Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- 2 Weg Weiche mit integrierten Operationsverstärkern
- Gehäuseeinbau der OP-Weiche
- Nachbauten der AFW1
Einleitung
24. November 2009
Im Frühjahr 2006 habe ich damit begonnen, mich mit der Entwicklung einer aktiven Frequenzweiche (parallel zur Entwicklung eines Subwoofers) zu beschäftigen. Zunächst besorgte ich mir die verfügbaren Unterlagen zur Pass Labs XVR1 und versuchte, die Technik hinter diesem Design zu ergründen. Allerdings war ich mit den Ergebnissen diverser Simulationen bezüglich der Übertragungsfunktionen der vermutlich in dieser Frequenzweiche verwendeten Filter nicht zufrieden. Für mich waren ein glatter Frequenzgang bei der Summation aller Teilfrequenzgänge und der gleiche Phasengang zweier benachbarter Filter im Übergangsbereich Grundvoraussetzungen für mein Design. Sehr gut gefallen hat mir hingegen der Einsatz diskreter Operationsverstärker im XVR1.
Für das Filterdesign kamen letztendlich nur State-Variable- oder Sallen-Key-Filter in Frage. Ich habe mich aufgrund der geringeren Anzahl benötigter Operationsverstärker pro Signalweg für die Verwendung von Sallen-Key-Filtern entschieden. Eine sehr gute Abhandlung über eine solche Frequenzweiche ist auf der Website Elliott Sound Products zu finden.
2 Weg Weiche mit integrierten Operationsverstärkern
24. November 2009
Bevor ich eine Weiche mit diskreten Operationsverstärkern aufbaue, wollte ich Erfahrung mit einer einfacher zu handhabenden Weiche sammeln. Aus diesem Grund entwarf ich eine aktive 2-Wege-Weiche mit integrierten Operationsverstärkern, die als Zwischenschritt und Versuchsanordnung in meiner Audioanlage genutzt werden soll.
Ich übernahm die einstellbaren Frequenzen per Jumper aus dem Design der XVR1. Zusätzlich baute ich eine Stufe zur Addition der beiden Low-Frequenz-Signale – das Mono-Signal für den Bass – mit anschließender Möglichkeit zur Anpassung von Phase und Frequenzgang ein. Beide Kanäle inklusive der benötigten Netzteile, die wieder in bewährter Doppel-Mono-Bauweise ausgeführt sind, sind auf einem Board untergebracht.
Die Filter bestehen aus einer normalen Sallen-Key-Filterstruktur, die in jedem Lehrbuch über aktive Filter zu finden ist. Im Tiefpassfilter sind mit Butterworth-Koeffizienten 2. Ordnung beide Widerstände gleich groß und die Kapazität in der Rückkopplung ist doppelt so groß wie die am positiven Eingang des Operationsverstärkers (siehe oben links). Im Hochpassfilter vertauschen sich die Lage der Widerstände und Kondensatoren. Die beiden Kapazitäten haben den gleichen Wert und der Widerstand am positiven Eingang des Operationsverstärkers ist doppelt so groß wie der Rückkopplungswiderstand (siehe oben rechts). Bei der Bestimmung der Bauteilwerte ist es sinnvoll, die Kondensatoren (E12) vorzugeben und die Widerstände (E96) zu berechnen. Der Widerstand ergibt sich bei Vorgabe der Kapazität und Frequenz aus folgender Formel:
Die doppelt so großen Bauteilwerte erhält man beim Widerstand durch Reihenschaltung zweier gleicher Widerstände und bei der Kapazität durch Parallelschaltung zweier gleicher Kondensatoren.
Zwei hintereinander geschaltete, gleiche Butterworth-Filter der Ordnung 2 führen zu dem von mir favorisierten Linkwitz-Riley-Filter der Ordnung 4 mit einer Filtersteilheit von 24dB.
Die ganzen Überlegungen führten zu den folgenden Anforderungen :
- aktive Linkwitz-Riley 2 Weg Weiche
- 6/12/18 und 24dB Filtersteilheit wählbar (Linkwitz-Riley Filter nur bei 24dB)
- 3 Dekaden und 10 Übergangsfrequenzen pro Dekade wählbar
- Symmetrische Ein- und Ausgänge
- Mono Summensignal mit Phasenschieberstufe für den Bass
- Schaltung zur Bassanhebung/-absenkung im Mono Summensignal
- beide Kanäle inkl. Netzteile auf einem Board
Aus den obigen Anforderungen ist der folgende Schaltplan entstanden :
- Übersichtsschaltplan des kompletten Filters
- Schaltplan der symmetrischen Eingänge
- Schaltplan des Hochpaßfilters
- Schaltplan des Tiefpaßfilters
- Schaltplan der symmetrischen Ausgänge
- Schaltplan der Summierung und Phasenschiebung
- Schaltplan der Betriebsspannungsversorgung
- Schaltplan des 230V/AC DC-Filters
Unter Berücksichtigung der gewählten Widerstands- und Kapazitätswerte ergeben sich die folgenden Übergangsfrequenzen der Filter:
| R [kΩ] | ||||||||||
| C [nF] | 5,62 | 7,15 | 8,87 | 11,0 | 14,0 | 18,0 | 22,1 | 28,0 | 35,7 | 45,3 |
| 1 | 20025 | 15740 | 12688 | 10231 | 8039 | 6252 | 5092 | 4019 | 3152 | 2484 |
| 10 | 2002 | 1574 | 1269 | 1023 | 804 | 625 | 509 | 402 | 315 | 248 |
| 100 | 200 | 157 | 127 | 102 | 80 | 63 | 51 | 40 | 32 | 25 |
| Freq. [Hz] |
Gehäuseeinbau der OP-Weiche
28. November 2009
Ich baute die Frequenzweiche in ein Slim-Line-Gehäuse mit einer 10 mm dicken Frontplatte von HiFi 2000 ein. Auch die Drehknöpfe stammen von diesem Hersteller. Die Montageplatte, auf der die Elektronik befestigt ist, fertigte ich selbst an. Die gesamte mechanische Bearbeitung des Gehäuses führte ich auf einer Datron M35 durch.
Zu sehen sind die Bedienelemente der Frequenzweiche. Rechts davon befindet sich die Pegelregelung für den Hoch- und Tiefpasskanal. Auf der linken Seite sind die Einstellungen für den Mono-Subwoofer-Kanal zu finden: die Pegelregel, der Regler für die Bassanhebung/-absenkung, der Schalter für die 180°-Phasendrehung und der Regler für die kontinuierliche Phasenschieberstufe.
Auf dem Bild oben ist der Einbau der Elektronik zu sehen. Gut zu erkennen ist das große Audio-Board mit den Filtern und dem Netzteil. Rechts davon befindet sich eine kleine Leiterplatte mit der Remote-Einschaltung.
Auf der Rückseite der Frequenzweiche befinden sich die Anschlüsse. Links sind die beiden symmetrischen Eingänge, rechts davon die Ausgänge für die High- und Low-Pass-Kanäle sowie das Mono-Signal für den Subwoofer. Über „Remote” werden die Signale zur Einschaltung der Anlage über eine Steuerspannung zu- und weitergeführt. Auf der rechten Seite erkennt man die Netzbuchse, den Netzschalter und die Sicherung. Über die Erdungsbuchse wird die Masse der Audioschaltung mit einer Erdschiene verbunden.
Nachbauten der AFW1
14. September 2021
AFW1 von Volker W.
Ich habe diese Frequenzweiche in ein Gehäuse mit Boden- und Deckplatten aus Aluminium gesetzt, weshalb die Montageplatte entfallen konnte. Zudem ist das Gehäuse kürzer. Auf Wunsch fehlt die Elektronik zur Ferneinschaltung. Für die Ein- und Ausgangsbuchsen setze ich andere Steckverbinder auf die Leiterplatte. Zudem sind andere Drehknöpfe auf die Frontplatte gekommen.
AFW1 von Guido F.
Das Besondere an dieser AFW1 ist ihre Frontplatte. Wie bei der XOno 2019 für Guido wurde sie vom Hauptlieferanten von clearaudio gefräst. Auch die Drehknöpfe sind individuell gefertigt. Auf Wunsch von Guido wurden zudem die Schriften nicht geschwärzt.
Rechts neben der Filterplatine befindet sich die Remote-On/Off-Steuerung. Über diese wird das Gerät per DC-Steuersignal vom Vorverstärker ein- und ausgeschaltet.