Dit artikel zoomt in op LCR-componenten die gebruikt worden in een passief crossover. In een passief speaker crossover maak je gebruik van drie passieve componenten, een spoel, condensator en een weerstand, ook wel LCR-componenten genoemd. Ze worden passieve componenten genoemd omdat ze geen voeding vereisen om te werken, in tegen stelling tot actieve crossovers. LCR-componenten zijn de drie belangrijkste passieve componenten. Zij vormen binnen een AC circuit de basis voor bijna elke schakelingen die je kan bedenken. In audioschakelingen voornamelijk voor het filteren, koppelen en ontkoppelen van signalen. Een elektrisch signaal is een wisselspanning (AC) en kan gefilterd worden op basis van de desgewenste crossoverfrequentie om hoge en lage tonen te scheiden. Afgezien van een erg goed full range driver aanbod is er bijna geen driver te vinden die het hele audiospectrum van 20 Hz – 20 kHz goed weer kan geven zonder vervorming op eenzelfde geluidsniveau. Daarom ontkom je in de meeste speakerontwerpen niet aan een crossover. We noemen ze dus passieve componenten. Maar zijn ze wel zo passief als we de componenten gebruiken in audioschakelingen? Welke componenten moet je kiezen? En wat maakt het dat je deze 3 componenten kan gebruiken voor je crossoverfilter? De volgende alinea’s leggen de basis uit van elk component en proberen we antwoord te geven op bovenstaande vragen. Het artikel laat je niet zien wat het beste merk of component is. Dit verschilt in elk ontwerp, echter kom je met deze basisinformatie dichter bij een goede componentkeuze voor in crossover gebruik.

Condensator 

Een eenvoudige eerste benadering zijn condensatoren componenten die als frequentieafhankelijke weerstanden kunnen worden beschouwd. Dit component bestaat uit twee geïsoleerde geleiders (platen/elektroden) die naast of tegenover elkaar gescheiden zijn door een isolatiecomponent die bekend staat als een diëlektricum. Diëlektricum is een materiaal dat geen elektriciteit geleidt. Condensatoren worden genoemd naar hun diëlektricum zoals keramische condensatoren en elektrolytische of Polypropyleen condensatoren.

De capaciteit van een condensator noemen wij farad (afgekort F) en heeft het ‘vermogen’ om elektrische lading op te slaan. Net zoals bij een spoel is de eenheid farad in audio toepassingen erg hoog en gebruiken we kleinere eenheden.

In tegenstelling tot een weerstand zet een condensator het vermogen dat met de capacitieve stroom is geassocieerd niet om in warmte, maar wordt het in de vorm van energie opgeslagen in het interne elektrische veld van de condensator. Je krijgt al die energie weer terug op het moment dat de condensator ontlaadt in het geval van gelijkspanning (DC). Een condensator laat gelijkstroom niet door. Echter, bij een wisselstroom (AC) juist wel. Bij wisselstroom varieert de spanning waarop de condensator is aangesloten voortdurend. In de praktijk loopt er voortdurend een laadstroom of een ontlaadstroom (lees wisselstroom). De grootte van deze laad- en ontlaadstromen hangt af van twee factoren; 

• de capaciteit van de condensator F;
• de frequentie f

Omdat de wisselstroom bij toename van capaciteit en/of frequentie toeneemt, kunnen we zeggen dat de weestand dan kleiner wordt. Deze weerstand bij een condensator noemen we de capacitieve weerstand (Xc), ook wel capacitieve reactantie.

Conclusie; door zijn frequentie afhankelijke weerstand als eigenschap biedt de condensator meer weerstand bij lage frequenties dan bij hoge frequenties. Hierdoor wordt hij ingezet in een crossover om lage frequenties weg te filteren. De formule die je uiteindelijk kan gebruiken om tot de juiste capaciteit te komen is als volgt:

C = 1 / (2 π  f Xc)

Type condensator, Voltage klasse, diëlektricum en materialen

Er zijn grofweg 3 type condensatoren op basis van hun opbouw; filmcondensatoren, keramische condensatoren en elektrolytische condensatoren. In crossovers gebruiken we voornamelijk film/foil- en elektrolytische condensatoren, want niet elk type is geschikt voor audio toepassingen. Het diëlektricum, spanningswaarden (voltage rating) en de capaciteit zijn de meest belangrijke aspecten. De capaciteit van een condensator is afhankelijk van drie factoren; het oppervlakte van de elektroden, de afstanden tussen de elektroden en de waarde van het gebruikte diëlektricum. Voor een grotere capaciteit moet het oppervlak van de geleiders worden vergroot en de onderlinge afstand verkleind. Dit wordt veelal bereikt door het geleidend materiaal op een dunne isolator (het diëlektricum) aan te brengen en dit op te rollen. Voorbeelden zijn de cilindervormige condensatoren waar de film/folie geleiders zijn opgerold zoals Polypropylene, Metalized Polypropylene en Non-Polarized/bipolaire elektrolytische condensatoren. Per type condensator zijn er reeksen in verschillende spanningswaarden zoals 63V, 100V, 250V, 400V, 630V etc. Dit is een belangrijke factor want bij een te hoge spanning kan het diëlektricum doorslag geven. Verder geldt dat de capaciteit van een condensator niet stabiel is bij wisselende temperaturen. Per type kan dit verschillen en is een factor om rekening mee te houden. Bij condensatoren geniet 1% tolerantie de voorkeur echter, doet 5% tolerantie niets af aan de condensator kwaliteit.

Spoel

Door zijn frequentie afhankelijke weerstand als eigenschap biedt een spoel meer weerstand bij hoge frequenties dan bij lage frequenties. Een spoel bestaat uit niets anders dan gewikkeld geëmailleerd koperdraad (lakdraad) dat in een spiraal rondom een kern is gewikkeld. De kern kan een ferrietkern, ijzerkern of een luchtkern zijn, wat gewoon een leeg gat is. Een spoel kan hoge frequenties weg filteren en werkt in feite het tegenovergestelde van een condensator. De eigenschap van een spoel is de spoelconstante oftewel de coëfficiënt van zelfinductie aangegeven in de letter L, gemeten in de eenheid henry (H). Het geeft aan in welke mate er in de spoel een zelfinductiespanning wordt opgewerkt. Veelal gebruikt in kleinere eenheden.

Een spoel werkt in principe het tegenovergestelde als een condensator. Een spoel slaat energie op in het magnetisch veld. Deze energie komt weer vrij wanneer de stroom door de spoel onderbroken wordt. De snelheid waarmee de stroom door een spoel verandert hangt af van de spanning over de spoel. Wanneer de frequentie groter wordt zal het magnetisch veld in de spoel vaker per seconde van noord- en zuidpool wisselen. De stroom (oftewel magnetisch veld) neemt sneller toe en af. De zelfinductiespanning die de stroom tegenwerkt neemt toe en daardoor wordt de inductieve weerstand groter. Inductieve weerstand is dus afhankelijk van:

• de zelfinductie coëfficiënt in L;
• de frequentie f.

Toename van de zelfinductiespanning heeft hetzelfde effect op de stroom als een toename van de draadweerstand, namelijk een afname van de stroom. Deze weerstand ten gevolge van inductie is inductieve weerstand (X­­l) ook wel inductieve reactantie genoemd.

Conclusie: door zijn frequentie afhankelijke weerstand als eigenschap biedt de spoel meer weerstand bij hoge frequenties dan bij lage frequenties. Hierdoor wordt hij ook ingezet in een cross over om hoge frequenties weg te filteren. De formule die je uiteindelijk kan gebruiken om tot de juiste inductie te komen is als volgt;

L = Xl / (2 π f)

Type spoel, tolerantie en materialen

Een spoel met ferriet of ijzerkern verhoogt het inductievermogen, bevat minder koperdraad dan luchtkernen van eenzelfde waarde en produceren minder gelijkstroomweerstand. Minder koperdraad resulteert vaak in een lagere prijs. Verder zijn er nog “luxere” spoelen zoals foliespoelen, gewaxte litzedraadspoelen en ringkernspoelen. Ieder met zijn eigen specifieke eigenschappen. Ook bij spoelen zijn verschillende gradaties in materiaalgebruik en type ervoor bedoelt om de stabiliteit en waarde te definiëren. Temperatuurverwerking en power handling spelen hier een belangrijke rol in. Uiteindelijke bepaalt het tolerantiepercentage hoe dicht de gemeten waarde uiteindelijk bij de vermelde waarde ligt en hoe precies je uiteindelijke schakeling wordt. Wil je dicht bij je berekende waarde komen, kies dan voor 1% tolerantie. Een spoel met 5% tolerantie doet niets af aan de kwaliteit alleen wijken de uiteindelijke waardes meer af. Zowel een condensator als een spoel zijn de belangrijkste componenten van een scheidingsfilter, maar beide op een andere manier. Spoelen veranderen het klankkarakter niet het signaal. Condensatoren zijn hier gevoeliger voor en daarbij speelt dit meer een rol. De belangrijke aspecten bij het kiezen van een goede spoel liggen meer op power handling en het type spoel. Wanneer de kwaliteit van materiaal en de plaatsing van de spoel goed zijn zal een spoel t.o.v. een condensator geen invloed uitoefen op het signaal. Het juist plaatsen van een spoel (in de juiste hoek haaks op elkaar) zal crosstalk en ruis voorkomen. Tot dusver de basisprincipes van een condensator en een spoel. Een condensator en een spoel in een crossoverfilter laten een faseverschil zien tussen spanning en stroom, ze zijn zogenoemd reactief. Het gedrag van een spoel in combinatie met een condensator variëren in tijd en is een hoofdstuk apart. Dit wordt niet verder toegelicht.

Weerstand

Letterlijk staat ‘weerstand’ in technische termen voor de mate van tegenwerking die elektronen ondervinden bij hun verplaatsing door een materiaal, de weerstand dus. Weerstanden gebruikt in crossovers, Zobel netwerk of L-Pad circuit noemen we ohmse weerstanden. Ideale weerstanden hebben geen ‘last’ van zelfinductie en hebben geen capacitieve werking. Er is geen verschil in eigenschap bij het aansluiten van een ohmse weerstand op wisselspanning of gelijkspanning. Bij het aansluiten van een ohmse weerstand op wisselspanning noemen we de ondervonden weerstand wisselstroomweerstand, schijnbare weerstand of impedantie. De term impedantie is de voor de hand liggende term echter is de impedantie gelijk aan de gelijkstroomweerstand in ohms (Ω).

• Als de spanning over een ohmse weerstand groter wordt, wordt de stroom volgens de wet van Ohm evenredig groter. V = I R.

In crossover toepassingen gebruikt men weerstanden die nauwelijks ruis veroorzaken. We gebruiken koolweerstanden, metaalfilmweerstanden en (bifilair (twee draden)) gewikkeldedraadweerstanden. Koolweerstanden kunnen geen hoge vermogens kunnen verwerken en wordt veelal metaalfilmweerstanden (paar watts) of draadgewonden weerstanden (tientallen watts) gebruikt. Verschillende gradaties in materiaalgebruik en type zijn er voor de stabiliteit en weerstandswaarde. Temperatuurverwerking speelt hier een belangrijke rol in. Gangbare type weerstanden in crossover zijn metaalfilmweerstanden en gewikkelde draadweerstanden met de materialen zoals nikkel-chroom (Cr + Ni), koper-nikkel (Cu + Ni) en metaaloxide.

Ohm Ω, vermogens klasse, tolerantie en bifilair.

Over het algemeen is de weerstand het eenvoudigste component en zijn de ohmse weerstandswaarde en power rating de belangrijkste specificaties. Ook bij een weerstand bepaalt het tolerantie percentage hoe dicht de gemeten waarde uiteindelijk bij de vermelde waarde ligt. Kies voor 1% tolerantie als je precies goed wil zitten. Kies 5% als de waarde er minder om doet. Terugkomend op inductie bij een weerstand. In de praktijk zijn ideale componenten niet ideaal en treedt er ook bij weerstanden een kleine inductie op. Inductie beïnvloedt het signaal en om dit te voorkomen zijn er bifilair gewikkelde weerstanden. Voorbeeld zijn de Mundorf MRES serie en Dayton Audio Precision Series. Vaak hebben deze weerstanden zeer lage temperatuur coëfficiënt en een zeer lage inductie.

It even appears that the choice of passive component may have as much effect on the overall sound quality as the circuit design itself.

Maakt het uit welk merk en welke type je kiest? Ja en hier zijn genoeg artikelen over te vinden die met uitgebreide testen laten zien wat hoorbaar en op papier de verschillen zijn. Dan nog is het subjectief. ‘Overall’ gezien is er voor iemand die net begint al winst te behalen wanneer veel aandacht wordt geschonken aan het type crossover en type componenten.

Bibliografie

Alden, R. (2004). Speaker Building 201 (First ed.). Segment LLC. Retrieved 2020

Colella, T. (2020, October 8). Capacitors in Audio Crossover Networks. Retrieved October 8, 2020, from electrocube: https://www.electrocube.com/pages/capacitors-in-audio-crossover-networks-data-sheet

Colloms, M. (1985, October). A Passive Role? Hi-Fi News & Record Review, 4. Retrieved September 2020

Colloms, M. (1985, December). Capacity To Change. Hi-Fi News & Record Review, 3. Retrieved September 2020

Fredricks, H. (n.d.). Elektrotechniek 2 MK. Nijgh Versluys.

Hill, P. H. (2010). Elektronica Kunst & Kunde. (E. Bogers, L. van Loock, D. van Spronsen, & T. Vandenborn, Trans.) Susteren, Nederland: Elektor International Media B.V. Retrieved 2020

Lawrence, M. (2020, October). How components work. Retrieved from calsci: https://www.calsci.com/audio/X-Overs2a.html

Ricardo, & Fields, E. (2020, October). questions. Retrieved from Electrical Engineering: https://electronics.stackexchange.com/questions/264896/how-do-i-find-c-l-from-xc-and-xl

Thiele, N. (2002). An Inexpensive Precise Passive. Audio Engineering Society Conference Paper (p. 11). St. Petersburg, Russia: AES. Retrieved September 2020, from https://www.aes.org/tmpFiles/elib/20201001/11219.pdf

L. Mero Paolini, Photos of the “final” crossover of Lana 2.2, http://loudspeakers.merlo.hu/

• Wim Pop

  Geplaatst op maandag 18 december 2023 16:12

  Ik zoek een goede passive crossover voor een mini pa set van 3, dus een Hoorn voor hoog, een midrange en een voor laag. Ik heb een paar mooie gezien met 3 weg filter maar mooist voor mij zou zijn stevig filteren rond de 3 KHz en wat minder stijl filteren rond de 1 kHz of wellicht 0,8 kHz en moet zeker wel ongeveer 250 watt kunnen hebben. Welke zouden er aan te raden zijn? Dank u wel

• Jan

  Geplaatst op vrijdag 24 november 2023 11:13

  Beste Mark Heymans,
  
  Bedankt voor uw bericht.
  
  Dat is een goede vraag! Voor technische ondersteuning kunt u contact opnemen met onze technische supportafdeling ([email protected]). Wij helpen u hier graag verder!
  
  Vriendelijke groet,
  Jan | Tech support | SoundImports

• mark heymans

  Geplaatst op vrijdag 24 november 2023 10:14

  dag beste
  hier Mark vanuit Kortenberg Belgie
  een vraagje
  ik zelf ben niet echt een elektronicus dus ik hoop dat ik het allemaal en beetje zal begrijpen
  ik ben een woofer aan het bouwen met een speaker van 18 " 600 watt
  ik denk dat buiten de speaker en de speakonaansluitingen die naar de versterker gaan
  er nog een filter met geplaatst worden tussen de verbinding van mijn speaker en de speakons
  ik heb al zoveel gelezen over al deze filters en weet nog steeds niet echt wat er moet geplaatst worden
  en of er iets moet geplaatst worden .
  bedankt voor het lezen van mijn vragen
  
  groeten mark heymans

• Kees36

  Geplaatst op zondag 15 oktober 2023 17:31

  Is er een meetmethode voor amateurs om tgdelta van een condensatorte bepalen.?

• Wiebe

  Geplaatst op zondag 15 mei 2022 18:24

  Allereerst dank voor de zeer heldere en goed geschreven uitleg, heel blij mee. Ik kan dan ook meteen antwoord geven op de vraag van de heer/mevrouw Hatta Konings hierboven. Ik ben een complete leek op electronica gebied maar heb wel een groeiende interesse in audio. Ik vind het dus leuk om meer te weten en leren over o.a. de passieve crossfilters in een speaker. Mijn ervaring is dat veel zogeheten experts vooral blijk willen geven van hun kennis door je er op te wijzen dat jij er niks van begrijpt. Oftewel; wat doe je hier eigenlijk als je er niks van begrijpt. Helaas volgt er dan zelde een uitleg van hoe iets danwel moet of werkt, of het gebeurt op een manier die volstrekt niet helder is. Kortom, ik ben als beginneling in de electronica ontzettend dankbaar voor dit artikel. Het legt de basisprincipes van de 2 type filters op een hele heldere en fijne manier uit.
  
  Groetjes Wiebe

• Tech support

  Geplaatst op woensdag 12 mei 2021 12:54

  Hoi David,
  
  Wij kunnen u zeker verder helpen met het vinden van de juiste condensatoren!
  
  Kunt u onze technische specialisten een email sturen met uw specifieke vragen? Dit kan naar [email protected]
  
  Zij zullen u zo snel mogelijk verder helpen met vinden van de juiste condensatoren voor uw Celestion cross-over.
  
  Rick - SoundImports

• David

  Geplaatst op dinsdag 11 mei 2021 16:39

  Hallo,
  
  Kan ik geholpen worden met een upgrade van een filter van de speaker, gaat om oud set Celestion speakers die ik heb heb zelf geen schema van maar de waardes staan op de caps.
  
  Hoor het graag,

• Rik Gielen

  Geplaatst op vrijdag 27 november 2020 22:08

  Door deze titelkeuze verwachtte ik welke invloed(en) een passief component heeft indien dit geschakeld is met een luidspreker.
  En dan beland je snel in een volledige cursus over filterhellingen, over impedantie, frequentie, octaaf enz en dat is niet samen te vatten op enkele pagina's.

• Hatta Konings

  Geplaatst op donderdag 26 november 2020 12:32

  En wat is nu eigenlijk het doel van dit verhaal?
  Voor beginnende mensen is deze lap tekst veel te lang en voor gevorderden zitten er te veel versimpelingen en onvolkomenheden in.
  
  Deze materie is niet triviaal en het is overduidelijk dat de schrijver moeite heeft gedaan alles in een stuk te vatten. Dat is niet bevordelijk voor de begrijpbaarheid, leesbaarheid of juistheid.

Toon meer

Toon minder