Existem diferentes tipos de alto-falantes, como Tweeters, Alto-falantes de médio alcance, Sub-Woofers e Woofers, que podem reproduzir a voz apenas em suas próprias bandas de frequência específicas. Num dispositivo de reprodução de áudio, todos os sinais de áudio são separados em diferentes bandas e aplicados ao tipo correspondente de alto-falante. Os Tweeters normalmente são alimentados com frequências acima de 5 kHz, os alto-falantes Médios são alimentados com frequências na faixa de 300 Hz a 5 kHz, e os Sub-Woofers com frequências de 300 Hz a 40 Hz e os Woofers são alimentados com frequências abaixo de 40 Hz.
Todo o espectro de voz audível se estende de cerca de 20 Hz a 20 KHz e não existe um design de alto-falante que possa reproduzir todas essas frequências com o mesmo efeito. Os Woofers são feitos para produzir sons subsônicos (abaixo de 20 Hz) e existem instrumentos musicais que podem produzir frequências acima de 18 KHz. Para reproduzir todos esses sons diferentes tipos de alto-falantes são alimentados com banda própria de frequências extraídas da música.
Os circuitos de filtro usados no lado de saída do dispositivo de áudio que filtra diferentes bandas de frequências e usá-los para acionar diferentes tipos de alto-falantes são chamados Circuitos Crossover de Áudio. Circuitos cruzados de três vias são muito comuns no lado de saída dos dispositivos de áudio que filtram bandas de frequência para Tweeters, Alto-falantes de médio alcance e Sub-Woofers. Este tutorial discute o projeto e implementação de circuito cruzado de áudio bidirecional usando filtros ativos para filtragem de qualidade.
Fig. 1: Circuito de filtro crossover de áudio ativo bidirecional na placa de ensaio
O Circuitos cruzados de áudio bidirecional são usados para acionar os alto-falantes médios e os subwoofers separadamente. Os alto-falantes intermediários são alimentados com frequências na faixa de 300 Hz a 5 kHz, e os Sub-Woofers com frequências de 300 Hz a 40 Hz. Como o som musical normalmente fica em torno da frequência máxima de 5 a 8 KHz, para acionar os alto-falantes médios um filtro passa-alto com frequência de corte em torno de 300 Hz é suficiente. As batidas graves das músicas aparecem na faixa do Sub-Woofer e um filtro passa-banda pode ser usado para separar essas frequências de todos os sinais de áudio. O circuito cruzado bidirecional pode ser considerado como uma combinação de HPF (filtro passa-alto) e BPF (filtro passa-banda), conforme mostrado no diagrama de blocos a seguir;
Fig. 2: Diagrama de blocos do circuito de filtro cruzado de áudio ativo bidirecional
O HPF e o BPF podem ser realizados usando apenas componentes passivos como indutores e capacitores, mas aqui circuitos de filtro ativo são usados para melhorar a qualidade dos filtros. Novamente para HPF, um filtro baseado em indutor sintético ativo é usado para evitar um indutor volumoso do circuito. O BPF é projetado com base em um filtro MFB para um circuito simples e de boa qualidade.
Circuito Indutor Sintético
O conceito básico do Circuito indutor sintético é usar um capacitor e inverter suas propriedades para que ele se comporte como um indutor. As vantagens deste circuito sobre os indutores reais são a resistência interna muito baixa, variando facilmente o valor da indutância em amplas faixas, possível projetar circuitos de filtros de alta qualidade etc. diagrama de circuito de um circuito indutor sintético é fornecido abaixo;
Fig. 3: Diagrama de Circuito e Circuito Equivalente de Indutor Sintético
Aqui, a propriedade do capacitor 'C' no circuito acima foi invertida com a ajuda do circuito amplificador operacional de ganho unitário. O valor da indutância depende dos valores dos resistores R1, R2 e também do capacitor C. A indutância do circuito indutor sintético é dada pela seguinte equação;
eu = R1 * R2 * C
O filtro de alta frequência pode ser realizado usando um único capacitor e um indutor sintético conectado em série no qual uma extremidade do indutor é aterrada, a entrada é alimentada pela extremidade livre do capacitor e a saída filtrada é retirada do ponto onde o o capacitor e o indutor estão conectados em série. O diagrama de circuito e o circuito equivalente do filtro passa-alta baseado em indutor sintético é fornecido no diagrama a seguir;
Fig. 4: Diagrama de circuito e circuito equivalente de filtro passa-alta baseado em indutor sintético
O circuito contém um capacitor em série 'Cf' que forma um filtro passa-alto com o circuito indutor sintético. Se a indutância do indutor sintético for 'L', então a banda passante do filtro passa-alto começa na frequência dada pela seguinte equação;
A maioria das frequências de áudio, exceto as frequências graves, aparecem acima de uma frequência média de 700 Hz e, portanto, o filtro passa-altas é projetado para uma frequência de corte de 700 Hz.
Fig. 5: Diagrama de circuito do filtro passa-altas projetado para corte de frequência
Os filtros MFB são muito comumente usados em circuitos devido ao fato de fornecerem desempenho razoável com o circuito mais simples. Eles podem ser projetados para obter largura de banda estreita e alto ganho. Eles são adequados para o projeto de filtros passa-banda, pois a largura de banda e a frequência de banda média podem ser facilmente ajustadas ou variadas. Esses circuitos possuem um amplificador com mais de uma realimentação e daí o nome. O diagrama de circuito de um circuito passa-banda MFB usando um único resistor e feedback de capacitor é fornecido abaixo;
Fig. 6: Diagrama de circuito de passagem de banda MFB com feedback de resistor único e capacitor
As equações que relacionam o valor dos componentes ao ganho, fator Q, largura de banda e frequência de banda média são fornecidas abaixo;
Uma vez que este filtro será usado para acionar um alto-falante, um circuito buffer precisa ser adicionado na saída do filtro passa-banda MBF que acionará o alto-falante sem afetar as características do filtro. O buffer também pode ser criado facilmente com outro amplificador operacional. Um filtro passa-banda MFB com Fm = 70, Q = 15, Am = 100 foi projetado e o circuito completo é fornecido abaixo;
Fig. 7: Diagrama de circuito do filtro passa-banda MBF com circuito buffer
Um HPF baseado em indutor sintético e um MFB O BPF baseado foi projetado separadamente e para fazer um circuito crossover de áudio é necessário conectar a entrada de ambos os circuitos e alimentar o áudio para aquele ponto de entrada comum de ambos os circuitos. O completo diagrama de circuito do circuito Cross-over de áudio é fornecido abaixo;
Figura 8: Diagrama de circuito do filtro cruzado de áudio ativo bidirecional
A entrada de áudio é alimentada por um PC e o áudio filtrado neste experimento é demonstrado no vídeo usando um fone de ouvido normal, uma vez que os alto-falantes do fone de ouvido são projetados para a reprodução de boa qualidade tanto do som de alta frequência quanto dos graves de baixa frequência.
Vídeo:
