES2-1984, AES, Recommended Practice, Specification ofLoudspeakerComponents Used in Professional Audio and Sound Reinforcement. New York : Audio Engineering Society, 1984.
[2]: Merken gecontroleerd: AVX, Epcos, Rubycon, Sanyo, LCR Electronics, Panasonic/Masushita, Vishay; speciale (audio)merken: Auricap, Audyn, Intertechnik
[3]: Merken gecontroleerd: AVX, Sanyo, LCR Electronics, Vishay; speciale (audio)merken: Jenssen, Intertechnik.
[4]: Elna, radiaal Low impedance 105'C, serie RJH. Bron datasheet Elna.
[5]: Bronnen: Elna en Epcos technical datasheets.
[6]: Bron: Vishay MKP 1845 serie polypropyleen film. Effecten gelden voor elk merk en type; Vishay-Roederstein, WIMA, Epcos etc...
