Tipos de filtro pasivos para altavoces




La frecuencia de corte es el punto donde la respuesta en frecuencia se reduce a una fracción determinada. Este punto suele ser el punto de -3dB, que en potencia es el punto donde la respuesta se reduce a la mitad. Por la forma de percibir del oído humano, la disminución de la respuesta a la mitad no se percibe como “la mitad de alto” sino como “un poquito más bajo”.

Un filtro puede dejar pasar las frecuencias mayores que la fecuencia de corte, o al contrario, dejar pasar sólo las frecuencias menores que la frecuencia de corte. O se pueden dejar pasar sólo las frecuencias de una banda (entre dos frecuencias de corte).

  • Filtros paso alto: dejan pasar las frecuencia más altas que la fecuencia de corte.
  • Filtros paso bajo: Dejan pasar las frecuencias menores que la fecuencia de corte.
  • Filtros paso banda: Dejan pasar las frecuencias entre dos frecuencias de corte. Normalmente son una combinación en serie de un paso alto y un paso bajo, pero pueden implementarse de otras maneras.
  • Filtro elimina banda: Al contrario que los paso banda, estos eliminan una banda. En altavoces no tiene mucho sentido. Al igual que los paso banda, pueden implementarse con un paso bajo y un paso alto, pero en paralelo.
  • Otros: muesca (notch), y otras redes: Red Zobel, L-pad, …

 

Los filtros pasivos se basan en la impedancia variable y dependiente de la frecuencia que tienen las bobinas y los condensadores.

Condensadores

Cuanto mayor sea f, menor será su impedancia, por lo que un condensador dejará pasar las frecuencias altas y ofecerá una gran resistencia a las bajas frecuencias, que se verán atenuadas

Bobinas

Cuanto mayor sea f, mayor será la impedancia de la bobina, por lo que a través de una bobina, pasarán sin ningún problema las frecuencias bajas, y las frecuencias altas se verán atenuadas, por atravesar una resistencia mayor.

FILTRO DE 1º ORDEN:

La pendiente de la recta es de 6db/oct. Son los más sencillos. Constan de un solo componente y producen menos errores de fase. Como problema, hacen que los altavoces tengan que trabajar en un rango de frecuencias muy amplio, cosa que por ejemplo a los tweeter no les viene nada bién.

Filtro de paso alto 1º orden Filtro de paso bajo 1º orden

 

FILTRO DE 2º ORDEN

La pendiente de la recta es de 12 db/oct. Constan de dos componente.por filtro. El corte es más brusco y producen más errores de fase. A cambio, los altavoces puden trabajar en un rango más reducido. En los tweeter de una cierta calidad se recomienda que la pendiente mínima del filtro sea esta, para que no les afecten frecuencias más bajas.

Este es el tipo de filtro más usado, aunque yo personalmente le encuentro un gran problema. Causa graves errores de fase, como suelen hace todos los filtros de orden par. En el de Butterworth, los el desfase entre los dos altavoces es de 180º. El de Linkwitz-Riley no causa errores de fase, pero la polaridad de uno de los altavoces debe estar invertida. En el de Butterworth, también se recomienda. De esta manera, si el desfase es 180º, y la fase en la que reproduce el altavoz es +-180, esto produce 0 o 360º, es decir, que está en fase.

Se construyen con un componente en serie (bobina o condensador) y el componente complementario en paralelo con el altavoz.

Filtro de paso alto 2º orden Filtro de paso bajo 2º orden

 

3º ORDEN-BUTTERWORTH.

La pendiente asintótica de la recta es de 18db oct.

La atenuación de las frecuencias es bastante brusca, en el punto de corte, las fecuencias están en fase y los desplazamientos de fase se reparten por el rango de frecuencias, por lo que no son tan evidentes.

A veces es necesario usar este tipo de filtros, por ejemplo si los altavoces están muy próximos al final de su rango de frecuencias, pero en este caso es mejor que sean filtros activos. La acumulación de componentes degrada la señal.

La otra excepción la constituyen los tweeter, donde sí puede ser interesante utilizar este orden de filtro, o mayor, para evitar una excesiva excursión de la cúpula.

Filtro de paso alto 3º orden Filtro de paso bajo 3º orden

 

4º ORDEN LINKWITZ-RILEY.

La pendiente de la recta son 24 dB/oct.

Cada filtro consta de cuatro componentes, dos bobinas y dos condensadores.

Existe el 4º orden-butterworth, pero tiene el problema de que a en la frecuencia de corte el desfase es de 180º.

Este tipo de filtro realmente minimiza la interacción de los dos altavoces. En la frecuencia de corte, los dos altavoces están en fase y la respuesta es plana. Los componentes en serie degradan la señal y este tiene dos, por lo que también es recomendable que sea un filtro activo.

En altavoces con diafragmas rígidos, cuya operación fuera del rango puede ser caótica, este tipo de filtro puede ser la única opción. Si además se une a un tweeter con cúpula metálica, donde pasa lo mismo pero a frecuencias menores, entonces SI es la única opción.

 

Filtro de paso alto 4º orden Filtro de paso bajo 4º orden

 

FILTRO NOTCH

El altavoz tiende a moverse con gran facilidad a la frecuencia de resonancia. Esto, como en los motores eléctricos en funcionamiento quiere decir que consume poca corriente, y se traduce como una gran impedancia.

En un altavoz, esto se produce sólo a esa frecuencia y sus alrededores, y crea picos de valores muy diversos según el tipo de altavoz. En los woofer, los picos tiende a ser grandes y estrechos, y en los tweeter pasa lo contrario.El caso es que este pico de impedancia interacciona con el filtro y es un problema serio, sobre todo en los diseños donde se trabaja cerca de la frecuencia de resonancia del driver.

El uso habitual de el filtro notch es corregir este pico de impedancia, y dejarla plana, para que el filtro pueda funcionar correctamente.

También un notch sirve para ecualizar picos en la respuesta.(resonancias del diafragma, etc…). Se hace con una resistencia en serie con toda la red RLC y driver. Su comportamiento es como el de la red atenuadora L.pad, pero ésta, a diferencia de R2 de la L-pad, es selectiva a la frecuencia.

Filtro notch (corrector de impedancia)

Una solución al pico de impedancia, empleada especialmente en tweeters es el ferrofluído. Es un aceite con partículas magnéticas en suspensión que elimina prácticamente los picos de impedancia.

 

REDES DE ATENUACIÓN L-PAD

Normalmente la eficiencia de un tweeter es mayor que la de un woofer. Esto quiere decir que recibiendo la misma potencia RMS, el tweeter producirá más sonido que el woofer, y la respuesta en frecuencia no será plana.

Existe una manera sencilla de evitar esto. Hay que evitar que el tweeter aproveche toda la potencia, es necesario que parte de esta potencia se pierda. Esto se consigue añadiendo una resistencia suficientemente grande. El problema es que los filtros están preparados para trabajar con una determinada impedancia, y si esta varía, el comportamiento no será el mismo.

Mediante resistencias en serie y paralelo se puede conseguir que la impedancia vista por el filtro sea la misma, y que parte de la potencia se pierda en las resistencias, con lo cual el filtro funciona bien y se obtiene una respuesta más plana.    L-PAD  

 

REDES ZOBEL.

Los altavoces tienen inductancia porque tienen una bobina, que cuando le pasa corriente es la que se encarga de reacccionar contra el campo magnético del imán, lo que pone en movimiento el diafragma.

El problema es que los filtros necesitan una impedancia constante para funcionar correctamente. Si la impedancia no es plana, aparecen picos en la respuesta (cambia la Q), e incluso se puede llegar a reducir un orden la respuesta del filtro.

Añadir una red Zobel no aumenta la pendiente de caída. La deja como tiene que ser, sin que la inductancia del altavoz interactúe con el filtro. Es cierto que añadir la red Zobel al de graves le aumenta la caída, porque la inductancia impide filtrar bien a la bobina, y con red puesta la impedancia es plana, no hay inductancia. Y no aumenta el orden, lo que pasa es que sin la red, el orden disminuye. Red Zobel  

 

Izquierda: circuito simulado L1 y L3 son las inductancias de las bobinas de voz de los woofers. El altavoz ideal no tiene inductancia.Derecha:Respuesta del circuito simulado con Spice.

En el gráfica de la derecha se observan los efectos de la red Zobel en un filtro de 3er orden a 2kHz, en un altavoz de 8Ohm y una inductancia de 0,8mH, caso que puede tratarse perfectamente de un altavoz de 6.5 u 8″ en configuración dos vías. La respuesta del circuito ideal se ha desplazado ligeramente hacia abajo en ambos casos porque la gráfica era completamente coincidente con la del circuito con red Zobel. Las conclusiones son obvias.


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