CROSSOVER

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Siamo arrivati finalmente alla mia sezione preferita, quella dedicata ai crossover, ovvero dispositivi che permettono di separare il segnale musicale per intervalli di frequenza prima che arrivi all'ingresso dei vari altoparlanti, in modo che ogni altoparlante possa riprodurre solo le frequenze che può riprodurre correttamente e senza essere danneggiato.

Esistono due tipi principali di crossover: passivi e attivi.

I crossover passivi sono basati sulle proprietà elettriche di condensatori e induttori, un condensatore è in grado di far passare solo segnali da una certa frequenza in poi mentre dualmente un induttore non fa passare più segnali oltre una certa frequenza. Essi sono collocati a valle dell'amplificatore, il termine passivo indica che non hanno un'alimentazione propria e quindi dissipano una piccola parte della potenza del segnale.

I crossover attivi sono realizzati con circuiti integrati e si possono realizzare utilizzando solo condensatori a bassa capacità e resistenze al posto dei costosi induttori. Questi devono essere alimentati e sono in grado di aumentare il livello del segnale. I filtri attivi lavorano a monte degli amplificatori (infatti i componenti attivi lavorano con segnali a bassa potenza), perciò se vogliamo ad esempio incrociare un woofer con un tweeter abbiamo bisogno di due amplificatori. Esistono poi degli xover digitali che sono in un certo senso i migliori come versatilità, sono realizzati con circuiti DSP ,operano cioè su segnali convertiti in digitale e permettono molte operazioni sul segnale. Un'altro vantaggio dei crossover attivi è che non sono sensibili al carico dell'altoparlante e in genere possono essere riusati anche se cambio gli altoparlanti con altri di modelli diversi (cosa vivamente sconsigliata con i crossover passivi)

In questa sezione analizzeremo entrambi i tipi di crossover soffermandoci di più sul progetto di quelli passivi in quanto sono più molto più semplici da realizzare e sono usati più comunemente per incrociare sistemi di altoparlanti.

Iniziamo ora ad ocuuparci dei crossover passivi:

Innanzitutto un crossover passivo è costituito necesariamente da una rete filtrante (quella che permetterà di tagliare in frequenza gli altoparlanti ) e da altre reti che talvolta sono necessarie (reti di compensazione e di attenuazione). Inoltre quando si parla di crossover implicitamente si considera un dispositivo in grado di filtrare un sistema di altoparlanti, infatti se si parla di un solo altoparlante si usa il termine filtro.

Quindi prima di tutto vediamo le caratteristiche di una rete filtrante:

Un filtro prende di solito il nome dalla funzione matematica usata per la sua sintesi: abbiamo così filtri Buttherworth , Linkitz-Riley, Chebishev, Bessel, ognuno ha diverse caratteristiche e offre negli ambiti in cui è applicato vantaggi e svantaggi, l'analisi delle diverse caratteristiche richiederebbe troppo tempo, perciò noi ci limiteremo a descrivere (e anche in modo semplice ) solo filtri di Buttherworth e Linkitz-Riley, i più usati per applicazioni musicali.

Inoltre un filtro è caratterizzato dall'ordine e dall'attenuazione (quanto riesce a non far passare le frequenze indesiderate).Più l'ordine è alto e più il filtro è selettivo (alta attenuazione). Ad esempio un filtro del primo ordine ha un'attenuazione di 6dB/oct (un'ottava è l'intervallo tra una frequenza e il suo doppio) mentre uno del secondo ordine attenua 12dB/oct, uno del terzo ordine di 18dB/oct e così via... Più si aumenta l'ordine però e più componenti sono necessari per la realizzazione.

• Possiamo avere bisogno di filtrare un tweeter e quindi abbiamo bisogno di un filtro che faccia passare solo le frequenze da una certa f in poi che chiamiamo frequenza di taglio (in realtà la definizione di frequenza di taglio è un pochino più complessa) , questo prende il nome di filtro passa alto o high pass:

filtro passa alto del 1° ordine: realizzato usando un condensatore in serie

filtro passa alto del 2°odine: realizzato usando un condensatore in serie e un induttore in parallelo

Scegliendo in modo oppurtuno i valori di C1 e L1 possiamo selezionare la frequenza di taglio che vogliamo.

• Nel caso in cui vogliamo filtrare un woofer o un subwoofer allora dobbiamo realizzare un filtro che faccia passare solo frequenze precedenti ad una certa frequenza f di taglio, questo filtro prende il nome di passa basso o low pass:

filtro passa basso del 1° ordine: realizzato usando un induttore in serie

filtro passa basso del 2°odine: realizzato usando un induttore in serie e un condensatore in parallelo

• Nel caso in cui si voglia filtrare un midrange occorre selezionare solo una certa porzione di frequenze tra una frequenza f1 e una frequenza f2, si usa allo scopo un filtro detto passa banda o band pass:

filtro passa banda del 2°ordine: realizzato usando due induttori e due condensatori

La progettazione ad esempio di una rete filtrante per un crossover a due vie richiede di progettare un filtro passa-alto e uno passa basso, perciò complessivamente lo schema sarà il seguente (è un filtro del 2°ordine):

Ora bisogna scegliere i componenti C1, C2, L1 e L2.

Come ho già detto a seconda dei valori delle componenti avrò determinate frequenze di taglio. Nel caso della progettazione di un crossover a due vie dovrò trovare una frequenza di incrocio, praticamente dovrò cercare di far coincidere le frequenze di taglio passa alto e passa basso in una certa frequenza fc che chiamo appunto frequenza di incrocio (anche se ciò non è sempre necessario). Un filtro Butterworth produce un'attenuazione di -3dB a questa frequenza fc mentre un filtro Linkitz-Riley ha un'attenuazione pari a -6dB alla frequenza fc .

I filtri passivi devono essere costruiti su misura per ogni sistema di altoparlanti tenendo conto delle caratteristiche quali risposta in frequenza, impedenza equivalente, frequenza di risonanza, posizionamento degli altoparlanti.... Per progettare in modo corretto un cossover bisognerebbe quantomeno utilizzare un buon software di simulazione che sia in grado di tracciare il modulo e la fase della risposta in frequenza dell'intero sistema (crossover più altoparlanti). Personalmente utilizzo LSPcad 3.10demo che permette di progettare un xover a due o tre vie in modo completo...comunque se non siete esperti e non dovete partecipare a qualche campionato europeo di car hi-fi potete costruire il vostro semplicissimo crossover seguendo gli schemi che ho riportato sopra e le tabelle che potete consultare quì sotto (per realizzare un crossover del secondo ordine si sceglie L1=L2 e C1=C2):

• TABELLA PER FILTRI BUTTERWORTH DEL 1° ORDINE
• TABELLA PER FILTRI BUTTERWORTH DEL 2° ORDINE
• TABELLA PER FILTRI LINKITZ-RILEY DEL 2° ORDINE

• Ricordatevi di controllare bene la resistenza dell'altoparlante e sappiate che se ho un subwoofer doppia bobina con resistenza equivalente 4+4ohm e lo collego a ponte mettendo le bobine in parallelo allora la resistenza che ottengo è di 2ohm perciò devo calcolare l'eventuale filtro passa basso su questo carico.
• Inoltre ricordatevi che in alcuni filtri a due vie è necessario invertire la polarità del tweeter (scambiando il - con il +) per evitare cancellazioni di fase tra woofer e tweeter mentre in quelli a tre vie si scambia la polarità del midrange, per questo conviene usare un software di simulazione!!

Una volta progettata la rete filtrante calcolata usando semplicemente le tabelle, può capitare che questa non si comporti come dovrebbe. Infatti le tabelle sono realizzate ipotizzando che un altoparlante si comporti come una resistenza. In realtà un modello più accurato per descrivere un altoparlante è quello di considerarlo come una resistenza (di valore Re) in serie ad una induttanza (di valore Le), Re ed Le sono parametri che dovrebbero essere forniti dal costruttore!!

Questo modello è necessario nelle simulazioni poichè gli altoparlante in genere hanno una impedenza che di solito varia (anche di molto) con la frequenza. Per eliminare questo problema si usano le cosiddette reti di compensazione dell'impedenza (o chiamate anche reti Zobel), costituite da un condensatore in serie ad una resistenza che si applicano a valle della rete filtrante.

Per calcolare i valori di C e di R utilizzate il software Simple Xover 2 che ho inserito alla fine di questo paragrafo.

Il crossover può essere poi dotato di reti che permettono di attenuare l'emissione sonora di un altoparlante, questo per evitare che prevalga sull'altro, queste sono realizzate usando due resistenze, una in serie (Rs) ed una in parallelo (Rp), quella in serie provoca l'attenuazione, quella in parallelo serve per non modificare il carico visto dal filtro.

Questi circuiti prendono il nome di reti di attenuazione (o L-Pad), sono semplicissimi da realizzare e i valori delle resistenze sono tabulati in tabelle particolari, le potete ad esempio trovare sul sito della Hertz oppure potete utilizzare il software Simple Xover 2 per calcolarle.

Ecco un esempio di un crossover a due vie dotato di rete di compensazione d'impedenza solo per il tweeter e di rete di attenuazione per il tweeter che vi illustrerà meglio come vanno montatati i componenti:

Notate che il tweeter è stato montato in controfase per evitare cancellazioni di fase.

Quando realizzate un crossover dovete stare attenti non solo a scegliere i componenti del valore giusto ma anche di sceglierli adeguati alle potenze in gioco e adatti all'impiego audio. Per quanto riguarda i condensatori è consigliabile utilizzarne di tipo in poliestere almeno per quelli che sono in serie al segnale, per gli altri bastano condensatori assiali non polarizzati (più economici), per le bobine bisogna utilizzarne del tipo avvolte in aria con filo di sezione adeguata (in base alla potenza in gioco), le resistenze vanno scelte di wattaggio adeguato (5-10w), meglio se sono a bassa impedenza.

Ho inserito infine un software che permette di calcolare semplici filtri a due vie di tipo Butterworth, reti di compensazione e di attenuazione che ho realizzato in java ed ho chiamato Simple Xover 2, potete scaricarlo od utilizzarlo in linea cliccando quì sotto, l'ho dotato anche di una piccola guida in pdf.

Parliamo un pochino anche dei crossover attivi:

Come ho già detto questi sono realizzati utilizzando dei circuiti integrati conosciuti in elettronica come amplificatori operazionali in quanto permettono di operare sul segnale analogico, un operazionale molto comune è l' LM741, di cui ne esistono vari modelli con caratteristiche diverse che ora non starò ad elencare. Il simbolo con cui un operazionale viene indicato è un triangolo in cui sono presenti due ingressi (invertente(-) e non invertente(+)) e un uscita. Esistono poi altri contatti che negli schemi talvolta vengono trascurati poichè considerati implicitamente e sono un pin per l' alimentazione positiva (V+), un alimentazione negativa (V-) e due pin per compensare l'offset (anche se non sapete cos'è non fa niente tanto questi li trascureremo). Quando acquistate un LM741 potrete notare a seconda del tipo di package un numero di pin superiore a quelli che vi ho elencato, in questo caso alcuni non servono a nulla. Per sapere a quali segnali corrispondono i pin è necessario far riferimento al manuale del costruttore. La cosa più importante che avrete fino a quì notato è che questi circuiti vanno alimentati, questo permetterà, volendo, di aumentare il livello del segnale in ingresso (cosa che non è possibile con i filtri passivi che al contrario attenuano, anche se lievemente, il segnale). Utilizzando operazionali, qualche resistenza e qualche piccolo condensatore è possibile realizzare filtri passa-alto e passa-basso attivi con guadagno e tagli in frequenza regolabili.

Questo è lo schema di un passa-basso del secondo ordine attivo realizzato con una configurazione chiamata Sallen-Key:

Per ottenere un passa-basso con Fo regolabile da 40 a 100Hz , guadagno unitario e Q=0.707 (Butterworth) basta scegliere C1=0.47uF, C2=0.235uF, R4=0 (circuito chiuso), R5=infinito (circuito aperto), R1=R2=R seguendo la tabella:

Naturalmente si utilizzeranno dei potenziometri per R1 ed R2 in modo da poter variare il loro valore in qualsiasi momento si vuole.

Per realizzare un filtro passa-alto attivo del secondo ordine duale basta sostituire C1 con R2 e C2 con R1 come mostra il seguente schema:

Una volta che si prende dimistichezza con questi componenti vedrete che la loro progettazione (almeno sulla carta) è piuttosto facile. Nella realizzazione pratica l'ostacolo più grande dato dal fatto che questi circuiti richiedono un'alimentazione duale, ad esempio l'LM741C va alimentato con una tensione V+=18V, V-=-18V per questo è necessario un circuito che consenta di ottenere dalla tensione a 12V continua fornita dalla batteria dell'auto tensioni da +18V e -18V (va bene anche +12V e -12V). Questi circuiti vengono chiamati invertitori o commutatori DC/DC. Infatti mentre per la tensione alternata (AC), quella che usiamo in casa , realizzare un alimentatore duale è molto semplice, per quella continua la situazione è diversa, sono necessari altri circuiti integrati specifici (relativamente costosi) con cui realizzare commutatori. La stessa cosa vale anche per gli amplificatori, questi infatti sono realizzati con circuiti integrati che richiedono una alimentazione duale e dunque un amplificatore necessariamente è dotato di una sezione di alimentazione che fornisce la tensione duale ed eleva la tensione di 12V della batteria a valori più alti in modo da aumentare la potenza del segnale in uscita. Un circuito che aumenta una tensione continua è detto survultore.

Come credo di avere già detto, un filtro attivo viene inserito a monte di un amplificatore e dunque lavora sul segnale preamplificato (che ha una tensione che dipende dalla sorgente ed è di norma va dai 2V ai 4V), se venisse infatti posto a valle di un'ampli, come si fa per i filtri passivi, riceverebbe in ingresso un segnale troppo elevato per l'operazionale il quale andrebbe in saturazione provocando la distorsione del segnale musicale. Questo è un motivo per cui i filtri attivi si mettono a monte di un amplificatore. I progetti che vi ho mostrato in questo paragrafo sono principalmente a scopo didattico, non ho mai provato infatti a realizzarli in pratica ma ho verificato la loro correttezza solamente tramite simulazione al computer. Questo perchè credo sia più conveniente acquistare un crossover attivo presente in commercio piuttosto che realizzarlo da sè e sicuramente con il primo si avranno risultati migliori (al contrario dei crossover passivi). Se ci volete provare sappiate che non mi assumo alcuna responsabilità dei risultati e dei probabili effetti collaterali (automobile in fiamme, finali distrutti...) :) Comunque se ci avete provato fatememi sapere come è andata a finire!