Scheidingsfilters
Home Actueel HiFi Rotel HiFi LS units SwanSpeaker Bouwsets Reacties Bestellen Feedback
Bij een luidsprekersysteem bestaande uit meer dan één luidspreker moet een scheidingsfilter (cross-over) worden toegepast. Dit filter splitst het toonbereik en zorgt voor de juiste verdeling hiervan zodat iedere luidspreker het voor hem bestemde deel toegevoerd krijgt.
Verder zorgt het filter voor de juiste fase tussen de speakerunits onderling, en voor een gelijkmatige verdeling van het vermogen. Indien u dit laatste zelf wilt doen of wijzigen kunt u een rendements aanpassing aanbrengen met behulp van een netwerk.
Behalve de taakverdeling over de luidsprekers vervult een filter ook nog andere belangrijke functies.

In het filter worden indien nodig netwerken ingebouwd voor de correctie van de impedantie- en/of frequentie-karakteristiek van de betreffende speaker. Ook kunnen filters voorzien zijn van weerstandsnetwerken om verschillen in rendement tussen de speakers onderling te compenseren.

De werking van een filter berust op enkele eenvoudige natuurwetten, de eigenschappen van spoelen en condensatoren.

Een filter is opgebouwd met spoelen en condensatoren.
Een spoel, "L" is populair gesproken een klosje koperdraad, al dan niet voorzien van een ijzer-, feriet- of ferrocore kern. Zonder ijzerkern spreken we van een luchtspoel. Wanneer een kern wordt toegepast is minder koperdraad nodig. Door de zelfinduktie van de spoel vormt deze een weerstand voor wisselstroom. Deze weerstand (Z) is lager naarmate de frequentie en dus de toonhoogte lager is. Simpel gesteld, een spoel laat de lage tonen door en blokkeert de hoge tonen. De eenheid van zelfinduktie is de Henry, de naam van de ontdekker. 1/1000 Henry is een milli-Henry: mH, de meestal gebezigde eenheid.

Een condensator, "C" bestaat uit twee van elkaar door het diëlectricum geïsoleerde geleiders in de vorm van opgerolde folie. Een condensator blokkeert gelijkstroom en heeft minder weerstand naarmate de frequentie of toon hoger is. Eenvoudig gezegd: een condensator laat de hoge tonen door en blokkeert de bassen. De eenheid van de capaciteit van een condensator is de Farad, genoemd naar Faraday, de ontdekker. In de praktijk gebruiken we de micro-farad: µF, 1/1.000.000 Farad. Een nano-farad nF = 1/1.000.000.000 Farad, 1000 nF = 1 µF.

In de elektronica spreken we niet van weerstand maar van impedantie, Z, als de weerstand frequentie- afhankelijk is. De eenheid is ohm. De frequentie waarbij de signaalsterkte is afgenomen met 3 dB, is de scheidingsfrequentie of het kantelpunt fo, het -3 dB punt. Op dit punt is de spanning aan de luidspreker gedaald tot ½wortel2 = 0,707 en het vermogen tot de helft.
De mate van verzwakking wordt uitgedrukt in decibel per oktaaf (dB/okt.) en dit kan zijn 6, 12, 18, 24 dB/okt.; ook wel genoemd een 1e, 2e, 3e of 4e orde filter.
Men kan in een filter de verschillende orden naast elkaar toepassen maar hiervoor is vakkennis en ervaring vereist.
Daarnaast zijn er nog verschillende karakteristieken mogelijk namelijk de Linkwitz, Butterworth en de Bessel karakteristiek.

Bij het berekenen van een filter dienen de volgende factoren in de berekening te worden betrokken:

1. Het optimale werkgebied van de speaker
Van iedere luidspreker moet het meest ideale gebied worden benut terwijl daarnaast een goede aansluiting met de overige speaker(s) moet worden nagestreefd.

2. De resonantiefrequentie
Deze dient bij middentoners en tweeters zorgvuldig buiten het bereik te worden gehouden.

3. De frequentiekarakteristiek
Deze is vrijwel nooit vlak, loopt bij woofers meestal af en bij middentoners meestal op. Ook hiermee dient terdege rekening te worden gehouden bij de berekening van het filter.
De impedantie- en frequentiekarakteristiek kunnen in de berekening worden opgenomen of indien dit niet anders kan, gecorrigeerd worden door aan het filter toegevoegde netwerken.

4. De impedantie-karakteristiek
De impedantie van een luidspreker varieert met de frequentie. Daarom dient men vooral de impedantie op fo en daarboven te kennen en in de berekening op te nemen.

5. Faseverschuiving
Spoelen en condensatoren hebben de eigenschap om de fase te verschuiven. Dit is een onontkoombare natuurwet. Bij een spoel ijlt de stroom 90º na op de spanning; bij een condensator ijlt de stroom 90º voor op de spanning. In een 6 dB/okt. filtersectie is de fase verschuiving 90º, met 12 dB/okt. is dit 180º, met 18 dB/okt 270º en bij 24 dB/okt 360º.
Om het effect van de faseverschuiving te compenseren moeten middentoners en tweeters soms omgepoold op het filter worden aangesloten. De polariteit, dus in of uit fase heeft grote invloed op de geluidskwaliteit. Ook in een luidspreker zelf treedt enige faseverschuiving op.

6. Q factor
Hoe beter de kwaliteit van de toegepaste componenten, hoe hoger de Q-factor. Deze mag ook bij een scheidingsfilter niet te hoog zijn. Een hoge Q-factor (meer dan 1) kan resulteren in opslingering waardoor een onregelmatige karakteristiek ontstaat met pieken in de weergave. De Q-factor van een filter kan berekend worden en hiermee dient bij het filterontwerp terdege rekening te worden gehouden.
De term Q factor, Quality factor stamt uit de hoogfrequent-techniek waar gebruik gemaakt wordt van afgestemde kringen met een hoge Q van 100 of meer in bijv. oscilatoren. Bij luidsprekers heeft dit echter niets met de "kwaliteit" te maken.

In de signaalweg verdient de toepassing van polypropyleen condensatoren de voorkeur, zeker in de hoog sectie maar indien mogelijk ook in serie met de middentoner. Parallel aan een middentoner moet wel een C van goede kwaliteit toegepast worden.
Parallel aan een woofer kan meestal het beste een bipolaire elco geschakeld worden. Indien hiervoor een MKT of MKP condensator kan mogelijk opslingering ontstaan met als gevolg boemerige bassen.
Een te hoge Q-factor kan worden verlaagd door in het filter dempingsweerstanden aan te brengen en soms ook door de toepassing van spoelen met een hogere of lagere ohmse weerstand.

Het het opwaarderen van bestaande (zelfbouw) luidsprekers.

Hieraan kleven wat haken en ogen. Het is niet altijd zo dat betere filtercomponenten een betere geluidskwaliteit opleveren.
Als in een bestaande luidspreker de componenten worden vervangen door componenten van een hogere kwaliteit, wordt niet alleen de geluidskwaliteit beter maar ook de Q factor hoger. Bij een matige luidspreker kan daardoor de geluidskwaliteit soms slechter worden doordat de reeds aanwezige vervorming beter hoorbaar wordt.
Wij geven hierbij de Butterworth formules voor het berekenen van 6, 12 en 18 dB/oktaaf netwerken. Hiermee kunt u de afzonderlijke secties van een filter berekenen. Daarna kunt u met deze netwerken een filter samenstellen. Butterworth geeft de meest rechte en de beste fase karakteristiek.
Let op: bij 12dB/oktaaf filters verschuift iedere sectie de fase ongeveer 180º.
Bij een tweewegsysteem dient u de tweeter omgepoold aan te sluiten en bij een driewegsysteem de middentoon speaker. Dus de pluspool (+) van de unit aan de minpool (-) van het filter.
Bij 6 dB/oktaaf Butterworth filters is het noodzakelijk dat de scheidings frequentie gesplitst wordt in 2 verschillende waarden. Bij 3 weg filters is dit een ander verhaal. Dit valt buiten het bestek van dit artikel. Details kunnen worden verstrekt bij aankoop van luidsprekers.

Optimaliseren
Na het berekenen volgt het optimaliseren. Met een theoretisch berekend filter bereikt u (bijna) nooit het beste resultaat. Als u niet helemaal tevreden bent over de geluidskwaliteit kunt u wijzigingen aanbrengen in het filter. Mogelijk wilt u ook weten of het nog beter kan en dat is meestal het geval. Op het gehoor vaststellen wat u moet wijzigen is lastig, maar metingen maken zichtbaar wat u hoort. Dit vereist technisch inzicht en een muzikaal gehoor. Metingen kunt u ook bij Remo laten doen. Ook het vergelijken met een zeer goede luidspreker (bij een vriend) is leerzaam. Streef niet naar een kaarsrechte frequentie karakteristiek, dit geeft zelden een goede muzikale weergave.

Het is niet onze bedoeling u te ontmoedigen, integendeel, maar het lijkt ons zinvol u realistisch te informeren. Het is leuk en leerzaam om zelf te experimenteren.

Voor het bereiken van een goed resultaat met zelfbouwluidsprekers is het niet noodzakelijk zich te verdiepen in de theorie van filters al is het wel interessant om te weten wat u doet. Remo levert zeer goede filters zodat u zich op dit punt geen zorgen hoeft te maken.
Alle door ons geleverde filters met typeaanduiding RN.. zijn van eigen fabrikaat. Elk door ons geleverd scheidingsfilter is specifiek ontworpen en gebouwd voor een bepaalde luidspreker-combinatie. Het tijdperk van zoiets als een "universeel filter" is definitief voorbij.

Onze filters zijn uitgerust met de meest hoogwaardige componenten en waar nodig en zinvol met luchtspoelen en polypropyleen condensatoren. De door ons toegepaste ferrietspoelen zijn de beste ter wereld. Remanent magnetisme is afwezig, de kernen zijn verouderingsvrij en hoog belastbaar zonder verzadigingsverschijnselen. Alle spoelen zijn gewikkeld met OFC koperdraad. De filters zijn opgebouwd op een stevige printplaat, een betrouwbare en foutloze basis voor een goed filter.
De printplaat is voorzien van een zware koperlaag van 70 micron en brede koperbanen, op vitale plaatsen meer dan 20 mm. breed. Bovendien zijn de belangrijkste verbindingen zeer kort, slechts enkele millimeters. Deze details bepalen mede de kwaliteit van een filter.


Wanneer u constateert dat het middengebied en/of de hoge tonen te sterk worden weergegeven ten opzichte van de bassen kunt u de weergave van het midden en/of het hoog verzwakken. U kunt hierdoor de geluidssterkte van midden en hoog aanpassen aan uw eigen smaak of de kamerakoestiek. Door het verzwakken van midden en hoog wordt de basweergave relatief sterker.
Er zijn drie mogelijkheden:

1. Schema A
Een netwerk van 2 weerstanden tussen het filter en de speaker. Hiermee blijft de impedantie van het netwerk plus de speaker gelijk aan de impedantie van de speaker. Voor die impedantie is het filter ontworpen! De tabel is berekend voor 8 ohm speakers. Voor 4 ohm speakers kunt u de weerstandswaarden halveren (vermenigvuldigen met 4/8) en voor bijv. 5,6 ohm vermenigvuldigen met 5,6/8 enz. Gebruik voor het omrekenen de waarde tussen haakjes.

2. Schema B
Door een enkele serieweerstand tussen het filter en de speaker. Bij deze methode dient de serieweerstand bij de berekening van het filter te worden opgenomen.
Indien men later deze weerstand met meer dan 20% wijzigt moet het filter aangepast worden. En ook wanneer een serieweerstand van meer dan 2 ohm bij een bestaand filter wordt aangebracht.

3. Door de toepassing van een enkele serieweerstand vóór de filtersektie van de betreffende speaker. De waarde is gelijk aan die van schema B. Dit kan alleen worden toegepast bij "parallel filters", d.w.z. filters met een separate sectie voor iedere speaker. Deze methode heeft geen invloed op de scheidingsfrequentie.

Verzwakkingsnetwerken voor
luidsprekers van 8 ohm
tabel 1 schema A schema B
verzw. R1 ohm R2 ohm R1 ohm
-1 dB 1,0 (0,87) 65 (65,57) 1
-2 dB 1,5 (1,65) 33 (30,77) 2,2
-3 dB 2,2 (2,34) 18 (19,37) 3,3
-4 dB 2,7 (2,95) 15 (13,68) 4,7
-5 dB 3,3 (3,51) 10 (10,26) 6,2
-6 dB 3,9 (4,00) 8,2 (8,00) 8
-7 dB 4,7 (4,43) 6,8 (6,45) 10
-8 dB 4,7 (4,81) 5,6 (5,30) 12
-9 dB 5,2 (5,16) 4,4 (4,40) 15
-10 dB 5,6 (5,47) 3,9 (3,70) 18
-11 dB 5,6 (5,75) 3,3 (3,14) 22
-12 dB 6,2 (6,00) 2,7 (2,67) 24
Indien een verzwakkingsnetwerk wordt aangebracht tussen het scheidingsfilter en de speaker dient de impedantie van de speaker met het netwerk tezamen gelijk te blijven aan de impedantie van de speaker zelf. Want voor deze impedantie is het filter ontworpen.
Op de meeste van de door REMO geleverde filters is op de filterprintplaat de mogelijkheid aanwezig om verzwakkingsweerstanden aan te brengen.
Tabel 1 toont de dichtstbijzijnde handelswaarde met daarachter tussen haakjes de exacte berekende waarde die gebruikt dient te worden voor het omrekenen bij een andere waarde van de speakerimpedantie.
Rekenvoorbeeld.
U wilt een tweeter met een impedantie van 4,7 ohm met 4 dB verzwakken. R1 wordt dan 4,7/8 x 2,95 = 1,73 ohm; R2 wordt 4,7/8 x 13,68 = 8,04 ohm. Een verzwakking van 1 dB is subtiel, 3 dB is goed hoorbaar.

De practische uitvoering van een netwerk ziet u in het tweeweg filter in de afb. voorbeelden filterschema's hierboven. Omdat het hier parallelfilters betreft kunt u ook een enkele weerstand Rv toepassen zoals in het driewegfilter is gedaan. Al is het verschil klein, een netwerk met 2 weerstanden is altijd in het voordeel.
Verzwakken met weerstanden of ''L PADS'' heeft overigens geen enkele nadelige invloed op de geluidskwaliteit. Niettemin is er soms toch wel eens een klein verschil in geluidskwaliteit waar te nemen na het aanbrengen van een verzwakkings netwerk.

Door de parallelweerstand wordt de tweeter elektrisch gedempt. Hierdoor wordt de impedantiekromme vlakker en de Q factor van het filter lager. Hierdoor verminderd de eventueel aanwezige vervorming waardoor het lijkt alsof de tweeter minder briljant klinkt. Naarmate de kwaliteit van de tweeter slechter is, is dit effect groter. Op de betere tweeters heeft dit een nauwelijks hoorbare invloed.
Dit verschijnsel schrijven sommigen toe aan de zelfinduktie van de weerstanden. Deze, overigens zeer geringe zelfinduktie, in de grootte-orde van 80 micro-Henry heeft echter in het audiogebied geen enkel effect, maar is pas werkzaam bij radio frekwenties, het megaherzgebied. Toegepast worden draadgewonden weerstanden van 5 watt.

De methode met de weerstands netwerken geeft doorgaans een beter resultaat dan met de toonregeling van de versterker kan worden bereikt. Van veel versterkers heeft de toonregeling ook enige invloed op de sterkte van het middengebied. De toonregeling van de versterker is bedoeld voor correcties van de kamerakoestiek, of van afwijkingen bij de geluidsbron, de CD enz.

"L PAD"
Een "L PAD" bevat evenals netwerk A 2 weerstanden waardoor de ingangs- weerstand over het gehele regelbereik constant 8 ohm blijft. De verzwakking is regelbaar van 0% tot 100%.

L PAD's worden nog maar zelden toegepast. Het nadeel is dat na verloop van enkele jaren een minder goed contact ontstaat.

Links: aansluitschema
Rechts: schematische weergave van het inwendige
REMO Luidspreker-, HiFi audio- & home-cinema specialist
TOP OF PAGE