Оптимальная многослойная катушка фильтра (кроссовера) акустической системы — катушка Брукса
Расчет многослойной катушки индуктивности в приложении Coil64 использует универсальный алгоритм, основанный на формуле Д. Максвелла для взаимоиндукции круговых витков. Этот алгоритм дает возможность довольно точно рассчитать многослойную катушку с любым отношением ширины, длины и диаметра намотки. Однако особый интерес для радиолюбителей имеют так называемые оптимальные многослойные катушки с минимальными потерями, которые, в частности, применяются в фильтрах акустических систем. В связи с этим возникает вопрос: «Какая геометрия обмотки имеет максимально возможную индуктивность при минимальной длине провода?» Как следствие — потери в этой катушке также минимальны. Да и стоимость провода тоже играет не последнюю роль. Представим себе, что мы имеем в наличии определенную фиксированную длину провода и нам необходимо намотать им катушку с максимальной индуктивностью. Что нужно сделать для этого?
- В первую очередь витки намотки должны быть расположены как можно ближе друг к другу. Тогда их взаимоиндукция, которая вносит весомый вклад в суммарную индуктивность катушки, тоже максимальна. Это условие соблюдается если сечение обмотки имеет круглую форму. На практике сделать такую намотку многослойной катушки с большим числом витков довольно проблематично, поэтому используют квадратное сечение. Оно всего лишь на 1.1% уступает круглому по эффективности.
- Во вторых, индуктивность каждого витка прямо пропорциональна его диаметру, поэтому нам нужен как можно больший диаметр намотки чтобы получить максимальную индуктивность.
На рисунке ниже изображен поперечный разрез четырех катушек. Для намотки каждой из них используется проволока одинаковой длины, но диаметр намотки разный. Крайняя катушка слева удовлетворяет всем требования, изложенным выше, но она не является оптимальной. Поскольку индуктивность обмотки в целом пропорциональна квадрату числа витков, левая катушка не будет иметь высокой индуктивности, потому что при увеличении диаметра у нас просто не хватит провода для большого числа витков. Крайняя катушка справа имеет большое количество витков, но она также не оптимальна по двум причинам. Диаметр каждого витка мал (особенно в первых рядах намотки), что приводит к низкой индуктивности на виток. Кроме того, расстояние между крайними витками по диагоналям поперечного сечения обмотки велико. Это приводит к слабой взаимоиндукции между ними. В итоге пропорциональность индуктивности квадрату числа витков нарушается и суммарная индуктивность этом случае тоже далека от максимально возможной. Обозначения на рисунке: D — внутренний диаметр намотки, R — средний радиус намотки, c — толщина намотки, l — ширина намотки. 
Очевидно, что оптимум лежит где то посередине. Впервые параметры такой оптимальной катушки вычислил Д. Максвелл еще в XIX веке. Он определил такую катушку при соотношении 2R/c = 3.7. В 1931 году H. Brooks написал статью, в которой уточнил выкладки Максвелла и рассчитал идеальные значения размеров для такой оптимальной катушки 2R/c = 2.967. Или проще: R = 3c/2. Или еще проще: l = c, D = 2c. Такая оптимальная многослойная катушка называется катушкой Брукса. Он вывел простую формулу расчета индуктивности такой оптимальной катушки:
Именно такая катушка Брукса рекомендуется как идеальный вариант многослойной катушки без сердечника для акустического фильтра.
Обратим ваше внимание, что наиболее известная формула расчета многослойных катушек рассчитывает так называемую катушку Вилера. Она похожа на катушку Брукса, но должна удовлетворять условию R ≈ c ≈ l и поэтому не является оптимальной.
Для определенной индуктивности и диаметра провода существует только один вариант размеров катушки Брукса. Модуль расчета оптимальных многослойных катушек Coil64 позволяет вычислить таблицу катушек Брукса с вариантами размеров под разные диаметры провода. В таблице, кликнув правой кнопкой мыши по заголовку, вы можете скрыть ненужные столбцы таблицы. Таким же способом можно удалить ненужные строки из расчета. 
Результаты можно сохранить в файл CSV для дальнейшей обработки.
Еще одним важным моментом при расчете индуктивности такой катушки является учет так называемой плотности намотки. В основном окне программы предполагается, что многослойная катушка имеет так называемую послойную намотку. Это когда виток следующего слоя расположен прямо над витком предыдущего. На практике чаще, особенно если намотка идет достаточно большим диаметром провода, витки следующего слоя попадают в канавки между витками предыдущего. Такая намотка называется ортоциклической.
В этом случае намотка получается более плотной, чем считает программа, и с тем же числом витков индуктивность выходит меньше расчетной. Учесть это позволяет введение коэффициентов относительного шага намотки по оси и по радиусу. Идея заимствована у автора программы CalcCoils Дмитрия Ветрова, за что ему особая благодарность. В случае ортоциклической намотки отношение pr/d ≈ 0.87. Кроме того, каждый намоточный станок имеет свои особенности, учесть которые позволяет экспериментальный подбор коэффициентов плотности намотки для конкретного станка. При массовом изготовлении катушек это позволяет сделать расчет более точным. Учитывать толщину изоляции в таком случае смысла не имеет. Общая длина провода цилиндрической спиральной намотки рассчитывается по известной формуле Пифагора. Зная общую длину провода несложно вычислить его сопротивление постоянному току.
Использование литцендрата для намотки катушки позволяет существенно снизить потери в ней на высокочастотном краю звукового диапазона. Это происходит из-за снижения тепловых потерь в катушке обусловленных скин-эффектом. Замена сплошного провода на литцендрат такого же диаметра крайне мало влияет на величину индуктивности, поэтому намотка литцендратом в программе не учитывается.
Использование катушек без сердечника в акустических фильтрах из-за их габаритов, веса и высокой стоимости имеет смысл только в Hi-End системах с малым уровнем искажений. В более дешевых системах допускается использование магнитных сердечников с разомкнутой магнитной цепью, желательно из материалов с высокой индукцией насыщения. Оптимальной намоткой для такой катушки уже не является катушка Брукса. Ее форма будет зависеть от параметров сердечника. Расчет таких катушек по простым формулам невозможен. Необходимо использовать электромагнитные симуляторы, такие как ANSYS MAXWELL 3D. С их помощью можно не только рассчитать такую катушку, но и вычислить оптимальный вариант намотки для конкретного сердечника.
Помогите, научите намотать катушку (пару) для фильтра АС!
Помогите, научите намотать катушку (пару) для фильтра АС!
автор vadimkanik63 Пт 4 Дек 2015 — 12:33
Re: Помогите, научите намотать катушку (пару) для фильтра АС!
автор Shemyakin Пт 4 Дек 2015 — 17:08
Какое сопротивление по постоянному току нужно?
Фильтр НЧ, я так понимаю?
Если есть измеритель индуктивности, проще поступить так:
Сделать сердечник из Вашего железа удобный для намотки, поверху соорудить каркас простенький, мотать до нужной индуктивности.
Или использовать ферритовые чашки, но не очень удобно тем что нужно очень точно устанавливать зазор между чашками.
Для рассчёта катушек без сердечника удобна программка cec, там же можно прикинуть диаметр провода и сопротивление катушки.
Для Вашей катушки нужен провод 1-1.5мм , это с сердечником. Без сердечника с разумными габаритами и сопротивлением скорее не получится.
Доп.: Измеритель индуктивности можно заменить компьютером с ЗК
Shemyakin опытный
Имя : Александр
Город : Киев
Сообщений : 603
Рейтинг : 652
Re: Помогите, научите намотать катушку (пару) для фильтра АС!
автор vadimkanik63 Чт 10 Дек 2015 — 21:03
Re: Помогите, научите намотать катушку (пару) для фильтра АС!
автор Shemyakin Пт 11 Дек 2015 — 10:09
1 — Программный измеритель LCR. Нужно "сваять" схемку, откалибровать и можно пользоваться. Схемка обычно в help-е есть.
2 — Если не охота ничего "городить".
Компьютер с прог. генератором, усилитель и вольтметр.
Ны выход усилителя включить последовательно Вашу индуктивность и нагрузку, например резистор 10..20 Ом 2..5 Вт (фильтр НЧ 1-го порядка получится).
Вольтметр параллельно резистору. Выставить на выходе напряжение 1 В для удобства, сигнал генератора синусоидальный.
Плавно повышая частоту генератора, см. на отклонение напряжения на вольтметре, и зафиксировать частоту, напряжение на которой снизится на 3 дБ (в 1,41 раза). Это частота среза фильтра НЧ.
Дальше подставляем это значение в формулу и вычисляем индуктивность. С измерением ёмкости точно так же.
L=R/(2*Пи*F), С=1/(2*Пи*F*R). F — частота которую зафиксировали, R — сопр. резистора, на котором замеряли.
Для Вашей индуктивности 6.3 мГн, F будет в районе 500 Гц для R 20 Ом, и 250 Гц для R 10 Ом соответственно.
3 -Так же как п.2 только "автоматизировано". Использовать программный спектроанализатор вместо вольтметра, напр. TrueRTA, REW. Сигнал — свип-тон. Сигнал с выхода подавать на лин. вход ЗК через делитель 1:10.
Преимущество такого способа — измеряем сразу АЧХ фильтра. Подключив динамик вместо резистора — увидите реальную АЧХ Вашего фильтра.
Shemyakin опытный
Имя : Александр
Город : Киев
Сообщений : 603
Рейтинг : 652
Размышлизмы о катушках индуктивности в фильтрах акустических систем
Размышлизмы о катушках индуктивности в фильтрах акустических систем
Все верно. Сказанное ниже относится не только к железу, но к любому ферромагнитному материалу. Слово «железо» употребляется для простоты. 1. Железо нелинейное. Причем на самом деле нелинейное и на малых амплитудах тока намотанной на нем катушки. Причем сами параметры нелинейности железа меняются с амплитудой тока катушки. Что вносит совершенно противоестественные гармонические и интермодуляционные составляющие. Хоть они и малы (при малых токах), но как раз забивают собой «воздух». 2. Магнитные свойства железа (и его нелинейность) зависят от частоты. То есть для разных составляющих спектра (например основного тона и его первого — самого сильного — обертона инструмента) свойства катушки будут разными и изменяться по-разному от уровня сигнала (например атака и затухание). 3. Нелинейность железа не только создает собственные нелинейные искажения. Изменение магнитной проницаемости, вызванное изменением тока катушки, изменяет (модулирует) ее индуктивность. В результате динамически изменяются параметры фильтра — не только частота среза, но и характеристическое сопротивление, ответственное за взаимодействие фильтра с нагрузкой (динамиком). И появляется параметрическая модуляция тока катушки самой катушкой — дополнительные искажения. 4. Железо имеет хоть и небольшой, но гистеререзис. Это вообще катастрофа — нелинейные искажения и модуляция индуктивности происходят «хаотично» (эффект «памяти» — начинает иметь значение в какую сторону изменяется ток: например, уменьшается после того, как увеличивался, или продолжает увеличиваться) и с некоторым переменным запаздыванием — величина тока должна измениться на определенную величину, а для этого требуется время, обратно пропорциональное скорости изменения тока. Есть мнение, что на «тонкие моменты» звука (вроде «воздуха»), гистерезис влияет даже сильнее, чем нелинейность магнитной проницаемости. 5. Феррит в этом плане хуже железа — у него все эти вещи выражены сильнее. Но у железа есть еще беда — вихревые токи в пластинах. С точки зрения сетевых трансформаторов ими можно пренебречь (железо и делают ради сетевых трансформаторов). А для гораздо более высокочастотного звука, тем более в котором изменения сигнала на «жалкие» 0,1% на самом деле хорошо слышны, влияние вихревых токов тоже сказывается неприятно (хоть и малозаметно). 6. А еще бывает, что пластины сердечника сложены недостаточно аккуратно, некоторые пластины «выпирают» из общей стопки. Таким пластинам достается больше всего, и они могут даже сильно насыщаться при работе. 7. Если катушка не пропускает через себя ток сигнала, а «уводит его в землю», как в ФВЧ через которые работают ВЧ динамики, эти негативные эффекты снижены (ток катушки не проходит через динамик), но все равно есть. В этом случае есть шанс, что искажения, вызванные влиянием железа, будут незаметны. Но это выясняется только экспериментально. Жаль, что катушки с сердечником используются даже в дорогих Hi-End колонках (видел такие на MHES-2017).
5+
Расчет многослойной катушки индуктивности в приложении Coil64 использует универсальный алгоритм, основанный на формуле Д. Максвелла для взаимоиндукции круговых витков. Этот алгоритм дает возможность довольно точно рассчитать многослойную катушку с любым отношением ширины, длины и диаметра намотки. Однако особый интерес для радиолюбителей имеют так называемые оптимальные многослойные катушки с минимальными потерями, которые, в частности, применяются в фильтрах акустических систем. В связи с этим возникает вопрос: «Какая геометрия обмотки имеет максимально возможную индуктивность для заданной длины провода?» Как следствие — потери в этой катушке также минимальны. Да и стоимость провода тоже играет не последнюю роль. Представим себе, что мы имеем в наличии определенную фиксированную длину провода и нам необходимо намотать им катушку с максимальной индуктивностью. Что нужно сделать для этого?
- В первую очередь витки намотки должны быть расположены как можно ближе друг к другу. Тогда их взаимоиндукция, которая вносит весомый вклад в суммарную индуктивность катушки, тоже максимальна. Это условие соблюдается если сечение обмотки имеет круглую форму. На практике сделать такую намотку многослойной катушки с большим числом витков довольно проблематично, поэтому используют квадратное сечение. Оно всего лишь на 1.1% уступает круглому по эффективности.
- Во вторых, индуктивность каждого витка прямо пропорциональна его диаметру, поэтому нам нужен как можно больший диаметр намотки чтобы получить максимальную индуктивность.
На рисунке ниже изображен поперечный разрез четырех катушек. Для намотки каждой из них используется проволока одинаковой длины, но диаметр намотки разный. Крайняя катушка слева удовлетворяет всем требования, изложенным выше, но она не является оптимальной. Поскольку индуктивность обмотки в целом пропорциональна квадрату числа витков, левая катушка не будет иметь высокой индуктивности, потому что при увеличении диаметра у нас просто не хватит провода для большого числа витков. Крайняя катушка справа имеет большое количество витков, но она также не оптимальна по двум причинам. Диаметр каждого витка мал (особенно в первых рядах намотки), что приводит к низкой индуктивности на виток. Кроме того, расстояние между крайними витками по диагоналям поперечного сечения обмотки велико. Это приводит к слабой взаимоиндукции между ними. В итоге пропорциональность индуктивности квадрату числа витков нарушается и суммарная индуктивность этом случае тоже далека от максимально возможной.
Очевидно, что оптимум лежит где то посередине. Впервые параметры такой оптимальной катушки вычислил Д. Максвелл еще в XIX веке. Он определил такую катушку при соотношении 2R/c = 3.7. В 1931 году H. Brooks написал статью, в которой уточнил выкладки Максвелла и рассчитал идеальные значения размеров для такой оптимальной катушки 2R/c = 2.967. Или проще: R = 3c/2. Или еще проще: l = c, D = 2c. Такая оптимальная многослойная катушка называется катушкой Брукса. Он вывел простую формулу расчета индуктивности такой оптимальной катушки:
Именно такая катушка Брукса рекомендуется как идеальный вариант многослойной катушки без сердечника для акустического фильтра.
Обратим ваше внимание, что наиболее известная формула расчета многослойных катушек рассчитывает так называемую катушку Вилера. Она похожа на катушку Брукса, но должна удовлетворять условию R ≈ c ≈ l и поэтому не является оптимальной.
Для определенной индуктивности и диаметра провода существует только один вариант размеров катушки Брукса. Модуль расчета оптимальных многослойных катушек Coil64 позволяет вычислить таблицу катушек Брукса с вариантами размеров под разные диаметры провода. В таблице, кликнув правой кнопкой мыши по заголовку, вы можете скрыть ненужные столбцы таблицы. Таким же способом можно удалить ненужные строки из расчета.
Результаты можно сохранить в файл CSV для дальнейшей обработки.
Еще одним важным моментом при расчете индуктивности такой катушки является учет так называемой плотности намотки. В основном окне программы предполагается, что многослойная катушка имеет так называемую послойную намотку. Это когда виток следующего слоя расположен прямо над витком предыдущего. На практике чаще, особенно если намотка идет достаточно большим диаметром провода, витки следующего слоя попадают в канавки между витками предыдущего. Такая намотка называется ортоциклической.
В этом случае намотка получается более плотной, чем считает программа, и с тем же числом витков индуктивность выходит меньше расчетной. Учесть это позволяет введение коэффициентов относительного шага намотки по оси и по радиусу. Идея заимствована у автора программы , за что ему особая благодарность. В случае ортоциклической намотки отношение pr/d ≈ 0.87. Кроме того, каждый намоточный станок имеет свои особенности, учесть которые позволяет экспериментальный подбор коэффициентов плотности намотки для конкретного станка. При массовом изготовлении катушек это позволяет сделать расчет более точным. Учитывать толщину изоляции в таком случае смысла не имеет. Общая длина провода цилиндрической спиральной намотки рассчитывается по известной формуле Пифагора. Зная общую длину провода несложно вычислить его сопротивление постоянному току.
Использование литцендрата для намотки катушки позволяет существенно снизить потери в ней на высокочастотном краю звукового диапазона. Это происходит из-за снижения тепловых потерь в катушке обусловленных скин-эффектом. Замена сплошного провода на литцендрат такого же диаметра крайне мало влияет на величину индуктивности, поэтому намотка литцендратом в программе не учитывается.
Использование катушек без сердечника в акустических фильтрах из-за их габаритов, веса и высокой стоимости имеет смысл только в Hi-End системах с малым уровнем искажений. В более дешевых системах допускается использование магнитных сердечников с разомкнутой магнитной цепью, желательно из материалов с высокой индукцией насыщения. Оптимальной намоткой для такой катушки уже не является катушка Брукса. Ее форма будет зависеть от параметров сердечника. Расчет таких катушек по простым формулам невозможен. Необходимо использовать электромагнитные симуляторы, такие как ANSYS MAXWELL 3D. С их помощью можно не только рассчитать такую катушку, но и вычислить оптимальный вариант намотки для конкретного сердечника.
- — By H.B. Brooks 1931
- — NESS Engineering Inc.
Микро-ликбез по электронике. Часть 2.
Дроссели, катушки индуктивности.
Дроссель (катушка индуктивности), как и конденсатор, способен накапливать энергию, правда в отличие от конденсатора, который может её хранить почти не ограничено долго, катушка индуктивности на это не способна, она отдаёт энергию срезу же после снятия питающего напряжения. Только ведут себя они с точностью до наоборот. Основная характеристика дросселя – индуктивность, измеряется в Генри (Гн). Если на дроссель подать какое-то напряжение (замкнули KL1 на рис 6 a) ), то в точке Т1 появится ток, он будет быстро нарастать (скорость возрастания тока обратно пропорциональна индуктивности дросселя). См. рис. 6. b)
Рис . 6. Таким образом, если через конденсатор течёт ток только при изменяющемся напряжении, то через дроссель потечёт ток только при постоянном (или медленно меняющемся) напряжении. При быстром изменении напряжения – ток не течёт. У дросселя есть ещё одно интересное свойство – дроссель умеет практически мгновенно отдавать энергию (как и конденсатор), но в отличие от конденсатора, если с дросселя убрать питающее напряжение (разомкнуть KL1, дроссель сразу попытается отдать всю накопленную энергию (в точке Т2 будет большой кратковременный, отрицательный импульс напряжения (рис 6 с) ). В идеале, это будет бесконечно большой импульс. Рассмотрим схему (Рис 7 b)).
Рис 7. На входе (Vin) форма напряжения представлена на рис7 а) чёрным графиком. Vout — красный. Видно, что дроссель почти не пропускает переменную составляющую, но пропускает постоянную. Для ещё лучшей фильтрации (удаления переменной составляющей) обычно после дросселя ставят дополнительно между Vout и 0 конденсатор, который дополнительно фильтрует переменную составляющую. Если подключить параллельно конденсатор и дроссель, получим колебательный контур. Например, если соединить параллельно катушку и конденсатор и между ними поставить ключ (размкнут), потом зарядить конденсатор, затем замкнуть ключ — энергия запасённая в конденсаторе будет передаваться катушке (ток через катушку будет расти, напряжение на конденсаторе будет падать (за счёт уменьшения в нем энергии), потом катушка начнёт отдавать конденсатору накопленную ей энергию, при этом конденсатор начнёт заряжаться отрицательным (обратным) напряжением (уже за счёт энергии катушки) и т.д.) При отсутствии потерь энергии, в контуре будут наблюдатся незатухающие колебания с собственной частотой w0= 1 / кв. корень( L * C). В реальности, всегда существуют потери энергии, в следствие чего будут существовать только затухающие периодические колебания с несколько меньшей частотой частотой w=кв. корень(w0^2-b^2), где b(бетта) — коэффициент затухания, т.е. всегда w0>w. Затухать они будут из-за потерь энергии в самом контуре.
Трансформатор.
Если на одном сердечнике намотать несколько независимых обмоток, то получится трансформатор. Каждая по отдельности обмотка будет вести себя как дроссель (катушка индуктивности), но между обмотками будет существовать связь. Если к выводам одной (первой) обмотки приложить напряжение, то и на всех остальных обмотках тоже появится разность напряжений, причём величина этой разности будет во столько раз больше чем на первой обмотке, во сколько раз в это обмотке больше витков, чем в первой. Иногда играет роль направление обмотки. От него зависит полярность выходного напряжения (точнее фаза). На схемах, начало обмотки обозначается точкой. Иногда обмотки трансформатора включают последовательно, при этом, в зависимости от направления обмоток, общее напряжение складывается (если обмотки в одну сторону) и вычитается (если намотаны в противоположные). Трансформатор можно применять как для изменения величины напряжения (изменяя соотношение количества витков), так и для гальванической развязки (обмотки электрически не связаны между собой, между ними существует только магнитная связь, т.е. только разность напряжений на одной обмотке зависит от разности напряжений на другой.) Важным свойством трансформатора является то, что мощность прилагаемая к одной обмотке, будет равна мощности на другой обмотке. Т.е. P1=P2 = U1 * I1=U2 * I2. Таким образом, если на второй обмотке напряжение меньше, то ток будет больше. На трансформатор можно подавать только переменное напряжение, т.к. на его его обмотках, как и любой катушке индуктивности, не может быть постоянного напряжения (иначе ток бы неприлично вырос). Трансформатор в каком-то приближении можно представить в виде рычага, где одно плечо, это одна обмотка, второе плечо – вторая обмотка. Нередко встречаются трансформаторы с более чем двумя обмотками.
Диоды, диоды Шоттки, стабилитроны.
Диод, это прибор, ток через который не линейно зависит от приложенного напряжения. Рассмотрим вольтамперную характеристику (ВАХ) диода (зависимость тока от напряжения), включенного в прямом направлении (рис 8 a)).
Рис. 8. При увеличении напряжения от 0 до u1, ток совсем небольшой, но при увеличении напряжения до u2 и u3 ток значительно возрастает (пропорционально квадрату напряжения). При достаточно больших токах, диод можно рассматривать как проводник, т.к. падение напряжения на диоде, даже при большом токе будет небольшим. В диодах Шоттки ток ещё быстрее растёт, следовательно падение напряжение на диодах Шоттки ещё меньше, это позволяет использовать их в устройствах с большими токами. Затем подадим на диод отрицательное напряжение (Рис8 b)). Вплоть до напряжения u1 ток через диод будет практически отсутствовать. Но при отрицательном напряжении ниже u1, наступает пробой диода, при этом ток быстро увеличивается. Этот эффект используют диоды Зенера (в простонародье – стабилитроны (рис8 с)). Т.е. если в обратно включённом диоде Зенера увеличить напряжение >u2, то ток будет быстро расти. Таким образом, даже при небольшом изменении напряжения (u1 – u2) ток будет меняться значительно. Если последовательно включить резистор и стабилитрон (рис 8 с)), и на Vin подать напряжение (больше u4), через стабилитрон потечёт ток, что вызовет падение напряжения на резисторе, и чем больше напряжение на Vin, тем больший будет ток и большее падение. В итоге, независимо от напряжения на резисторе, напряжение на диоде почти не изменится (на Vout будет меняться в диапазоне u2 – u4). Таким образом, диод – это устройство, через которое ток в прямом направлении значительно больше тока в обратном направлении.
Биполярный транзистор.
Биполярный транзистор – это прибор, способный усиливать ток. В каком-то приближении транзистор можно рассматривать как 2 последовательно включённых диода (база-эмиттер и база-коллектор) и возможностью включения связи (канала) эмиттер-коллектор (нарисован красным цветом). Рассмотрим работу биполярного n-p-n транзистора (рис 9). Рис 9. Подключим эмиттер на землю (0В), коллектор — к источнику положительно питания +12В. В таком подключении условный диод d2 получается включён в обратном направлении, ток через него не течёт, следовательно через d1 ток тоже не течёт. При этом транзистор закрыт (закрыт канал эмиттер-коллектор) и через него не течёт ток. Для того чтобы открыть канал эмиттер-коллектор, нужно чтобы через d1 потёк ток. При этом, ток через канал будет прямо пропорционален току базы (току через d1), но в k раз больше. k – это коэффициент усиления транзистора (обычно от 50 до 300), т.е. даже небольшой ток в базе может вызвать большой ток (более чем в сто раз больший) в канале эмиттер-коллектор, главное чтобы источник энергии этот ток вы держал (ну и транзистор мог). Ток через d1 (он же ток базы) подчиняется тем же законам, что и обычный диод (см. рис. 8a). Если на базе линейно изменять напряжение, то ток будет изменяться нелинейно (рис. 8a), следовательно ток через канал эмиттер-база тоже будет нелинейно меняться. Т.е. транзистор усиливает не напряжение, а ток. Отличие p-n-p транзистора от рассматриваемого – это обратное включение d1 и d2, как следствие – нужно подавать отрицательное напряжение питания на коллектор. На схеме стрелочка в эмиттере направлена в обратную сторону.
Полевые транзисторы, MOSFETы.
Отличие полевых транзисторов от биполярных – канал управляется не током, а напряжением. Его можно представить как резистор переменного сопротивления, сопротивление которого зависит от напряжения на затворе. Существует огромное множество разновидностей полевых транзисторов. Рис 10.
Рассмотрим работу полевого транзистора (рис 10 а)). Сопротивление канала сток – исток (нарисован красным, он же R1) задаётся напряжением между затвором и истоком. Причём, ток через затвор практически равен нулю. Таким образом, можно даже при помощи очень малых токов, менять сопротивление, что может вызвать управление очень большими токами. Там где требуются большие токи, применяют мощные полевые транзисторы (MOSFETы). На рис 10 b) изображён N-канальный MOSFET. В нём так же, сопротивление сток-исток зависит от напряжения между затвором и истоком. Если это напряжение мало, то сопротивление канала (R1) очень велико, ток через него не течёт. Но стоит увеличить управляющее напряжение (напряжение затвор- исток), как сопротивление R1 значительно падает, при этом может течь значительный ток. Конструктивно эти транзисторы выполнены со встроенным диодом (d1), включённом в обратном направлении. Отличие P-канального от рассмотренного выше – диод d1 включён в противоположном направлении, схематически рисуют стрелку в обратную сторону.
Фильтр для низкочастотного динамика
Фильтр нижних частот из дросселя и конденсатора большой ёмкости называется схемой Баттерворта второго порядка. Он обеспечивает спад частот выше частоты среза до 12 dBна октаву. Схема работает следующим образом. Индуктивность в LC контуре выполняет функцию переменного резистора. Его сопротивление прямо пропорционально частоте ивозрастает с увеличением диапазона. Поэтому высокие частоты практически не попадают на НЧ динамик. Такую же функцию выполняет и конденсатор. Его сопротивление обратно пропорционально частоте и он включается параллельно громкоговорителю.
Поскольку схема устройства должна хорошо пропускать низкие частоты и обрезать высокие, то конденсаторы такого устройства имеют большую ёмкость.Пассивный фильтр для динамика может быть выполнен по более сложной схеме. Если соединить две схемы Баттерворта последовательно, то получится устройство четвёртого порядка из двух индуктивностей и двух конденсаторов. Оно обеспечивает спад частотной характеристики низкочастотного громкоговорителя в 24 децибела на октаву.
Для того чтобы выровнять частотную характеристику и более точно согласовать схему Баттерворта и динамик, между катушкой индуктивности и конденсатором, включается резистор с небольшим сопротивлением. Для этой цели лучше использовать проволочные резисторы.
Как сделать катушку для фильтра акустики
Нет, нет, не пугайтесь! Если вы доучились до 9-ого класса, это для вас будет семечки.
В этой главе мы узнаем (а точнее вспомним) много нового об электричестве, а потом в двух словах я вам расскажу, как делать фильтры. Так что можете сразу перейти к самому интересному и не париться.
Для тех, кто все же не боится париться я, для начала расскажу для чего же нужны эти самые пресловутые фильтры. Как вы уже поняли, эти фильтры фильтруют. На самом деле все эти фильтры являются фильтрами низких частот (электрический сигнал с частотой звука – это сигнал низкой частоты, а высокой – это уже радиочастоты), но для упрощения разделим их на низкочастотные фильтры (ФНЧ) и высокочастотные фильтры (ФВЧ). ФВЧ отсекают (как серпом), т.е. просто не пропускают низкочастотную составляющую сигнала, а ФНЧ – высокочастотную.
Электрический сигнал с частотой звука представляет из себя приблизительно вот что:
Рисунок 0 Что мы здесь видим? Мы видим диаграмму. Эта фиолетовая (или лиловая, или сиреневая, а для дальтоников — серенькая) линия показывает, как в течение времени изменяется напряжение в проводах, подключенных к колонке. Состоит эта диаграммка из вытянутых (низкочастотных) и сжатых (высокочастотных) гармошечек. Если к этому участку фонограммы применить ФНЧ, то выйдет такая фигня:
Рисунок 1 Т.е. в фонограмме пропадут сжатые гармошки.
А если применить ФВЧ, то выйдет вот что:
Рисунок 2 Теперь пропали вытянутые гармошки. Вам понятно? Мне нет.… Ну да, ладно. Проблемы шерифа, как говорится, индейцев не касаются.
Что ж такое эти пресловутые фильтры?
ФНЧ представляет собой просто катушку, намотанную толстым проводом (диаметром порядка 0,6-1,2 мм) на пластиковый, деревянный, картонный или другой немагнитный каркас. Чем больше витков в катушке и чем больше диаметр провода, тем больше индуктивность, а, следовательно, тем ниже частота среза (тем уже пропускаемая полоса частот) фильтра. Принцип действия заключается в свойстве катушки с увеличением частоты увеличивать свое сопротивление.
Вот так динамик будет играть одни басы:
Рисунок 3
ФВЧ представляет собой кондер (конденсатор, емкость и т.п.) Кондер представля… вообщем они разные бывают. В основном в качестве ФВЧ применяются бумажные кондеры, такие параллелограммчики с двумя выводами. Для ФВЧ рекомендую применять высоковольтные (не ниже 160 В) конденсаторы, у них и ток утечки поменьше и «звучат они ярче». Главное, внимательно поищите обозначение на кондере «+», или «-», или толстой цветной точки (полосы), или отличия в толщине выводов. Если их нет, значит кондер подойдет. Поляризованные (у которых есть + и -) конденсаторы применять можно, но не нужно. Конденсатор работает как катушка, тока наоборот. Т.е. с уменьшением частоты сопротивление конденсатора возрастает (постоянный ток кондер не пропускает вообще). Чем меньше емкость (количество микрофарад), тем выше частота среза (или уже пропускаемая полоса частот) фильтра.
Вот так динамик будет играть одни тарелочки:
Рисунок 4
А как же быть со средними частотами? – спросите вы меня. А я вам отвечу так. Нормальные люди применяют два фильтра (ФНЧ и ФВЧ) таким образом, что остается только средние частоты, а остальное отрезается. Но я к нормальным людям конечно не отношусь (мне влудень мотать катушку для СЧ), поэтому я оставляю среднечку высокие частоты и подключаю только кондер (микрофарад так на 25-40).
Постойте, а зачем же нужны эти фильтра, может ну их… Можно, конечно, и ну их…, только не советую. Попробуйте на минимальной громкости подключить пищалку без кондера. Пищалка будет хрипеть, кряхтеть, но не как не пищать. Мощные ударные, которые поступают на нее, забивают нежные верха, и вообще без кондера пищалка быстренько перегорит.
Попробуйте подключить лопух без фильтра. Да ничо, нормально играет. Странно… Играет он конечно нормально, но вот КПД его упал довольно значительно. Это происходит из-за того, что «нежные» верха жестко «держат» динамик, заставляя колебаться с малой амплитудой, гася тем самым большие по амплитуде басы. Другими словами: ему бы болтаться туда-сюда, а его держат.
Среднечок сочетает в себе оба недостатка. Поэтому ему желательно два фильтра. Однако, если вы делаете студийного качества колонки (здесь подойдет закрытый ящик и один хороший широкополосник), фильтра вам даже противопоказаны (чем больше электрических элементов, тем больше искажений). Но тут другой случай, тут в ущерб КПД мы добиваемся высокого качества.
Итак, ФНЧ представляет собой катушку. Я рекомендую намотать 240 витков провода диаметром 1 мм (ПЭВ-2, покрытый лаком) на каркасе высотой 24 мм и диаметром 25 мм. Частота среза в этом случае будет порядка 350 Гц. От каждых 60 витков советую сделать отводы в виде петелек для дальнейшего настраивания на свой вкус звука колонки, а также для взятия СЧ (одна катушка для лопуха и среденечка). Наматывать можно вразвалку, как получится, только витки нужно делать как можно туже.
ФВЧ представляет собой кондер. Я рекомендую для ВЧ конденсатор емкостью в 1 мкФ и на 400 В. Для СЧ – 40 мкФ и 160 В.
Подведем итог. Мы с вами, не зная, что такое АЧХ, крутизна характеристики, скорость нарастания сигнала, звуковая атака, мили Генри, искажение типа «ступенька», децибелы, звуковое давление и прочая умная хрень сумели построить колонки. Я думаю, цель достигнута.