Filtri Crossover

Il problema di costruire un crossover è uno dei più impegnativi da affrontare nel campo dell'Alta Fedeltà, sia per il tecnico progettista, sia, a maggior ragione, per l’amatore. Nell'articolo vengono innanzitutto illustrati i criteri in base ai quali scegliere le frequenze di separazione, il circuito ed i suoi componenti, l'attenuazione per ottava oltre la frequenza di crossover.

Successivamente,dopo aver definito le reti tipo « K » e tipo « M », vengono presentati i metodi per il progetto vero e proprio di un crossover; a questo scopo sono inserite numerose tabelle che facilitano il compito.

E noto che una riproduzione veramente d'Alta Fedeltà richiede una risposta di frequenza da 30 a 15.000 Hz.

Per ottenere una banda così larga è necessario ricorrere a due o più altoparlanti, woofer, mid-range.e tweeter, sistemati in una stessa cassa acustica. Se questi altoparlanti vengono collegati direttamente all'uscita dell'amplificatore senza che vi sia una preventiva separazione delle frequenze, ciascuno di essi viene alimentato con tutte le frequenze della gamma audio. Il risultato sarebbe del tutto insoddisfacente, perché la riproduzione avverrebbe con una forte distorsione d'intermodulazione. infatti il woofer non riuscirebbe a riprodurre le frequenze alte, mentre il tweeter non potrebbe emettere le frequenze basse; non solo, se il tweeter venisse alimentato con frequenze basse potrebbe subire danni irreparabili, come la bruciatura della bobina mobile.

Se invece la gamma di frequenza applicata a ciascun altoparlante viene limitata e sono inviate in esso solo le frequenze che meglio può riprodurre, si ottiene un rendimento superiore in tutto l'impianto.

Un sistema riproduttore a due vie comprende un woofer ed un tweeter, alimentati tramite una rete crossover a due,sezioni: una sezione passa-alto ed una passa-basso. Un sistema più completo, a tre vie, ha in più una sezione intermedia passa-banda.

La funzione del crossover è quella di provvedere alla giusta separazione delle frequenze tra un altoparlante e l'altro; evidentemente non si può pretendere da esso la correzione dei difetti propri di un altoparlante o di una cassa acustica.

Per giungere al miglior rendimento, il crossover deve accoppiare esattamente la impedenza dell'amplificatore con quella degli altoparlanti, senza introdurre una apprezzabile perdita di potenza?

Fig1 - Filtro passa-alto

A Ogni discorso sui crossover si basa sull'esame di tre tipi di filtri elementari, già accennati: il filtro passa-alto (fig. 1), il passa-basso (fig. 2) e il passa-banda (fig. 3). i Il filtro passa-alto, come dice la parola stessa, lascia passare solo le frequenze superiori alla frequenza di taglio; il passa-basso ha un'azione esattamente inversa, cioè lascia passare solo le frequenze inferiori; il passa-banda consente il passaggio alle frequenze comprese tra la frequenza di taglio inferiore e quella superiore.

Fig 2 - Filtro passa-basso

Nei diagrammi la frequenza di taglio viene fissata nel punto in cui la curva di risposta ha un’attenuazione di 3dB rispetto al valore di riferimento (0 dB).

FREQUENZA DI CROSSOVER

La scelta della frequenza di crossover per una rete filtro è dettata dalla risposta di frequenza degli altoparlanti impiegati.

In generale un woofer adatto per l'impiego in un sistema a due vie offre un rendimento soddisfacente da 30 a circa i 2.000 Hz e dopo questo limite la sua risposta cade rapidamente.

Un mid-range/tweeter, sempre per un sistema a due vie, copre efficacemente la banda da circa 800 Hz fino al limite superiore, che può essere sui 15.000, Hz.

Fig 3 - Filtro passa-banda

In un sistema a tre vie i valori più convenienti per le frequenze di crossover sono intorno ai 400 Hz ed ai 5.000 Hz.

La fig. 4 mostra alcune tipiche risposte di frequenza per sistemi a due e a tre vie.

La pendenza d’attenuazione nel punto di crossover può essere di 6 - 12 - 18 dB per ottava, a seconda delle esigenze del sistema.

Un'ottava musicale è l'intervallo compreso fra due frequenze una doppia dell'altra. Per esempio tra 240 Hz e 480 Hz esiste un intervallo esattamente di un'ottava, così come tra 1.500 e 3.000 Hz o tra 5.000 e 10.000 Hz.

Fig 4 - Curve teoriche di rispostaper crossovera due e tre vie

Alla frequenza di crossover la potenza si ripartisce esattamente a metà trai due altoparlanti interessati, se questi hanno la stessa impedenza.

Fig 5 - Curve di frequenza per reti ideali da 6 - 12 - 18 dB per ottava

La fig. 5 mostra alcune curve caratteristiche di diverse reti crossover, con pendenze d’attenuazione di 6 - 12 - 18 dB per ottava. Il punto dove le due curve di risposta si incontrano identifica la frequenza di crossover. Le curve rappresentate sono per un crossover ideale, cioè privo di perdite; ovviamente questo è un caso teorico: in realtà vi saranno sempre le perdite

dovute alla dissipazione propria dei vari componenti, soprattutto le bobine. Queste perdite provocano in pratica una variazione nella pendenza d’attenuazione rispetto al valore nominale, per esempio 11 dB ottava invece di 12. Durante l'impiego queste differenze non hanno alcuna influenza sul risultato finale.

È importante sottolineare piuttosto che la frequenza di crossover deve farsi sentire prima che la risposta de|l’altoparlante cada eccessivamente ed il movimento della membrana vibrante diventi non lineare, creando quindi distorsione.

Le reti crossover da 6 dB per ottava non garantiscono una rapidità d’attenuazione sufficiente, quindi richiedono che il woofer sia in grado di coprire almeno un’ottava sopra la propria frequenza di taglio e che il tweeter estenda la sua risposta un’ottava sotto la frequenza di crossover più alta, per evitare il pericolo di un loro danneggiamento.

Le reti da 12 dB per ottava eliminano questi inconvenienti e per questo trovano impiego più generale.

Il CIRCUITO

La scelta del circuito elettrico, per una rete crossover, non è critica, possono andare ugualmente bene reti di tipo «serie » e di tipo « parallelo », per quanto le prime trovino uso quasi esclusivamente nei sistemi a due vie. Tra le reti tipo serie e tipo parallelo si distinguono poi le reti tipo « k » e tipo « m » (fig. 6 e fìg. 7).

Le reti « k» hanno come limite massimo della pendenza d’attenuazione il valore di 12 dB per ottava, mentre le reti « m » non hanno tale limitazione e inoltre consentono un controllo più preciso della attenuazione e della impedenza. Il termine « m » è una costante numerica il cui valore è compreso tra zero ed uno. Generalmente, in applicazioni di alta fedeltà, gli si assegna il valore 0,6, che noi useremo per calcoli successivi.