Hay diferentes tipos de altavoces, como tweeters, altavoces de rango medio, subwoofers y woofers, que pueden reproducir voz sólo en sus propias bandas de frecuencia específicas. En un dispositivo de reproducción de audio, todas las señales de audio se separan en diferentes bandas y se aplican al tipo de altavoz correspondiente. Los tweeters normalmente funcionan con frecuencias superiores a 5 kHz, los altavoces de rango medio funcionan con frecuencias en el rango de 300 Hz a 5 kHz, los subwoofers funcionan con frecuencias de 300 Hz a 40 Hz y los woofers funcionan con frecuencias inferiores a 40 Hz.
Todo el espectro audible del habla se extiende desde aproximadamente 20 Hz a 20 KHz y no existe ningún diseño de altavoz que pueda reproducir todas estas frecuencias con el mismo efecto. Los woofers están hechos para producir sonidos subsónicos (por debajo de 20 Hz) y existen instrumentos musicales que pueden producir frecuencias superiores a 18 KHz. Para reproducir todos estos sonidos, distintos tipos de altavoces se alimentan con su propia banda de frecuencias extraídas de la música.
Los circuitos de filtro utilizados en el lado de salida del dispositivo de audio que filtran diferentes bandas de frecuencias y las utilizan para controlar diferentes tipos de altavoces se denominan circuitos de cruce de audio . Los circuitos cruzados de tres vías son muy comunes en el lado de salida de los dispositivos de audio que filtran bandas de frecuencia para tweeters, parlantes de rango medio y subwoofers. Este tutorial analiza el diseño y la implementación de un circuito cruzado de audio bidireccional utilizando filtros activos para un filtrado de calidad.
Fig. 1: Circuito de filtro cruzado de audio activo bidireccional en placa
Los circuitos cruzados de audio bidireccionales se utilizan para controlar los altavoces de rango medio y los subwoofers por separado. Los altavoces de medios se alimentan con frecuencias en el rango de 300 Hz a 5 kHz y los subwoofers con frecuencias de 300 Hz a 40 Hz. Como sonido musical, normalmente se encuentra en la frecuencia máxima de 5 a 8 KHz. para los altavoces de medios es suficiente un filtro de paso alto con una frecuencia de corte de unos 300 Hz. Los ritmos graves de la música aparecen en el rango del Sub-Woofer y se puede utilizar un filtro de paso de banda para separar estas frecuencias de todas las señales de audio. El circuito cruzado bidireccional se puede considerar como una combinación de HPF (filtro de paso alto) y BPF (filtro de paso de banda) como se muestra en el siguiente diagrama de bloques;
Fig. 2: Diagrama de bloques del circuito del filtro de cruce de audio activo bidireccional
HPF y BPF se pueden realizar utilizando únicamente componentes pasivos como inductores y condensadores, pero aquí se utilizan circuitos de filtro activo para mejorar la calidad de los filtros. Nuevamente para HPF, se utiliza un filtro basado en un inductor sintético activo para evitar un inductor voluminoso del circuito. El BPF está diseñado en base a un filtro MFB para un circuito simple y de buena calidad.
Circuito inductor sintético
El concepto básico del circuito inductor sintético es utilizar un condensador e invertir sus propiedades para que se comporte como un inductor. Las ventajas de este circuito sobre los inductores reales son una resistencia interna muy baja, la posibilidad de variar fácilmente el valor de la inductancia en amplios rangos, la posibilidad de diseñar circuitos de filtrado de alta calidad, etc. A continuación se muestra el diagrama de circuito de un circuito inductor sintético ;
Fig. 3: Diagrama de circuito y circuito equivalente del inductor sintético
Aquí, la propiedad del condensador 'C' en el circuito anterior se ha invertido con la ayuda del circuito amplificador operacional de ganancia unitaria. El valor de la inductancia depende de los valores de las resistencias R1, R2 y también del condensador C. La inductancia del circuito inductor sintético viene dada por la siguiente ecuación;
L = R1 * R2 * C
El filtrado de alta frecuencia se puede lograr usando un solo capacitor y un inductor sintético conectados en serie en el cual un extremo del inductor está conectado a tierra, la entrada es alimentada por el extremo libre del capacitor y la salida filtrada se toma del punto donde El capacitor y el inductor están conectados en serie. El diagrama de circuito y el circuito equivalente del filtro de paso alto basado en inductor sintético se muestran en el siguiente diagrama;
Fig. 4: Diagrama de circuito y circuito equivalente de filtro de paso alto basado en inductor sintético
El circuito contiene un condensador en serie 'Cf' que forma un filtro de paso alto con el circuito del inductor sintético. Si la inductancia del inductor sintético es 'L', entonces la banda de paso del filtro de paso alto comienza en la frecuencia dada por la siguiente ecuación;
La mayoría de las frecuencias de audio, excepto las frecuencias graves, aparecen por encima de una frecuencia media de 700 Hz y, por lo tanto, el filtro de paso alto está diseñado para una frecuencia de corte de 700 Hz.
Fig. 5: Diagrama de circuito del filtro de paso alto diseñado para recorte de frecuencia
Los filtros MFB se utilizan con mucha frecuencia en circuitos debido a que proporcionan un rendimiento razonable con el circuito más simple. Se pueden diseñar para lograr un ancho de banda estrecho y una alta ganancia. Son adecuados para diseñar filtros de paso de banda ya que el ancho de banda y la frecuencia de banda media se pueden ajustar o variar fácilmente. Estos circuitos cuentan con un amplificador con más de una retroalimentación y de ahí el nombre. A continuación se muestra el diagrama de circuito de un circuito de paso de banda MFB que utiliza una sola resistencia y retroalimentación de capacitor ;
Fig. 6: Diagrama de circuito de paso de banda MFB con retroalimentación de resistencia única y capacitor
A continuación se proporcionan las ecuaciones que relacionan el valor del componente con la ganancia, el factor Q, el ancho de banda y la frecuencia de banda media;
Dado que este filtro se utilizará para controlar un altavoz, es necesario agregar un circuito amortiguador en la salida del filtro de paso de banda MBF que controlará el altavoz sin afectar las características del filtro. El búfer también se puede crear fácilmente con otro amplificador operacional. Se ha diseñado un filtro de paso de banda MFB con Fm = 70, Q = 15, Am = 100 y a continuación se muestra el circuito completo;
Fig. 7: Diagrama de circuito del filtro de paso de banda MBF con circuito buffer
Se diseñaron por separado un HPF basado en un inductor sintético y un BPF basado en MFB y para hacer un circuito cruzado de audio es necesario conectar la entrada de ambos circuitos y alimentar el audio a ese punto de entrada común de ambos circuitos. El diagrama de circuito completo del circuito de cruce de audio se proporciona a continuación;
Figura 8: Diagrama de circuito del filtro de cruce de audio activo bidireccional
La entrada de audio es alimentada por una PC y el audio filtrado en este experimento se demuestra en el video usando un auricular normal, ya que los parlantes de los auriculares están diseñados para una reproducción de buena calidad tanto de frecuencias altas como de graves.
Video:
