Продолжение 1 части статьи «Теория и расчёт фазовым методом последовательного фильтра для АС»

Оглавление:

1. Схема и характеристики последовательного фильтра
2. Конструкция фильтра
3. Катушки индуктивности
4. Конденсаторы
5. Распайка контактной колодки и подсоединение фильтра
6. Оценка стоимости деталей при самостоятельном изготовлении фильтра
7. Статьи, сайты и ссылки

1. Схема и характеристики последовательного фильтра

На рис.1 представлена схема последовательного 3-полосного фильтра «квази-второго» порядка, разработанного по фазовому методу с целью максимального возможного сближения фаз динамиков по току между собой в смежных областях работы в самом важном для стереофонического звуковоспроизведения диапазоне частот 0,2…6 кГц для конкретной АС «Yamaha NS-6490». Для определения оптимальных значений параметров фильтра был применён симулятор схем «Qucs» [2] с применением моделей динамиков (см. рис.1 в 1-ой части статьи).

Рис.1 Схема последовательного фильтра первого («квази-второго») порядка, разработанного для АС «Yamaha NS-6490». Cреднечастотный динамик (Rдсч) включён противофазно НЧ и ВЧ динамикам.

Этот последовательный фильтр первого порядка по значениям параметров колебательных звеньев L1C1 и L2C2, соответствующих в среднем выбранному значению коэффициента демпфирования Кд = ~ 0,5 (см. 5.4 раздел 1 части статьи). относится к так называемому «квази-второму» («почти-второму») порядку с непостоянным сопротивлением фильтра по диапазону воспроизводимых частот сигнала, уменьшающимся почти в два раза относительно номинального сопротивления динамиков в области средних частот [1…5,3 кГц], задаваемых резонансными частотами звеньев L1C1 (1 кГц) и L2C2 (5,3 кГц).

Частотные характеристики предлагаемого фильтра объединяют свойства колебательных звеньев второго порядка в области средних частот, а за их пределами его свойства плавно переходят к частотными свойствами фильтров первого порядка, при этом сам фильтр по-прежнему относится к фильтрам первого порядка и благодаря этому обладает отличными свойствами для высококачественного воспроизведения импульсных сигналов, к которым в полной мере относится музыкальный сигнал. Фильтры же второго и более высоких порядков, часто используемые в параллельных фильтрах, такими уникальными свойствами не обладают и плохо воспроизводят импульсные сигналы в чём и состоит их основной недостаток (см. рис.10 в 1 части статьи).

 Выбранные параметры «квази-второго» порядка позволили реализовать в фильтре повышенную крутизну фронтов разделения полос для низкочастотного (НЧ) и высокочастотного (ВЧ) фильтров в среднем ±50 дБ/декаду по напряжению и ±72 дБ/декаду по току, а для средне-частотного (СЧ) фильтра ±18 дБ/декаду по напряжению и ±36 дБ/декаду по току (см. рис.3).   

 В итоге, данный последовательный фильтр смог объединить в себе лучшие свойства фильтров первого и второго порядков, но с дополнительной особенностью в виде пониженного сопротивления в области средних частот. Для частичной компенсации этого пониженного сопротивления в схему фильтра включён мощный выравнивающий резистор R1 (рис.1), снижающий относительный перепад сопротивления у АС с таким последовательным фильтром, а также способствует снижению нелинейных искажений в усилителе мощности (см. 1 раздел 1 части статьи).

Данный фильтр предлагается установить вместо простого штатного фильтра АС «Yamaha NS-6490», состоящего лишь из двух биполярных конденсаторов ёмкостью 4,7 мкФ и 1,5 мкФ, включённых последовательно к СЧ и ВЧ динамикам соответственно.

Напомним, что СЧ динамик в данном последовательном фильтре должен быть включён противофазно к НЧ и ВЧ динамикам (кстати, в штатном фильтре СЧ динамик подключен также противофазно к остальным динамикам).

Нарисованные на схеме рис.2 три подпрограммы с названиями SUB1…SUB3 содержат схемы моделей ВЧ, СЧ и НЧ динамиков, аппроксимирующие в общем виде их частотные свойств, полученные при отсутствии фильтров и измеренные на сайте [1] (см. схемы этих моделей на рис.2 в 3 разделе 1 части данной статьи).

Резисторы R_L1 и R_L2 учитывают активное сопротивление катушек индуктивности L1 и L2 по постоянному току. На схеме добавлены измерители тока (PriB, PriC, PriH) и напряжения (PruB, PruC, PruH) для всех трёх динамиков и измеритель общего тока, потребляемого от усилителя мощности (PriUMZ4). Точка входа в схему (в левом верхнем углу схемы) под названием in измеряет также входное напряжение in.v [В].

Справа от схемы приведены все уравнения для пересчёта амплитуд векторов токов и напряжений в [дБ] (с помощью стандартной функций симулятора схем dB(…)) и расчёта фазового угла с применением функции phase(…). Для расчёта сумм векторов напряжений и токов также применяются соответствующие уравнения.

Рис.2 Схема моделирования частотных характеристик последовательного фильтра на переменном токе в симуляторе схем «Qucs» [2].

Рис.3 Частотные характеристики последовательного фильтра по напряжению и токам, протекающим по катушкам динамиков. Принятые обозначения: для НЧ динамика - синий цвет, СЧ – красный и ВЧ – малиновый. Векторная сумма напряжений и токов для всех трёх динамиков показана зелёным цветом. Потребляемый ток от усилителя мощности показан голубоватым цветом.

Фазовая характеристика по току в катушках динамиков (на двух нижних графиках на рис.3) была получена за счёт смены знака начальной фазы входного сигнала (с (+) на (-) у источника входного сигнала «V1» в левом верхнем углу схемы на рис.2), что бы наглядно показать характер группового времени запаздывания, в отличие от вышестоящего рисунка в среднем ряду с разрывом графика на 1,6...1.8 кГц, полученного при (+) фазе входного сигнала.

Эти разрывы в поведении графика фазы, кажущиеся скачками по фазе на ±360⁰, в поведении реального графика фазы отсутствуют и носят лишь алгоритмический характер и вызваны желанием разработчиков симулятора схем ограничить вывод значений фазового угла фиксированным диапазоном не превышающим [-180^0.…+180⁰]. Например, на левом нижнем рисунке, когда фаза НЧ динамика по току уменьшается при увеличении частоты от 100 Гц к 200 Гц и начинает переходить от -180⁰ к -181⁰ алгоритм расчёта угла фазы начинает прибавлять с этого момента к истинному углу фазы +360⁰, чтобы ограничить выводимую величину угла диапазоном [-180⁰…+180⁰], что и приводит к кажущемуся скачку фазы от -180⁰ к +180⁰, которого на самом деле нет в поведении истинного угла фазы, продолжающего плавно изменяться от -180⁰  к -181⁰ и далее. Аналогичный скачок происходит и при росте фазового угла в другую сторону от +180⁰ к +181⁰, когда начинает программно вычитаться 360⁰ из истинного угла фазы (см. левый средний рисунок с графиком фазы для напряжения ВЧ динамика малинового цвета на рис.3). Поэтому, для того, чтобы лучше понять истинное поведение графика фазы по частоте в местах скачков фазовых графиков на ± 360⁰ надо мысленно переместить верхние или нижние части графика фазы, совмещая их в точках разрыва.

Рис.4 Переходный процесс в последовательном фильтре (реакция на ступенчатый сигнал 10 В длительностью 2 мс), при штатном противофазном включении СЧ динамика к НЧ и ВЧ динамикам.

Обратите внимание на хорошую восстановленную форму входного «меандра», полученную в виде векторной суммы напряжений на катушках трёх динамиков (зелёные прямоугольники на левом рисунке) в данном фильтре (небольшое отличие от прямоугольной формы вызвано влиянием выравнивающего резистора R1=2 Ом рис.1), несмотря на его «квази-второй» порядок, поскольку известно, что фильтры второго и более порядков не могут правильно восстановить вид входного прямоугольного «меандра» по напряжению суммой своих же отфильтрованных полос фильтра, а последовательный фильтр «квази-второго» порядка это делает безупречно правильно, как и все фильтры первого порядка (подробнее см. рис.11 1 части статьи).

 Справа внизу на рис.4 показана отработка прямоугольного входного напряжения «меандра» по токам в катушках динамиков (векторная сумма трёх токов динамиков показана зелёным цветом, а полный потребляемый ток от усилителя – голубоватым).

Из рис.4 видно, что запаздывание по времени отработки входного ступенчатого сигнала по току составляет ~ 0,28 мс, что подтверждается таким же временем группового запаздывания (tгр.зап.=0,28 мс) по данным частотных характеристик фильтра на переменном токе на правом нижнем рисунке рис.3.

С моделированием частотных характеристик данной АС со штатным фильтром при разных включениях СЧ и ВЧ динамиков (в фазе и противофазе) можно ознакомиться в 3 разделе 1 части статьи.

2. Конструкция фильтра

На рис.5 приведена фотография фильтра, выполненного в габаритах, позволяющих его установить внутрь корпуса АС через конструктивный вырез, сделанный под панель с входными клеммами на задней стенке корпуса (см. рис.6).

Рис.5 Фото платы последовательного фильтра

Фильтр устанавливается внутрь корпуса АС с задней стороны колонки АС через фирменный конструктивный прямоугольный вырез (рис.6), сделанный под панель с входными клеммами АС в задней стенке корпуса размером 72 мм на 60 мм (после снятия панели за счёт выкручивания четырёх саморезов). Размеры платы фильтра с установленными деталями: длина ~314 мм, ширина 71-72 мм и полная высота не более 58-59 мм с входящей в эту высоту толщиной трёхслойной фанеры платы (~4 мм) и выступающих с обратной стороны платы проводов крепления деталей к плате.

Рис.6 Эскиз размещения платы фильтра внутри корпуса АС «Yamaha NS-6490» после его установки.

Длина платы определена экспериментально и составила ~314 мм, чтобы её можно было установить через этот вырез внутрь корпуса по диагонали вниз, уперев передний торец платы фильтра в нижнюю грань линии стыка передней панели АС с динамиками и днищем корпуса. При этом задний верхний торец платы фильтра опирается на нижнюю кромку выреза в задней стенке корпуса АС изнутри с минимальным выступом ~ 1-2 мм, чтобы можно было вставить обратно на своё место панель с входными клеммами и тем самым зафиксировать положение фильтра в корпусе АС без применения какого-либо крепления платы фильтра (см. рис.6).

Внутри корпуса внизу на нижней грани стыка передней и нижней сторон очень удачно конструктивно приклеен усиливающий брусок треугольного поперечного сечения длиной менее 50 мм, под который и сделан вырез шириной ~52 мм в нашей плате фильтра на его правом торце на рис.6, что позволило исключить возможность смещения переднего торца платы фильтра вдоль нижней грани стыка передней и нижней стенки корпуса АС. При желании можно дополнительно наклеить на торцы платы фильтра слой поролона или тонкой резины для уплотнения фиксации. Однако с учётом приличной массы фильтра (~0,6 кг) автор обошёлся без применения уплотнителя.

Такая конструкция фильтра позволила избавиться от необходимости демонтажа (снятия) НЧ динамика с передней панели АС для размещения фильтра внутри корпуса и последующей обязательной замены уплотнителя под ним при его обратной установке в закрытый ящик с применением, например, тонкой резиновой самоклеющейся прокладки из мягкой резины, применяемой для уплотнения входных дверей. Не надо забывать, что в этой АС применён закрытый и герметичный корпус, что бы реализовать акустическое демпфирование (сопротивление) НЧ динамику за счёт упругости внутреннего объёма воздуха, и поэтому наличие щелей не допустимо из-за снижения демпфирующих свойств.

3. Катушки индуктивности

Самыми массивными деталями являются две индуктивности L1 и L2 с воздушными сердечниками как наиболее качественными, без применения всяких дополнительных металлических сердечников внутри катушек, которые могут привести при большом выходном токе к появлению нелинейных искажений. Тем более, что индуктивности по величине сравнительно небольшие. Индуктивность у низкочастотной катушки L1 равна 0,64 мГн, а у второй катушки L2 индуктивность и вовсе небольшая: 0,09 мГн.

Индуктивности намотаны медным проводом в лаковой изоляции на стандартных тонкостенных (с толщиной стенок ~0,6 мм) круглых катушках промышленного производства, которые удалось найти, под названием «Катушка-каркас под Ч 48» [5]. Катушки имеют следующие размеры: внутренний диаметр ~22 мм, внутренняя ширина ~ 17,5 мм и наружный диаметр боковых щёчек ~39 мм.

Наружный диаметр щёчек катушек оказался маловат и поэтому пришлось их наращивать путём приклеивания дополнительных щёчек именно изнутри к внутренним боковым щёчкам катушки, чтобы они не отклеились при намотке провода. Новые подклеенные щёчки увеличивают наружный размер щёчек катушки до квадрата размером 56 мм на 56 мм, чтобы катушку L2 было легче зафиксировать её плоскими торцами щёчек на плату и ограничить её максимально возможным размером по высоте 56 мм (с учётом толщины платы в 4 мм), чтобы вписаться поперечным сечением платы фильтра по высоте выреза окна ~60 мм и его ширине ~72 мм.

В качестве источника тонкого и прочного материала для дополнительных щёчек катушек хорошо подошли устаревшие обычные компьютерные дискеты (ёмкостью 1,44 мБ) с гибким магнитным диском. Особо прочным оказался пластик у дискет чёрного цвета (цветные и прозрачные чаще трескались, как леденцы, при их вырезании). Из дискеты ножницами вырезался квадрат со сторонами 56 на 56 мм вокруг центрального отверстия дискеты диаметром ~27 мм, подошедшего по диаметру для приклеиванию изнутри к щёчкам исходной катушки. В задней стенке дискеты такого отверстия нет и его надо либо аккуратно вырезать маленькими кусачками, либо использовать другую дискету. За счёт разрезной части дискеты путём осторожного упругого разгибания в разные стороны дополнительная стенка из дискеты проходит внутрь нашей катушки, предварительно смазанная клеем из тюбика серого цвета под названием «Прозрачный Момент» и предназначенным для склеивания различных пластиков. Дополнительные разрезанные в одном месте вдоль радиуса щёчки надо клеить обязательно на внутренние стороны щёчек катушки, т. к. распирающее усилие провода при намотке на каркас весьма велико и наружная приклейка может не выдержать.

Методика ручного расчёта требуемого числа витков зависит от соотношения размеров катушки и весьма подробно изложена в книге С.В. Гапоненко на стр.160-167 [3].  Можно просто воспользоваться отличным калькулятором «KFAS» для расчёта параметров фильтра и катушек индуктивности [9].

Для намотки индуктивности L1=0,64 мГн на вышеописанном каркасе потребовалось ~163 расчётных витка медного эмалированного провода ПЭТВ2 диаметром 1,18 (диаметр по меди без учёта толщины лакового покрытия) при активном сопротивлении постоянному току ~ 0,36 Ом. Для намотки катушки L2=0,09 мГн необходим провод большего диаметра ~ (1.5…1,7) мм при числе витков ~ 65 витков и активным сопротивлением ~0,06 Ом.

Меньшие диаметры проводов применять не рекомендуется из-за возрастания активного сопротивления катушек постоянному току, ограничивающее возможности для сближения фаз между динамиками. Кроме того, малые активные сопротивления индуктивностей L1 и L2 выполняют ещё и вторую важную роль шунтирующей защиты для катушек ВЧ и СЧ динамиков при аварийном появлении постоянного напряжения от блока питания на выходе УМЗЧ при отсутствии в нём блока защиты. При этом величина аварийного тока будет определяться суммой сопротивлений выравнивающего резистора R1 и катушки НЧ динамика, а обе индуктивности, шунтирующие катушки СЧ и ВЧ динамиков защитят их более тонкие провода от перегорания, пропустив через них не более 5% и 0,04% от аварийного тока соответственно.

 При выборе другого размера каркаса катушки необходимо увеличивать расчётный объём катушки под провод на запасные 10…15% из-за неизбежной неплотности намотки провода особенно в наружных слоях катушки, поскольку довольно сложно намотать ровными слоями вручную «расползающиеся» витки провода без применения ленты между слоями катушки.

При расчёте сопротивления катушки индуктивности по постоянному току удельное сопротивление меди можно взять равным 0,0175^±0,0005 Ом·мм² / м, а для оценки потребной массы медного провода при его заказе (по расчётной длине провода катушки, равной произведению числа витков на среднюю длину витка с небольшим запасом в 5…10%) плотность меди следует брать равной 8,92 г/см³.

На изготовление двух экземпляров катушек индуктивности L1=0,64 мГн потребовалось ориентировочно ~ 37 м (массой  ~ 0,4 кг) медного эмалированного провода ПЭТВ2 диаметром 1,18 мм, а для двух катушек L2=0,09 мГн необходимо ~15 м (массой ~ 0,3 кг) провода ПЭТВ2 диаметром 1,5…1,7 мм. Все одного фильтра в сборе 0,6...0,7 кг.  Для заказа относительно недорогого (в несколько раз более дешёвого) провода ПЭТВ2 рекомендую воспользоваться услугами сайта [6] с доставкой на 3-4 день после оплаты заказа.

При отсутствии измерителя индуктивности намотку вполне допустимо делать и по числу расчётных витков, рассчитанных под внутренние габариты вашей катушки. Только при этом необходимо постараться намотать обе катушки с одинаковым числом витков с точностью до витка, что бы обеспечить хорошее равенство индуктивностей между двумя фильтрами стерео-каналов.

А ещё проще и надёжнее заказать изготовление катушек на сайте [10], указав в заказе Ваши данные по значению индуктивности, диаметру провода, максимально допустимому наружному диаметру катушки с полностью намотанным проводом и выбранным типом её каркаса, поскольку избыточный размер каркаса щёчек можно легко подпилить, учитывая ограничения на размер щёчек катушки L2 в 56 х 56 мм.

Необходимо отметить, что любой металлический стержень (даже не магнитный, из алюминия или меди) в середине катушки оказывает существенное влияние на величину её индуктивности, поэтому нельзя крепить катушки индуктивности с применением металлических винтов и шайб к плате, как это делают при креплении тороидальных трансформаторов. Крепить детали фильтра к плате надо либо изолированным в пластике проводом или синтетикой, например, лентой ПВХ, толстыми нитками или леской, просверливая для этого в нужных местах отверстия диаметром 1,5…2 мм. Желательно так же избегать крепления катушек медным проводом в лаковой изоляции из-за риска образования короткозамкнутых витков при скрутке провода, надёжнее применить тонкий монтажный медный провод в пластиковой оболочке.

Например, при намотке индуктивности на трубке, сделанной из пластиковой водопроводной трубы с наружным диаметром 20 мм с внутренней тонкой алюминиевой трубкой с толщиной стенки ~0,3 мм) автор пытался измерить прибором индуктивность катушки, не снимая её с трубы, что однако приводило к занижению измеренной индуктивности (в сравнении с индуктивностью катушки без внутренней трубы). Ошибка при таких измерениях была эквивалентна намотке ~ 5…8 лишних витков, а это довольно много по индуктивности с учётом её квадратичной зависимости от числа витков.

В итоге, даже весьма тоненькая алюминиевая трубка в центре катушки занижала величину индуктивности намотанной катушки. Кстати, в УКВ блоках радиоприёмников индуктивность катушек часто регулируют резьбовыми сердечниками из медных сплавов. Поэтому при креплении катушек индуктивностей к плате недопустимо применять любые металлические винты в том числе и из немагнитных металлов, например, алюминия или медных сплавов (хотя их применение «в крайнем случае» допускает С.В. Гапоненко в своей книге [3] на стр.163).

С учётом малых габаритов платы необходимо стремиться к максимально возможному снижению индуктивной связи электромагнитных полей между двумя катушками индуктивности L1 и L2, сопровождающейся взаимными электромагнитными наводками токов из одной катушки в другую, что приводит к нежелательным перекрёстным прониканиям сигналов из одной полосы частот в другую, снижая тем самым глубину разделения полос между частотными фильтрами.

Правило взаимного размещения катушек состоит в максимально возможном удалении центров катушек друг от друга (не менее 5-8 см, а лучше 10 см) и взаимной перпендикулярности осей катушек в пространстве по следующему правилу: продольная ось второй катушки должна быть развёрнута перпендикулярно к плоскости, проведенной через центры обеих катушек и продольную ось первой катушки.

Поэтому в конструкции данного фильтра на фото рис.5 первая катушка L1 как более тяжелая закреплена плашмя на плате (слева), а вторая катушка L2, расположенная справа от неё на расстоянии ~10 см между центрами катушек, установлена перпендикулярно к плате и стоит на боковых щёчках с продольной осью, перпендикулярной к вертикальной плоскости, проходящей через вертикальную ось первой катушки и центры обеих катушек.

4. Конденсаторы

Ёмкость конденсаторов было решено набирать из плёночных конденсаторов отечественного производства типа К73-17 ёмкостью 4,7 мкФ на 63 В как весьма хороших с точки зрения минимальных вносимых искажений [4], а так же обеспечивающих наименьшие размеры (за счёт своей прямоугольной формы) и минимальную стоимость конденсаторов С1 и С2, набранных за счёт их параллельного соединения. Чуть-чуть лучше по качеству, но более дорогие и габаритные цилиндрические по форме плёночные конденсаторы типа К73-16.

Для получения требуемых значений ёмкостей для С1=40…43 мкФ и С2=10±0,5 мкФ вышеотмеченные конденсаторы К73-17, после измерения их реальных ёмкостей, набирались в кассеты для левого и правого каналов с близкими суммарными значениями ёмкостей. В качестве контейнера для размещения конденсаторов использовался гибкий и тонкостенный пластиковый отделочный уголок с закреплением в нём конденсаторов ПВХ изолентой. На фото рис.5 вдоль задней стенки фильтра видны выводы этих конденсаторов, припаянные к двум проволочным шинам для получения необходимой величины ёмкости конденсатора С1. При использовании мощного высоковольтного УМЗЧ с двухполярным питанием более ±50 В следует применять более высоковольтные аналогичные импортные плёночные конденсаторы, рассчитанные на напряжение до 100 В.

5. Распайка контактной колодки и подсоединение фильтра

На фото платы (рис.5) видна 7-контактная отечественная колодка с нумерацией выводов слева направо от №1 до №7, из которых контакты с №2 по №7 предназначены для припайки проводов от катушек динамиков с учётом фазы (+) и (-) их проводов, а к контактам №1 и № 7 припаиваются провода, идущие соответственно от (+) красной и (-) чёрной клемм, на которые подаётся выходной сигнал от УМЗЧ.

Слева внизу на фото к контактам №1 и №2 припаян 5 ваттный выравнивающий резистор R1, величина которого в фильтрах автора выбрана с более высоким значением 4,7 Ома (вместо 2 Ом по схеме).

Для снижения выделения тепла на нём любители больших выходных мощностей (~ 100 Вт) могут, в принципе, отказаться от установки выравнивающего резистора R1. Но при этом они должны ясно понимать, что резистор R1 необходим для компенсации почти двукратного уменьшения полного сопротивления фильтра на средних частотах вследствие пониженного в два раза характеристического сопротивления каждого из колебательных звеньев L1C1 и L2C2 из-за выбранного при проектировании по фазовому методу низкого значения коэффициента Кд =~0,5.

При отсутствии резистора R1, выравнивающего перепады полного сопротивления АС, УМЗЧ будет работать в довольно тяжёлых условиях c пониженным сопротивлением (импедансом) нагрузки ~ 3…4 Ом на средних частотах, что приблизительно в два раза меньше сопротивления данной АС ~ 6…8 Ом со штатным фильтром, поэтому сам УМЗЧ должен быть рассчитан на длительный режим работы с большой выходной мощностью с таким пониженным импедансом, а риск, связанный с надёжностью работы УМЗЧ в таком режиме, пользователь берёт на себя.

Это, пожалуй, основная особенность, являющаяся недостатком, данного последовательного фильтра «квази-второго» порядка, для компенсации которого и был введён выравнивающий резистор R1. Всё-таки настоятельно рекомендуется устанавливать выравнивающий резистор R1 величиной хотя бы минимум в ~ 2 Ома, а ещё лучше 4…5 Ом. О преимуществах и недостатках установки выравнивающего резистора написано в начале 1 части статьи. Поскольку автор использовал при создании электрических моделей динамиков данные из интернета [1] и не измерял с помощью измерительного микрофона реальное соотношение максимальных значений уровней НЧ, СЧ и ВЧ динамиков АС, то пользователи могут сами решить вопрос о необходимой величине выравнивающего резистора R1, который, например, при увеличении на каждые 2 Ома может уменьшить начальную разность между максимальными уровнями звучания НЧ и (СЧ и ВЧ) динамиками (если она действительно есть) на ~3,0 дБ (см. верхние рисунки при R1=0 и R1=2 Ом на рис.3).

Фото платы фильтра на рис.5 немного устарело. Так, в фильтре не нужна пара резисторов (в доли Ома), расположенных слева вверху между нижним выводом катушки L1 конденсатором C1 (см .схему на рис.1). И поэтому надо нижний по схеме вывод катушки L1 напрямую соединить монтажным проводом с объединёнными контактами № 5 и 6 на колодке (считая номера контактов слева направо), а конденсатор C1 должен соединяться, как и показано на фото, своим отдельным проводом с этими же контактами, что бы развести токи двух отфильтрованных полос по разным проводам для их лучшей электрической развязки в точку их объединения на контактах № 5 и 6, где соединяются плюсовые выводы катушек НЧ и СЧ динамиков.

В колонках АС «Yamaha NS-6490» 2019 года выпуска каждая пара проводов от трёх динамиков имеет следующие цвета и маркировки:

НЧ динамик: спаренный красный (+) провод и черно-красный (-) провод;

СЧ динамик: синий  (+) провод и черно-синий (-) провод;

ВЧ динамик: жёлтый (+) провод и черно- жёлтый (-) провод;

Все эти три спаренных провода, идущие от динамиков, надо отпаять от выводов конденсаторов штатного фильтра и входных клемм, а затем припаять на контакты с №2 по №7 колодки.

Из-за ограниченной длины проводов от динамиков и нежелания автора наращивать их по длинe припайка проводов на колодку фильтра производилась при наполовину вставленной в корпус АС плате фильтра. При этом сначала парой дополнительных проводов подсоединяем сигнал от усилителя с входных клемм (+) красного и (-) чёрного цветов соответственно на №1 и №7 контактов колодки, а затем подпаиваем к контактам с №2 по №7 провода от динамиков с учётом вышеприведенной цветовой маркировки проводов и согласно надписям под колодкой на фото рис.5.

При этом не надо забывать, что СЧ динамик должен быть включён в противофазе к НЧ и ВЧ динамикам, что и видно по знакам (+) и (-) на надписи под контактами колодки.

Фирма «Yamaha» на базе этого хорошего комплекта динамиков выпустила ещё две напольные и внешне одинаковые модели под названиями «NS-7390» и «NS-8390» с ~ вдвое большим объёмом корпуса и с укороченными фазоинверторами и формально с теми же частотами среза ёмкостных фильтров 2,5 и 8,0 кГц, как и у «NS-6490», в виде двух биполярных конденсаторов, но с другими ёмкостями 2,2 мкФ и 1,2 мкФ (вместо 4,7 и 1,5 мкФ у «NS-6490»). Предлагаемый последовательный фильтр подойдёт, в основном, и для этих моделей. Хотя всё же желательно уточнить АЧХ модель для НЧ динамика в этом новом акустическом оформлении (модели для СЧ и ВЧ динамиков уточнения не требуют, так как они не изменятся из-за их закрытого герметичного исполнения в индивидуальных боксах) и произвести поиск окончательных оптимальных значений элементов фильтра для этих моделей АС по критерию максимального сближения фаз динамиков между собой в смежных участках работы по частоте.

Article2

6. Оценка стоимости деталей при самостоятельном изготовлении фильтра

1. Катушка-каркас под Ч 48, «Чип и Дип» [5] (с доработкой щёчек), 40 руб/шт, 4 шт   – 160 руб

2. Медный эмалированный провод ПЭТВ2 от «snabcable.ru» [6]:

Провод диаметром 1,18 мм, ~0.4 кг (~37м) на две катушки L1, цена 1 кг -923 руб,   - 369 руб

Провод диаметром 1,50...1,7 мм, ~0.3 кг (~15м) на две катушки L2, цена 1 кг -923 руб,   - 277 руб

Большая катушка для провода, 100 руб/шт, и картонная упаковка 20 руб/шт, по 2 шт,   - 240 руб

Стоимость доставки от вида компании, например, для Московской области   -360 руб

3. Конденсатор плёночный типа К73-17, 4,7 мкФ на 63 В [7], 26,1 руб/шт, всего 22 шт.   -574 руб

(можно найти в интернете и более дешёвые варианты цен на эти конденсаторы)

4. Резистор 2 Ома на 10…20 Вт [5], цементный, 26 руб /шт, 2-4 шт,   -52-104 руб

5. 7- контактную колодку под пайку выводов придётся поискать в б/у аппаратуре.

Итого: 1984 руб за 2 комплекта деталей фильтров.

Кстати, можно сравнить стоимость альтернативного варианта параллельного фильтра отечественной фирмы «Desk-Fi», которая предлагает разработанный специально для АС «Yamaha NS-6490» набор деталей с уже намотанными катушками и деталями (кроме платы) для самостоятельной сборки 3-полосного параллельного (а не последовательного) фильтра в двух экземплярах общей стоимостью 3890 руб [8]. М.Мищенко купил такой набор, собрал и сравнил звучание со штатным фильтром в своём видео [1]. Звучит АС с таким параллельным фильтром, по моему, гораздо лучше, чем со штатным фильтром. Данные по величинам индуктивностей в этом фильтре сообщаются фирмой только при покупке электронной схемы фильтра. Но последовательный фильтр, по моему,  всё же лучше за счёт своей синфазности и динамичности звучания.

Желаю Вам успешной замены штатного фильтра на уникальный по своей простоте и динамичному звучанию последовательный фильтр «квази-второго» порядка.

Геннадий Георгиевич Мазяркин, инженер-механик по системам управления. 26 марта 2021г.

P.S. от 30.04.2021

  После опубликования данной статьи в интернете появился интересный видео-ролик Дениса Сыскова о «Вскрытии АС Yamaha NS-6490» от 3 апреля 2021г [11], в котором автор снял АЧХ каждого из динамиков и остался доволен видом АЧХ динамиков (особенно у НЧ и ВЧ динамиков) и подтвердил правильность выбранных в описанном последовательном фильтре частот разделения; частот разделения: 1 кГц и  5…6 кГц .  Автор видео отметил весьма хорошие характеристики у динамиков данной АС.

  Коэффициенты нелинейных искажения динамиков АС Yamaha NS-6490 по его данным, не превышают:

0,5% у НЧ динамика (в диапазоне частот от 100 Гц до 1 кГц и выше), на околорезонансной частоте 50Гц  ~2%,

0,2% у СЧ динамика (1…5 кГц),

0,1% у ВЧ динамика (5…18,5 кГц), при этом искажения ~10% на частоте 1кГц, и ~1,7%  на 3 кГц (около-резонансная частота).  Поэтому ВЧ динамику требуется фильтр 2 порядка, чтобы дополнительно снизить искажения на частотах ниже ВЧ частоты разделения ~5,3 кГц (что практически реализовано в предложенном последовательном фильтре за счёт ВЧ фильтра второго порядка).  

 Кроме того, Денис отметил, редко встречающуюся, отличную плоскую АЧХ у ВЧ динамика, а также довольно небольшой спад ~3дБ в АЧХ у НЧ динамика при изменении частоты от 100 Гц до 1 кГц. Разница по максимальным уровням звучания между всеми  динамиками не превышает 2…3 дБ.

  Кстати, в данном видео анализируется также вид АЧХ АС с 3-полосным параллельным фильтром, визуально весьма похожего на фильтр фирмы «Desk-Fi», ранее собранный для прослушивания в видео М.Мищенко [1].   

  Отметим, что предложенный последовательный фильтр обладает в силу своей природы более ровной АЧХ, чем вышеупомянутый параллельный фильтр, не говоря уже о его динамичности и синфазности звучания.

  В заключение отметим, что предложенный в данной статье последовательный фильтр «квази-второго» порядка фактически состоит всего из двух исходных параллельных фильтров НЧ и ВЧ второго порядка, средние точки которых соединены катушкой СЧ динамика, которая превращает эти два исходных НЧ и ВЧ независимых параллельных фильтра в ТРЁХПОЛОСНЫЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ДИНАМИЧНЫЙ фильтр «квази-второго» порядка.

  При этом, если отнести второе дополнительное колебательное звено к звену второго порядка для ВЧ динамика, то для формирования АЧХ фильтра СЧ динамика НЕ БЫЛО предпринято никаких дополнительных усилий и не использовано ни одного нового компонента, а, следовательно, и не было внесено никаких дополнительных амплитудных и фазовых отклонений в общую АЧХ последовательного фильтра от практически отсутствующего как такового самого СЧ фильтра (в сравнении с параллельными фильтрами,  которые не могут обойтись без третьего обязательного фильтра для СЧ динамика). Реально образовавшуюся АЧХ для СЧ динамика в последовательных фильтрах (в диагонали между средними точками двух НЧ и ВЧ фильтров), в соответствии с её характеристиками, можно отнести к фильтру первого порядка (см. выше рис.3). В итоге, получился «квази-второго» порядка с качественным динамичным воспроизведением музыкального сигнала. 

  Отмечу, что последовательный резистор R1=2 Ом не только частично компенсирует дополнительный провал импеданса АС в несколько Ом на средних частотах , но и оказывает некоторое влияние на динамику фильтра, т.е. на величину максимального выброса тока во фронтах импульсных сигналов. Например, за счёт увеличения R1 от 2 до 6 Ом можно немного понизить динамичность фильтра, если она покажется избыточной.  Возможно, что из-за высокой динамичности фильтра НЧ динамик на некоторых экземплярах АС может начать «подгуживать» на резонансной частоте (с его собственной добротностью ~0,7 и добротностью в корпусе ~1, по измерениям Дениса). В таком случае можно вставить несколько свитых в рулон синтепоновых ковриков для заполнения внутреннего объёма АС по бокам от фильтра. На моих АС при R1 = 4,7 Ом повышенного «гудения» не заметно, а редкие случаи с искажённо звучащими низкими частотами можно объяснить плохим качеством записи на низких частотах из-за превышения максимального допустимого уровня записи фонограмм.

7. Статьи и сайты в интернете

1. Видео М.Мищенко «Новый (параллельный) фильтр для полочной акустики Yamaha NS-6490», https://yandex.ru/video/preview/?text=видео%20с%20фильтром%20для%20Yamaha%20NS-6490&path=wizard&parent-reqid=1612082594843311-495972007887271884254440-production-app-host-vla-web-yp-135&wiz_type=vital&filmId=2338060182279384374

2. Сайт разработчиков СУБД “Qucs”, http://qucs.sourceforge.net/roadmap.htm  и её описание https://userdocs.ru/matematika/28524/index.html

3. Книга, С.В. Гапоненко «Акустические системы своими руками», Наука и техника, Санкт-Петербург, 2013 г

4. Статья, «Звучание конденсаторов в фильтрах акустических систем», журнал «Радио» № 8-10 2009 г,  http://www.electroclub.info/index.html и вариант этой же статьи https://electroclub.info/other/conders0/

5. Сайт магазина «Чип и Дип», катушка-каркас под Ч 48,  https://www.chipdip.ru/catalog-show/ferrites-accessories?gq=катушка-каркас

6. Сайт, «snabcable.ru», СНАБКАБЕЛЬ, эмалированные провода ПЭТВ2, г. Чебоксары, https://snabcable.ru/enameled_wire/petv-2-pet-155-pevtl-1-2/petv-2/

7. Сайт, ЗАО «АНИОН Электроникс», г.Москва, конденсаторы К73-17, https://www.anion.ru/katalog/search.html?query=К73-17+4%2C7+мкФ+63+В

8. Сайт интернет-магазина «Desk-Fi», набор деталей для сборки параллельного фильтра для АС «Yamaha NS-6490», https://deskfi.ru/products/dorabotka-yamaha-ns-6490-alternativniy-crossover

9. Программа "KFAS" - калькулятор для расчёта фильтров АС, http://35ac-018.ucoz.ru/load/programma_kfas_kalkuljator_dlja_raschjota_filtrov_as/1-1-0-24 

10. Сайт компании "Мавин-групп", Санкт-Петербург, изготовление индуктивностей для аудио Hi-Fi,

 https://www.mg-russia.com/index.php/dfcoil2 

11. Видео-ролик, Денис Сысков,"Вскрытие АС Yamaha NS-6490", 03.04.2021г,

 https://yandex.ru/video/preview/?text=Видео%20по%20ns-6490&path=wizard&parent-reqid=1619783434789760-1094532104683117975300187-production-app-host-man-web-yp-169&wiz_type=vital&filmId=16702079446654014462

Теги:

• Динамик