Zwrotnice głośnikowe

2017-12-22
Zwrotnice głośnikowe

Choć zwrotnice pasywne mają bezsporne zalety nie są idealne i mają sporo wad.

Choć zwrotnice pasywne mają bezsporne zalety – przede wszystkim są stosunkowo proste i tanie, nie zajmują dużo miejsca, nie potrzebują zewnętrznego zasilania, no i pozwalają na korzystanie z pasywnych zestawów głośnikowych bez konieczności posiadania dodatkowych urządzeń (oprócz wzmacniacza, bo bez niego ani rusz), czyli zwrotnic aktywnych, ostatnimi czasy w zasadzie już tylko cyfrowych – nie są idealne i mają sporo wad.

IMPEDANCJA OBCIĄŻENIA


Jedną z kwestii, o których trzeba pamiętać przy projektowaniu zwrotnic jest fakt, że – korzystając z odpowiednich wzorów – liczymy wartości elementów składowych na podstawie impedancji znamionowej głośników. Niestety, impedancja ta nie jest stała, bowiem jej wartość zmienia się wraz z częstotliwością, często w szerokim zakresie. „Winę” za to ponosi induktancja cewki, czyli, mówiąc inaczej, reaktancja indukcyjna, która rośnie wraz z częstotliwością. Z uwagi na to, że częstotliwość podziału w przypadku głośników nisko- i średniotonowych wypada w zakresie, w którym induktancja zaczyna grać dużą rolę, błędem byłoby zakładać, iż impedancja głośnika dla tej częstotliwości będzie odpowiadać impedancji znamionowej.

Spójrzmy na rysunek 1, na którym widnieje przykładowy przebieg impedancji głośnika w funkcji częstotliwości. Region, gdzie impedancja przyjmuje wartości zbliżone do nominalnej, występuje powyżej rezonansu, jednak jest on stosunkowo wąski i nie leży w obszarze naszych zainteresowań (zakładamy, że mamy do czynienia z zestawem dwudrożnym, a więc częstotliwość podziału wypadnie raczej powyżej 1 kHz). Idąc dalej widać sukcesywny i, niestety, bynajmniej nie liniowy wzrost impedancji, spowodowany wspomnianym wcześniej zjawiskiem wzrostu, wraz z częstotliwością, induktancji cewki głośnika. Wzrost ten będzie zawierał się w granicach 3-5 dB/oktawę, jednak nie jesteśmy w stanie go dokładnie przewidzieć bez dokładnych pomiarów impedancji przetwornika. Widać więc wyraźnie, iż jeśli do obliczeń projektowanej zwrotnicy o częstotliwości, powiedzmy, 2 kHz podstawimy wartość impedancji znamionowej (czyli w naszym przypadku 8 Ω), popełnimy gruby błąd, bowiem rzeczywista wartość tego parametru dla 2 kHz wynosi ok. 20 Ω, a więc jest ponad dwukrotnie większa!

W aplikacjach praktycznych problem ten rozwiązuje się za pomocą tzw. układu Zobla, czyli połączenia szeregowego kondensatora i rezystora, wstawionego równolegle w obwód głośnika (na jego wejściu – patrz rysunek 2). Gdy induktancja rośnie, reaktancja pojemnościowa kondensatora z tego układu maleje, w efekcie czego impedancja przyjmuje mniej więcej stałą wartość, zbliżoną do rezystancji uzwojenia cewki głośnika. Rezultatem zaś tego jest płaski przebieg charakterystyki rezystancji w funkcji częstotliwości (rysunek 3). Układ Zobla jest jak najbardziej poprawnym wyjściem z sytuacji nieliniowości charakterystyki impedancji, choć niestety nie za często stosowanym.

Ma też swoje wady. Po pierwsze przesuwa nieco częstotliwość podziału zwrotnicy, po drugie wprowadza też dodatkowe, niepożądane zafalowania charakterystyki fazowej. Ponadto mamy kolejne dwa „pochłaniacze energii” w postaci rezystora i kondensatora, przy czym bardziej „żarłoczny” będzie ten pierwszy, który powodować będzie straty energii, związane z jej zamianą na ciepło. Traci na tym sumaryczna efektywność układu. Po trzecie w końcu układ ten obniża trochę impedancję głośnika, co może powodować zbyt duże obciążenie wyjścia wzmacniacza i spowodowane tym problemy. Rachunek zysków i strat przemawia jednak za układem Zobla, przy czym trzeba pamiętać, że nie wpływa on na poprawę pracy głośnika przy wyższych częstotliwościach, bowiem zadaniem jego jest zapewnienie niezmiennej wartości impedancji, tak aby współpraca przetwornik-crossover, mówiąc kolokwialnie, układała się pomyślnie.

 

IMPEDANCJA WYJŚCIOWA WZMACNIACZA


Zwrotnica pasywna to element, który znajduje się między wzmacniaczem a głośnikiem. Skoro impedancja głośnika ma, jak widać, dość istotny wpływ na pracę zwrotnicy, to można się spodziewać, że od drugiej strony (czyli od strony wzmacniacza) też możemy napotkać na jakieś problemy. Czy tak jest w rzeczywistości? Odpowiedź brzmi – i tak, i nie.

Prawdą jest, że impedancja wzmacniacza ma wpływ na pracę crossovera pasywnego, jeśli bowiem zaprojektujemy układ zwrotnicy, który – przy założeniu zerowej impedancji wyjściowej końcówki mocy – charakteryzował się będzie płaskim przebiegiem charakterystyki, to w momencie gdy podłączony doń wzmacniacz „wykaże” się impedancją na wyjściu równą 4 omy, na charakterystyce crossovera w punkcie podziału niespodziewanie pojawi się ok. 1,5-decybelowa górka. Jak widać, nie jest to tak duży wpływ na parametry zwrotnicy, jak w przypadku zmiany impedancji głośnika, niemniej jednak pewien wpływ jest. A co z odpowiedzią „nie”? Otóż proszę zauważyć, iż to stosunkowo niewielkie podbicie na charakterystyce pojawia się, gdy impedancja wyjściowa wzmacniacza osiągnie wartość ok. 4 omów, a przecież współczesne wzmacniacze tranzystorowe (czy też na układach scalonych) charakteryzują się impedancją wyjściową rzędu ułamków oma. Tak więc można założyć, że problem ten nie będzie dla nas istotny. Co innego, gdy mamy do czynienia ze wzmacniaczami lampowymi, które mogą się charakteryzować impedancją wyjściową właśnie rzędu kilku omów, ale tego typu urządzeń nie stosuje się w sprzęcie nagłośnieniowym, więc ten temat możemy zamknąć.

Armand Szary