Passiv & aktiv


theorie & praxis

Wenn man mit BassCad & XSim3D oder anderen Sim-programmen versteht umzugehen, die Eigenschaften Butterworth, Linkwitz bis Tschebyshew studiert hat ist man bereits einen großen Schritt voran gekommen. Ein Tiefpass nach Linkwitz hat große Induktionen/Spulen und geringe Kapazitäten/Kondensatoren bei geringer Phasenverschiebung, das Layout eines Filter ob Linkwitz, Butterworth... ist das Gleiche, nur die Bauteilwerte bestimmen die Eigenschaft der Filter.

Das Prinzip einer passiven Weiche beruht auf dem Einfluss auf den Impedanzverlauf des Chassi, vereinfacht kann man erkennen das die Impedanzkurve ein Invert der Frequenzkurve darstellt.

Aber der Frequenzgang eines Lautsprechers ist keine Gerade, abhängig von seinen techn. Daten beschreibt er seinen spezifischen Frequenzgang. Daher bedarf er oft Korrekturen z.B. die für Tieftöner typische Überhöhung/Bündelung im oberen Freq.Bereich welche stark gedämpft werden muss. Dies hat wiederum einen deutlichen Einfluß auf den Phasenverlauf und den weiteren Aufbau der Weiche. Dadurch kommt häufig eine Weiche heraus die mit der Theorie nicht mehr viel zu tun hat und zeigt an, das für eine gute Eigenentwicklung kaum eine Weiche von der "Stange" geeignet ist.

Theorie

Linkwitz Filter 2.Ordnung Fc350Hz bei einer Belastbarkeit von 150Watt bei ü. 20€ anzusetzen.

Chassi

Hier ist der FRD & ZMA eingelesen, das Chassi ohne Filter, Messungen des Herstellers 0°, Messung  auf Axe.

Praxis

Hier mit dem Filter laut Berechnung. Der starken Bündelung ist mit 2.Ordnung nicht bei zu kommen.

Eine Lösung

Filter 4..Ordnung, das geht ist passiv kostspielig, die weiteren Filter werden aufwendiger.


die flankensteilheit

Definition

HochPass und TiefPass ist selbsterklärend, man sollte dabei nicht vergessen das Hoch od. Tief relativ ist denn ein Hochpass kann bei 100Hz beginnen und ein Tiefpass bei 10kHz enden.

Ein Frequenzgang wird auf der X-Axe/Hz logarithmisch und auf der Y-Axe/db linear dargestellt, eine Schalldruckänderung von +3db bedeutet die Verdoppelung der Lautstärke. In der Akustik wird die Flankensteilheit in db/Oktav angegeben, eine Oktave aus der Musik übernommen, ist die Verdoppelung der Frequenz: wie eine Tonleiter [c d e f g a h C~"]
,
das ist für die Akustik ein praktisches Maß, mathematisch wird in Dekaden gearbeitet also das 10fache der Ausgangsfrequenz ein ebenso praktisches Maß für die Berechnung in der Audio Technik.


Neben stehend ein Bandpass 300Hz/6kHz mit 24db Flankensteilheit, also im Bereich 300Hz-600Hz und 6kHz-12kHz ist der Pegel um jeweils 24db durch den Filter abgefallen.

Tiefe Frequenzen benötigen die meiste Leistung der Endstufe, sind aber quantitafiv nicht unbedingt der größte Anteil im Musikgeschehen. Dieser Bandpass mit diesem Chassi ist ideal gut, kann  anteilig maximal 80W verkraften.
Je tiefer die Einsatzfrequenz gewählt wird desto früher kommt das Chassi in seinen Grenzbereich, ab 1kHz eingesetzt wird das gleiche Chassi weniger Leistung verarbeiten müssen.
Man sollte die Belastbarkeit im Hinblick auf die Gesamtleistung einer Box immer im Blick behalten sonst kann das ein unnötig kostspieliges Erwachen werden. Wenn möglich würde ich keine Trennfrequenz im Bereich 500Hz bis 3KHz ansetzen, da genau dieser Freq.Bereich für das menschliche Hörempfinden der sensibelste ist und ein Bandpass die kritischste Einheit einer guten Entwicklung ist.

Wenn ein Tieftöner mit 88db Kennschalldruck aktiv auf einen Pegel von 91db angehoben wird also+3db, bedeutet das die verdoppelung der Lautstärke und erfordert die doppelte Leistung, die das Chassi auch verarbeiten muss. Bei passiver Trennung geht das ohnehin nur im Bi-Amp Betrieb, weil dann die Endstufe für den Tieftöner hoch geregelt werden kann.  

 


Diese Abbildung zeigt die Eigenschaften Linkwitz, ein breitbandiger Übergang und Tchebyschew steilflankig mit leichter Überhöhung im Trennbereich. 
Diese Eigenschaften kann/sollte man sich in Abhängigkeit des Chassi Frequenzganges zu nutze machen.

Alle anderen Filter Butterworth usw. kann man wie gesagt sehr einfach mit BassCad per MouseClick studieren. Für eine Weiche ist auch die Kombination mit verschiedenen Typen also Linkwitz Tiefpass mit einem Butterwoth Hochpass oder aus beiden einen Bandpass machbar, es gibt also keine Dogmen sondern ein möglichst linearer Frequenzgang ist das Ziel einer Entwicklung. Nach Studio Norm +-3db/Oktav Linearität innerhalb der angegebenen Punkte, also Tiefpass -3db bis Hochpass -3db. Diese Genauigkeit zu erreichen ist oft recht Aufwendig zum mischen von Sounds im Studio wichtig, als Abhöre bzw. gut klingende Box ist das nicht unbedingt geeignet. 

Ein Bandpass besteht aus einem Hoch und Tiefpass, logisch kann es keinen (elektrischen) Bandpass 1.Ordnung geben, wohl aber  eine Flankensteilheit von "nur" 6db/Oktav den BPass 2.Ordnung.  4.Ordnung hat also 12db/Oktav und 6.Ordnung 18db/Oktav usw. Man erkennt schon das der Aufwand sich jeweils wie der zu erwartende Preis nahezu verdoppelt. Eine hohe Flankensteilheit ist im grunde nur dann erforderlich wenn das ausgesuchte Chassi im Übergangsbereich problematisch ist, in der Praxis reicht 4.Ordnung/12db oft aus. Der Nachteil einer geringen Flankensteilheit ist die Tatsache das sich im Übergangsbereich zwei Chassis im gleichen Freq.Bereich die Arbeit Teilen und Interferenzen/Auslöschungen entstehen können, so etwas klingt in der Regel recht undifferenziert/schwammig. Ein all zu oft begangener Fehler ist sich einer Entwicklung hinzugeben und diese nicht mehr kritisch zu hinterfragen, besser gesagt zu hinterhören :-). Meine Empfehlung, unsere Ohren sind sehr empfindliche Organe auch ungeübte hören sofort unterschiede heraus, man sollte am besten rein akustische Instrumente Gesangs Soli dazu verwenden, die Basstauglichkeit teste ich auch mit akustischen Instrumenten.

Hier der Wermutstropfen und mein erstes Argument für aktive oder DSP-Weichen: passiv benötigt man ein Sortiment an Bauteilen die wirklich nicht preiswert sind. Ein Tiefpass passiv < 300Hz kostet gerne schon mehr als eine 2 Kanal Endstufe mit Kühler in wirklich hoher Qualität. Das  Gleiche aktiv nur noch wenige -,€ wenn man mit einer Lochplatine arbeitet. Der preiswerteste DSP der vollumfänglich eine 4Wege Weiche ermöglicht kostet auch nicht mehr, aktiv oder DSP erfordert natürlich pro Chassi eine Endstufe und das Netzteil. Man wird schlussendlich nur wenige Euro mehr ausgeben und hat eine erhebliche Steigerung der Qualität... online suchen hilft :-) .

Zurück zum Thema: Diese Abbildung zeigt einen "passiven" Bandpass 1kHz-5kHz mit Standard Werten nach Butterworth. 

 


Die mittlere "Standardschaltung" ist in den Grenzfrequenzen ausgeglichen, man kann aber auch den TP oder HP voranstellen und den anderen Pass hinterher stellen, die Auswirkung zeigt sich im Bild oben. Das kann man sich je nach Chassi-Eigenschaften zu nutze machen um den Frequenzgang zu glätten.

aktiv weichen


Der Grundlegende Unterschied zu passiven Weichen ist: es wird das unverstärkte Signal des Vorverstärkers geregelt und die Endstufen arbeiten direkt am Lautsprecher. Mit Operationsverstärkern der Bauart OP07 & OP27 [beide 8Beine] OP27 Typ zweifach OP im gleichen Gehäuse. Es gibt einige Pinkompatible Audio OP's NE5532, OP2134, OP2234...  OP2134 ist ein Hervorragender Audio OP, alle arbeiten  mit Widerständen im kOhm und Foko's im im nf Bereich. Induktionsfreie Metallfilm-Widerstände im kOhm Bereich mit 1% Abweichung  und hochwertige Foko's im nf Bereich spielen Kostentechnisch kaum eine Rolle. Hier Lohnt die Suche im Netz durchaus, auch Fachhändler bieten alles was das Herz begehrt, OP's sind da deutlich teuerer aber garantierte Qualität und sicher 2fach wenn dies angegeben ist. Die Kosten für solche Weichen sind wenn man mit Lochplatinen zufrieden ist sehr überschaubar. Natürlich findet man auch fertige 2&3 Weg Aktivweichen und PCB's für den Selbstbauer.
Oder für Subwoofer, Aktiv Low Passfilter zum Teil mit 2St. 2Fach OP's man kann die R/L Eingänge auch brücken um sie für eine Box zu benutzen, im Grunde sind diese wie eine Aktivweiche mit eingebautem mini Vorverstärker gebaut damit Trennfrequenz und Pegel geregelt werden können.


Der große Vorteil einer aktiv Weiche ist das jedes "Trennglied" von weiteren Gliedern elektronisch im OP entkoppelt ist, deshalb ist das Impedanzverhalten obsolet, aktiv bedeutet auch ich kann den Pegel eines Lautsprechers erhöhen indem ich die Ausgagngspsannung jedes Trenngliedes erhöhen kann, diese Möglichkeit hat man bei passiven Weichen nicht.

Neben stehend der Schaltplan aktiv Hoch & Tiefpass 12db/Okt mit 1fach OP's, eine gewisse Analogie zu passiv Weichen ist erkennbar, die Widerstände hinter dem OP ermöglichen eine aktive regelung des Pegels. Die Formel gilt der Bauteile-Berechnung eines 12db Filters nach Linkwitz, das lässt sich mit einer Tabellenkalkulation einfach machen, sehr praktisch das Prog. ESP-lr13 berechnet 12 & 24db Hoch u. Tiefpässe unter vorgabe der gewünschten Trennfrequenz und Widerstände oder Kondensatoren. 


Dieses Beispiel zeigt die Beschaltung von 2fach OP's für eine aktive Frequenzweiche. Das sollte sich auch ohne große Elektronik Kenntnisse auf einer Lochplatine nachbauen lassen. Hierzu reicht eine 5cm*7cm Grundplatte pro Pass völlig aus, der Übersicht halber ist die Spannungsversorgung die an V+ und V- angelegt wird nicht eingezeichnet, diese sollte wie für Endstufen eine sehr saubere/geglättete Gleichspannung sein. Die Metallfilmwiderstände habe ich mit 0,6W/1% und Foko's 100V kalkuliert dieses "Element" benötigt natürlich eine Gleichspannung im Bereich +-10-18V. Natürlich kommen dann noch pro Chassi eine Endstufe sowie ein der Gesamteistung angepastes  Netzteil für die Aktivbox hinzu. Ein passiver Tiefpass um 200Hz wird bereits so Kostspielig das sich aktiv auf jeden Fall auszahlt.




Neben stehend die Zeichnungen 8-beiniger Operationsverstärker zweifach sagt nur an das sich im gleichen Gehäuse zwei Operationsverstärker befinden. Darauf sollte man beim Einkauf achten mit einfach OP's benötigt man für die gleiche Schaltung zwei OP's und Sockel bzw. auch den Platz auf der Leiterplatte. In der Praxis bedeutet es, mit einem 2fach OP kann ich auf kleiner Fläche einen 24db Filter  oder einen 12db Bandpass realisieren.   

Auf jeden Fall sollte man die OP's mit den dafür vor gesehenen Sockeln verbauen.






pic's & erläuterungen

 

Quod suas eleifend ne

Es gibt zur Frequenzgang-korrektur  noch so genannte Notch oder Kerbelfilter die ich nach Möglichkeit vermeide indem ich bei der Auswahl der Chassis _ Frequenzgang so wähle das ich nicht Kerbeln muß, dieses Thema will ich mom nicht weiter bearbeiten weil es nur erforderlich ist wenn im Vorfeld bereits ein Fehler gemacht wurde....
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