Projekt zwrotnicy do zestawu głośnikowego w obudowie ALTUS 300

[Krasul]

To nie jest apteka. Na jednym kanale około 7 omów, na drugim 6,5 oma przy 100 Hz. Głośniki i elementy składowe zwrotnicy też mają swoje tolerancje. Jak na zwrotnicę zrobioną z elementów wpasowanych w szereg wartości (bez składania równolegle kondensatorów żeby dobrać wartość optymalną), to i tak wyszło bardzo dobrze. Można ten projekt powielać bez żadnych obaw...

[Romekd]

Oczywiście, nie jest to apteka, ale czy naprawdę aż tak dużym problemem jest zmierzenie impedancji zestawu głośnikowego dla choćby trzech częstotliwości, np. 100 Hz, 1 kHz i 10 kHz, którymi dysponuje niemal każdy współczesny miernik RLC, potrafiący dodatkowo mierzyć impedancję? Niech będzie nawet tylko dla jednej częstotliwości, równej 100 Hz (bo tam mamy lekki spadek). Mówię o pełnej impedancji, a nie tylko o jej module, oczywiście zmierzonej dla zwrotnicy obciążonej prawdziwymi głośnikami, zamkniętymi w obudowie kolumny, a nie precyzyjnymi rezystorami o niskiej i stałej indukcyjności. Jeżeli dla 100 Hz przesunięcie fazowe prądu i napięcia wyniesie od 0 do ±10 stopni, to wszystko będzie ok. i wzmacniacz na germanowych tranzystorach Tomka Janiszewskiego nie ulegnie uszkodzeniu, obciążony takim zestawem głośnikowym. Jeśli jednak przesunięcie będzie znacznie większe, Tomka wzmacniacz może nawet eksplodować, choć pewnie wszystkie inne świetnie sobie z wysterowaniem Kolegi kolumn poradzą, gdyż są poprawnie zaprojektowane i maja zapas w wartości prądu wyjściowego oraz nie przeszkadza im większe przesunięcie fazy.
Mnie zmierzenie impedancji pięciu zestawów głośnikowych zajęło może z pięć minut (więcej czasu siedziałem nad tabelką). Uzyskałem wyniki widoczne w tabeli poniżej.

Niektóre z zestawów wypadły naprawdę fatalnie i podłączone do wyjścia "delikatnego" wzmacniacza tranzystorowego mogłyby doprowadzić do jego poważnego uszkodzenia. Np. kolumny firmy Philips o znamionowej impedancji 6 Ω dla częstotliwości 10 kHz miały moduł impedancji równy jedynie 3,4 Ω przy przesunięciu fazy równym ok. -20°. Producent zastosował w nich prostą zwrotnice pierwszego rzędu (tylko dla głośnika wysokotonowego), włączając głośnik wysokotonowy do głośnika szerokopasmowego przez mały kondensator elektrolityczny. Niestety głośnik szerokopasmowy miał w obwodzie magnetycznym pierścień Faradaya, przez co jego impedancja nie rosła zbyt szybko ze wzrostem częstotliwości, a od pewnej jej wartości włączał się głośnik wysokotonowy i oba głośniki o module impedancji 6 Ω pracowały w połączeniu równoległym... Z kolei głośniki ALTUS 75 miały potężną górkę w okolicach 1 kHz, więc pewnie sprawiałyby problem przy próbie sterowania wielu wzmacniaczom lampowym.

Pozdrawiam
Romek

[Krasul]

No niestety ale nie mam już u siebie mostka RLC. Miałem kiedyś pożyczony z uczelni ale musiałem go zdać. Przepraszam, że nie wrzuciłem od razu wykresu fazowego ale miałem trochę rzeczy do porobienia. Mam nadzieję, że taki pomiar Pana urządza:

Przy 100 Hz jest -5 stopni. Poniżej faza wywija rogami od rezonansów GDN-a w obudowie basrefleks ale za to od 150 Hz do góry przesunięcia fazowego nie ma w ogóle.

[Romekd]

Dziękuję, teraz mamy komplet informacji i naprawdę wygląda to bardzo dobrze. Gratuluję konstrukcji

Pozdrawiam serdecznie
Romek

[Krasul]

W ramach takiej ciekawostki naukowej powiem, że jest opcja żeby wyprostować całą charakterystykę modułu impedancji w funkcji częstotliwości zestawu do linii prostej na poziomie ośmiu omów (wykonałem kiedyś taki układ dla subwoofera, z tym że w obudowie zamkniętej) ale w tym konkretnym przypadku trzeba by było dołożyć do zwrotnicy dwie wielkie i grube pułapki rezonansowe RLC z elementami rzędu setek mikrofaradów i kilkunastu, kilkudziesięciu milihenrów (tu już w grę wchodzą cewki rdzeniowe, które musiałyby mieć bardzo duże gabaryty żeby nie wchodziły w stan nasycenia podczas pracy przy pełnej mocy). Zrobiłby się z tego grzejnik jak jasna cholera ponieważ widmowa gęstość mocy sygnału muzycznego odpowiada widmowej gęstości mocy szumu różowego i na niskich częstotliwościach wydziela się największa moc. Problem polega na tym, że po pierwsze, w praktyce jest to nieopłacalne, a po drugie, o ile rezonans obudowy jest w przybliżeniu stały (ponieważ wymiary obudowy i rury rezonatora się nie zmieniają), o tyle częstotliwość rezonansowa samego głośnika niskotonowego zmienia się w funkcji temperatury i co za tym idzie, przy stałych parametrach obydwu pułapek, charakterystyka modułu impedancji w funkcji częstotliwości "pływałaby" podczas pracy zestawu w miarę rozgrzewania się cewki głośnika niskotonowego, jego układu drgającego i całego obwodu magnetycznego.

[Krasul]

Można pośrednio poprawić obydwie te charakterystyki (impedancyjną i fazową) bez ingerencji w układ zwrotnicy, obniżając strojenie rezonatora w taki sposób żeby obydwie górki rezonansowe były na takim samym poziomie.

Istnieją jednak dwie przeszkody:

1) Wtedy będzie mniej niskich tonów bo sprawność rezonatora zmaleje.

2) Te rury w oryginalnym strojeniu i tak są długie i dłuższe mogą się po prostu nie zmieścić bo dalej jest już tylna ścianka zestawu. Trzeba by zastosować specjalne rury wygięte po łuku i spróbować poprowadzić je w taki sposób aby nie kolidowały z kubkiem głośnika średniotonowego ani z koszem i obwodem magnetycznym głośnika niskotonowego a to już jest kombinowanie i wydziwianie...

[Tomek Janiszewski]

Jeżeli dla 100 Hz przesunięcie fazowe prądu i napięcia wyniesie od 0 do ±10 stopni, to wszystko będzie ok. i wzmacniacz na germanowych tranzystorach Tomka Janiszewskiego nie ulegnie uszkodzeniu, obciążony takim zestawem głośnikowym. Jeśli jednak przesunięcie będzie znacznie większe, Tomka wzmacniacz może nawet eksplodować, choć pewnie wszystkie inne świetnie sobie z wysterowaniem Kolegi kolumn poradzą, gdyż są poprawnie zaprojektowane i maja zapas w wartości prądu wyjściowego oraz nie przeszkadza im większe przesunięcie fazy

A może tak zamiast troszczyć się o bezpieczeństwo moich wzmacniaczy przy 100Hz - zainteresuj się podczas najbliższego zympozjum w których jakoby aktywnie uczestniczysz - Myślą Techniczną w firmie KEF której zespół Q4 wykazywał przy tej częstotliwości 3 omy z okładem, mimo że producent deklarował impedancję znamionową 8 omów? I praktyczna rada na przyszłość: zanim przytoczysz takie tabelki jak tutaj - zmierz zawczasu rezystancję zespołu zwykłym omomierzem. Dzięki temu będziesz miał szansę nie skompromitować się ponownie tak jak właśnie z zespołem KEF-Q4 (tam także ogłaszałeś wszem i wobec że moje wzmacniacze są do niczego ponieważ nie będą zdolne do pracy z takim trudnym zespołem!) gdzie dopiero ja musiałem wywnioskować że producent wtrynił do tej kolumny głośnik zasadniczy o impedancji dużo mniejszej niż "znamionowa" impedacja i w pełni się to potwierdziło. Mimo że nigdy nie miałem takiego zespołu w ręku, a o stopniu zepsucia rynku audio przez takie knoty jak Q4 (a może jest ich więcej?) miałem okazję dowiedzieć się dopiero z forum.

Np. kolumny firmy Philips o znamionowej impedancji 6 Ω dla częstotliwości 10 kHz miały moduł impedancji równy jedynie 3,4 Ω przy przesunięciu fazy równym ok. -20°. Producent zastosował w nich prostą zwrotnice pierwszego rzędu (tylko dla głośnika wysokotonowego), włączając głośnik wysokotonowy do głośnika szerokopasmowego przez mały kondensator elektrolityczny. Niestety głośnik szerokopasmowy miał w obwodzie magnetycznym pierścień Faradaya, przez co jego impedancja nie rosła zbyt szybko ze wzrostem częstotliwości, a od pewnej jej wartości włączał się głośnik wysokotonowy i oba głośniki o module impedancji 6 Ω pracowały w połączeniu równoległym...

Takie i podobne patologie (choć nie aż tak porażające jak KEF-Q4) proponuję wykluczyć z dalszych rozważań. Nawet jeśli firmuje je Philips, a ich nabywcy gotowi za nie dać tyle co za luksusowy samochód mogliby uznać wygłaszającego opinie takie jak wyżej za osobę kompletnie w temacie niezorientowaną.

Z kolei głośniki ALTUS 75 miały potężną górkę w okolicach 1 kHz, więc pewnie sprawiałyby problem przy próbie sterowania wielu wzmacniaczom lampowym.

Ale za to miały niepowtarzalne tonsilowskie brzmienie Tak jak wiele jeszcze innych zespołów tej firmy (choćby ZG25C, te z dwoma GDN16/12 i jednym GDWK9/40), gdzie celowo upośledzono częstotliwości wokół 1kHz włączając w szereg z GDN o wiele za dużą cewkę niż należało, za to w szereg z GDM (lub z GDW) - o wiele za mały kondensator.
A tak BTW: znasz przypadek wzmacniacza lampowego (a najlepiej "wielu" wzmacniaczy) który działałby niewłaściwie przez to że impedancja zespołu rośnie w okolicach częstotliwości podziału? Oczywiście, patologii tym razem wzmacniaczopodobnych, takich jak Laura SE deluxe nie biorę pod uwagę. Przed chwilą dołączyłem do swojego amplitunera stereo z kolejną dopiero co zgrzebaną głowicą DEA i wzmacniaczem PP na ECL86 oraz TGp5-5-666 w miejsce używanych od jakiegoś czasu zespołów dwudrożnych z szambopompami GDN16/10 i śrubsztakami GDW6,5/15 - zespoły jednodrożne na szmaciakach GDS16/15, pozbawionych jakiejkolwiek kompensacji składowej indukcyjnej, a więc również cechujących się wzrostem impedancji powyżej pojedynczych kHz i znacznym przesunięciem fazy w tym zakresie. Wzmacniacz nie eksplodował...


Dziękuję za uwagę.

[Tomek Janiszewski]

W ramach takiej ciekawostki naukowej powiem, że jest opcja żeby wyprostować całą charakterystykę modułu impedancji w funkcji częstotliwości zestawu do linii prostej na poziomie ośmiu omów (wykonałem kiedyś taki układ dla subwoofera, z tym że w obudowie zamkniętej) ale w tym konkretnym przypadku trzeba by było dołożyć do zwrotnicy dwie wielkie i grube pułapki rezonansowe RLC z elementami rzędu setek mikrofaradów i kilkunastu, kilkudziesięciu milihenrów (tu już w grę wchodzą cewki rdzeniowe, które musiałyby mieć bardzo duże gabaryty żeby nie wchodziły w stan nasycenia podczas pracy przy pełnej mocy). Zrobiłby się z tego grzejnik jak jasna cholera ponieważ widmowa gęstość mocy sygnału muzycznego odpowiada widmowej gęstości mocy szumu różowego i na niskich częstotliwościach wydziela się największa moc.

Kiedyś pisałem o tej metodzie na Forum... Na pocieszenie można zauważyć że owe cewki mogą częściowo wziąć na siebie rolę grzejnika/opornika, innymi słowy - nie muszą mieć małej oporności, bo i tak w szereg z nimi musi być włączony opornik tak aby wypadkowa impedancja szeregowego dwójnika RLC przy rezonansie była zbliżona (tj. nieco większa) od impedancji znamionowej zespołu. Można je zatem nawijać stosunkowo cienkim drutem (i tym samym łatwiej jest zmieścić dużą liczbę zwojów). Istotne jest tylko aby się nie spaliły.

Problem polega na tym, że po pierwsze, w praktyce jest to nieopłacalne

Póki co nie dysponuję danymi aby zaprzeczyć powyższemu. Problemy wynikające z niestałości impedancji (objawiające się przedwczesnym zadziałaniem mostkowego zabezpieczenia pzwar a objawiające się bardzo przykrymi strzałami w głośniku, przypominającymi zakłócenia wywoływane przez silne wyładowania elektrostatyczne) miałem nie w zakresie rezonansu głośnika, ale dużo wyżej, gdzie impoedancja gołego głośnika (konkretnie był to GDS16/15) wykazywała znaczną już składową indukcyjną. Rozwiązało problem zbocznikowanie głośnika obwodem Zobla o nietypowo dużej pojemności (ZTCP 2,2uF) zbliżonej do kondensatora jaki by się zastosowało w szereg z GDW gdyby miał występować z zespole.

[AZ12]

Witam

Niektóre z zestawów wypadły naprawdę fatalnie i podłączone do wyjścia "delikatnego" wzmacniacza tranzystorowego mogłyby doprowadzić do jego poważnego uszkodzenia.

Czy to mogło być przyczyną uszkadzania się scalonych wzmacniaczy mocy UL1405L w odbiornikach Amator stereo DSS-101 poprzez podłączenie zestawów głośnikowych innych niż przewidziane do tego modelu urządzenia?

Np. kolumny firmy Philips o znamionowej impedancji 6 Ω dla częstotliwości 10 kHz miały moduł impedancji równy jedynie 3,4 Ω przy przesunięciu fazy równym ok. -20°. Producent zastosował w nich prostą zwrotnice pierwszego rzędu (tylko dla głośnika wysokotonowego), włączając głośnik wysokotonowy do głośnika szerokopasmowego przez mały kondensator elektrolityczny. Niestety głośnik szerokopasmowy miał w obwodzie magnetycznym pierścień Faradaya, przez co jego impedancja nie rosła zbyt szybko ze wzrostem częstotliwości, a od pewnej jej wartości włączał się głośnik wysokotonowy i oba głośniki o module impedancji 6 Ω pracowały w połączeniu równoległym.

Normalne w taniej masówce. Podobnie zbudowane są zespoły przeznaczone dla sprzętu car audio.

[Einherjer]

No niestety ale nie mam już u siebie mostka RLC. Miałem kiedyś pożyczony z uczelni ale musiałem go zdać. Przepraszam, że nie wrzuciłem od razu wykresu fazowego ale miałem trochę rzeczy do porobienia. Mam nadzieję, że taki pomiar Pana urządza:

faza - kanał lewy.jpg

Przy 100 Hz jest -5 stopni. Poniżej faza wywija rogami od rezonansów GDN-a w obudowie basrefleks ale za to od 150 Hz do góry przesunięcia fazowego nie ma w ogóle.

Może głupie pytanie, bo nie używałem programu AudioTester, ale na Twoim wykresie jest tylko jedna skala, oznaczona "ohm", a na innych wykresach z tego programu widziałem dwie skale, jak choćby na pierwszej stronie instrukcji do niego:

[Tomek Janiszewski]

Czy to mogło być przyczyną uszkadzania się scalonych wzmacniaczy mocy UL1405L w odbiornikach Amator stereo DSS-101 poprzez podłączenie zestawów głośnikowych innych niż przewidziane do tego modelu urządzenia?

Tam jest stabilizator dostarczający 24V. To nawet więcej niż zalecało CEMI dla obciążenia 8 omów (22V) Jak do tego jeszcze dołączy się sknocony zespół głośnikowy którego moduł impedancja spada poniżej znamionowej, no to można spodziewać się najgorszego. Co dopiero gdy jest spieprzony celowo a nie przez niedbalstwo oraz ignorancję, i w rzeczywistości siedzi w nim głośnik o impedancji niższej niż znamionowa. A pamiętasz może który z zespołów ukatrupił UL1405L? Może trafi się na Forum ktoś kto posiada takowy, i będzie można powiedzieć więcej. Fabrycznie stosowano do Amatora kolumny typu popularnego, z szerokopasmowym papierzakiem o średnicy 16 a może 20cm, a także dwudrożne compacty ZG15C. Ale czy te ostatnie nie wchodziły przypadkiem w skład wyposażenia Amatora 2 na GML026?

Normalne w taniej masówce. Podobnie zbudowane są zespoły przeznaczone dla sprzętu car audio.

A po co lepsze i bardziej niezawodne, skoro jest wysoce prawdopodobne że ich użytkownik i tak niebawem będzie miał dzwona?

[Romekd]

No niestety ale nie mam już u siebie mostka RLC. Miałem kiedyś pożyczony z uczelni ale musiałem go zdać. Przepraszam, że nie wrzuciłem od razu wykresu fazowego ale miałem trochę rzeczy do porobienia. Mam nadzieję, że taki pomiar Pana urządza:

faza - kanał lewy.jpg

Przy 100 Hz jest -5 stopni. Poniżej faza wywija rogami od rezonansów GDN-a w obudowie basrefleks ale za to od 150 Hz do góry przesunięcia fazowego nie ma w ogóle.

Może głupie pytanie, bo nie używałem programu AudioTester, ale na Twoim wykresie jest tylko jedna skala, oznaczona "ohm", a na innych wykresach z tego programu widziałem dwie skale, jak choćby na pierwszej stronie instrukcji do niego:
audiotester.png

Też mnie to zaskoczyło. Jakaś niedoróbka w programie? Swoją drogą to najlepszy przebieg impedancji zestawu głośnikowego jaki w życiu widziałem, a oglądałem ich dziesiątki a może i więcej, nie licząc tych, które osobiście zdjąłem z kilkunastu fabrycznych zestawów głośnikowych. Szkoda tylko, że projekt powstał dla polskich głośników, których brzmienia osobiście nie lubię

Pozdrawiam
Romek

[Krasul]

W mojej wersji programu jest wspólna skala dla modułu impedancji i dla fazy. Przy zmianie podziałki obydwa wykresy zmieniają swoje rozmiary i przemieszczają się razem. Z uwagi na to, że akurat znam dobrze niemiecki to napisałem maila do autora programu z zapytaniem w tej sprawie. Jak przyjdzie odpowiedź to dam znać na forum.

[Krasul]

Taką zwrotnicę można wykonać dla dowolnych głośników, nie tylko tych polskich ale zachodnich też. Proces projektowy wygląda w sposób następujący:

1) Do każdego głośnika zestawu trzeba dobrać "na surowo" obwód kompensacyjny Zobla (jest podrozdział na ten temat w mojej książce). Krótko mówiąc obliczamy ze wzoru rezystancję opornika na podstawie rezystancji uzwojenia cewki, dokładamy mały kondensator i zdejmujemy charakterystykę wobulatorem. Charakterystyka dla wysokich częstotliwości zmieniła nachylenie. No to równolegle dokładamy drugi i znowu zapuszczamy wobulator. I tak do skutku aż wykres położy się na wartości ośmiu omów. Wtedy już nie zwiększamy pojemności tylko zostawiamy tak jak jest. Głośniki z miedzianym pierścieniem Faradaya na rdzeniu obwodu magnetycznego są łatwiejsze do skompensowania, ale jak chcemy np. wykorzystać w projekcie głośnik niskotonowy GDN 30/60/3 z bieżącej produkcji (bez pierścienia), to musimy liczyć się z tym, że trzeba będzie tam włączyć gruby kondensator o pojemności rzędu kilkudziesięciu mikrofaradów.

2) Jak już mamy to zrobione to wgrywamy charakterystyki impedancyjne głośników z dolutowanymi obwodami Zobla do programu (np. Speaker Workshop). Wybieramy rząd filtrów i częstotliwości podziału kierując się zasadami prawidłowego podziału mocy wydzielnej na poszczególnych głośnikach (u mnie np. głośnik średniotonowy może przetwarzać całą dekadę od 500 Hz do 5 kHz ponieważ nachylenie wynosi 18 dB/okt.). Deklarujemy filtry ze wzorów dla obciążenia rezystancyjnego. Zapuszczamy symulację i patrzymy jak to wygląda (charakterystyka wypadkowa modułu impedancji zestawu w funkcji częstotliwości). Jest krzywo bo układ nie ma pułapek rezonansowych dla rezonansów GDM i GDWK. No to teraz tak wachlujemy wartościami elementów, żeby to wstępnie wyprostować (ale musimy zadeklarować w programie też wartości ESR dla cewek i kondensatorów - najlepiej odczytać z tabeli producenta, bo inaczej będą grube przekłamania).

3) Montujemy zwrotnicę w pierwszej wersji (najlepiej tak kombinować, żeby wartości kondensatorów pokrywały się z szeregiem wartości, według którego są wykonywane, bo inaczej trzeba będzie składać równolegle z kilku sztuk). Podłączamy wobulator i patrzymy co się stało. Na symulacji było prosto a w naturze jest nadal trochę krzywo. No cóż, nie ma ideałów na świecie. To teraz kombinujemy "na żywym organizmie" i podmieniamy wartości elementów RLC w gotowej zwrotnicy, sprawdzamy wobulatorem i korygujemy, znowu sprawdzamy i tak do skutku.

4) Jak już wyjdzie coś co ma ręce i nogi to składamy cały zestaw i jedziemy do komory bezechowej. Podłączamy układ pomiarowy i patrzymy czy charakterystyka poziomu ciśnienia w funkcji częstotliwości jest płaska i czy wykres opóźnienia grupowego się zgadza w obranym punkcie (tutaj jest kilka norm, można mierzyć z metra, z trzech metrów, przy różnych mocach, standardowo 1 W RMS, jedna trzecia wysokości zestawu od góry albo geometryczny środek ekranu zestawu, przy każdym położeniu wyjdzie inna charakterystyka). Jak któryś głośnik gra za głośno to dokładamy pomiędzy filtr a głośnik z układem Zobla dzielnik napięcia żeby zjechać o tych kilka decybeli poniżej żeby było równo (ja tak stłumiłem GDM-a u siebie). Prawidłowo dobrany dzielnik napięcia nie zmieni nam charakterystyki modułu impedancji w funkcji częstotliwości. Trzeba oczywiście dobrać też moc elementów zwrotnicy z odpowiednim zapasem.

No i to tyle. Nie ma w tym żadnej filozofii tylko dużo dłubania, przerabiania, przelutowywania i wydziwiania.

Myślę, że dla pełnego obrazu tego zagadnienia warto zapoznać się z treścią mojej najnowszej książki pt. "Wprowadzenie do projektowania układów zwrotnic zestawów głośnikowych. Poradnik praktyczny". Jest tam trochę teorii oraz kilka przykładów pokazujących w jaki sposób wykonać prawidłowo działające zwrotnice z kompensacją a nawet (przy odrobinie zręczności i pomysłowości) bez kompensacji.

Gorąco polecam!

[Krasul]

Tutaj jest wyjaśnione jak to ustawić w programie:

A tutaj powtórzony pomiar, tym razem z osobnymi skalami dla modułu impedancji i dla fazy:

EDIT:

- Te obydwa pomiary z fazą są lekko przekłamane jeżeli chodzi o moduł impedancji ponieważ zestyk pomiędzy terminalem a opornikiem pomiarowym był słaby. Z uwagi na to, że robiłem to na szybko a pomiar trwa dosyć długo, to nie chciało mi się już tego powtarzać. Normalnie (tak jak na tych wykresach w pierwszym poście - bez fazy) impedancja znamionowa zestawu jest na poziomie ośmiu omów (trzeba tylko porządnie przykręcić opornik pomiarowy do terminala).