Construya un Divisor de Frecuencias (Crossover)

Como elaborar de manera sencilla un divisor de frecuencias pasivo de tres vías.

Conceptos básicos de un Crossover pasivo

Un solo parlante no puede emitir todas las frecuencias comprendidas entre 20 hertz y 20.000 hertz. Entonces, para poder reproducir todo el ancho de banda audible por el oído humano, se deben utilizar tres parlantes que completen el espectro. Por esta razón la banda audible se divide en tres altavoces, así:

Woofer – Reproduce a las frecuencias bajas.
Medio (MidRange) – Reproduce a las frecuencias medias.
Tweeter – Reproduce las frecuencias altas.
Para que cada uno de estos parlantes reproduzca; sólo las frecuencias respectivas, debe construirse un circuito, que se coloca entre el terminal de salida del amplificador y cada parlante. Éste circuito está formado por bobinas y condensadores, que restringen y separan las frecuencias. A este circuito se le da el nombre de Divisor de Frecuencias o Crossover.
Estos divisores de frecuencias se dividen en varias categorías según el número de salidas (2, 3 o 4 vías). El crossover puede tener un valor de atenuación de la pendiente de 6, 12, 18 o 24 desibeles (dB) por octava.

Los divisores de frecuencias pueden ser de dos tipos:

– Tradicionales Butterworth o Filtro Pasivo utilizado en sonido Hi-fi.
– Linkwitz-Riley, Filtro Activo con características superiores en comparación con el filtro de Butterworth, utilizado preferiblemente en los crossover de 4 vías de 24 dB / octava.

Los Divisores de Frecuencia están conformados básicamente de condensadores y bobinas (rollos de alambre), que atenúan las frecuencias. El uso de un sólo condensador o de un sólo carrete da una atenuación de 6 dB por octava.
La forma de conectar el componente, determina que tipo de frecuencias afecta.
Por ejemplo: Un Condensador en Serie conectado en el positivo que va al parlante, se encarga de atenuar las frecuencias bajas y dejar pasar las frecuencias altas. De esta manera se forma un Filtro Pasa Altos. Mientras que si se coloca el condensador en paralelo con el parlante, se consigue una atenuación de frecuencias altas, dejando pasar únicamente las frecuencias bajas. Esto sería un Filtro Pasa Bajos.
El funcionamiento de la bobina es de manera inversa a la del condensador. Si colocamos una bobina en serie con el positivo, se atenúan las frecuencias altas y sólo pasan las frecuencias bajas. Y si la colocamos en paralelo, se consigue una atenuación de las frecuencias bajas.
Un detalle a tener en cuenta es que en algunos casos al usar crossover, se introduce una señal de fase, que puede ser compensada invirtiendo la polaridad de la conexión del altavoz de agudos (Tweeter). Esto para el caso de un sistema de 2 vías. Y el medio (Midrange), en el caso de un sistema de 3 vías.

Para alimentar un altavoz o Woofer, se utiliza un Filtro Pasa Bajos. (Una sola bobina en serie o una bobina en serie y un condensador en paralelo).
Para alimentar un parlante Medio, se utiliza un Filtro Compuesto de pasa altos y pasa bajos. (Una bobina y un condensador, ambos en serie).
Para alimentar un Tweeter, se utilizará un Filtro Pasa Altos. (Un solo condensador en serie o un condensador en serie y una bobina en paralelo).
Diseñar un divisor de frecuencias no es complejo, pues con sólo aplicar las fórmulas adecuadamente, se pueden calcular los valores de las Bobinas y los Condensadores. También se puede conseguir un buen resultado si se tiene buen oído.

Aquí dejamos el enlace de una página donde se puede calcular fácilmente los valores de bobinas y condensadores para nuestro divisor de frecuencias. erseaudio.com

Un crossover o divisor de frecuencias no es para usar en cualquier bafle o altavoz. El diseño de la caja, el tipo de parlantes y su impedancia, son factores a tener en cuenta, al momento de hacer el crossover.
Recomendamos usar materiales de buena calidad. Por ejemplo el alambre magneto de las bobinas. Debe estar en buen estado, con su barniz intacto. El calibre es muy importante, cuanto mayor es el diámetro del alambre de cobre, menor será su resistencia interna. Por consiguiente habrá menos disipación o emisión de calor. Esto permite usar nuestro crossover con amplificadores de más potencia. Claro está que si usa un alambre más grueso del recomendado, la bobina perderá inductancia y tendrá que dar más vueltas de alambre, para lograr los milihenrios necesarios.
En algunos casos las bobinas para las frecuencias medias y/o altas, pueden ser de núcleo de aire o tipo Hueco con o sin formaleta de plástico o cartón. La calidad de la señal está directamente relacionada con la calidad y el tamaño de la bobina.
Las bobinas con núcleo Toroidal de Ferrita son más pequeñas, pero su desventaja es que tienen una corriente de saturación. El valor de ésta corriente de saturación debe ser de al menos el doble del valor nominal, para evitar el deterioro de la señal en los picos de corriente. También hay bobinas construidas con chapas o láminas de un transformador. Estas bobinas son por lo general de valores altos y su uso está reservado para cortes de frecuencias muy bajas entre 50 y 250 Hz. Las bobinas más comunes se construyen con láminas de hierro-silicio de transformador, especialmente las que tienen forma de (I).
Los condensadores recomendados para este uso son de poliéster o metálicos. Los condensadores más apropiados son los de película de polipropileno metalizado, con una tolerancia del 5%. La tensión recomendada es de 250 voltios.

Cómo calcular el crossover?

Cuando vamos a calcular un filtro pasa banda, es necesario tener en cuenta la impedancia del altavoz o parlante común. Por lo general se establece la impedancia normal de entre 4 y 8 ohmios. En teoría la impedancia debería ser constante, aunque ésta puede variar de acuerdo a la frecuencia. Cada altavoz tiene su propia curva de impedancia, con sus fondos, sus golpes y sus picos. (Lea nuestro artículo de parlantes)
Es preferible que durante el cálculo del filtro usemos la frecuencia de la impedancia de la curva, proporcionada por el fabricante. Por lo tanto, un altavoz con una impedancia de 8 ohmios estándar, puede tener una impedancia de 6,8 ohmios a una frecuencia dada, o incluso de 10 ohmios.
En ocasiones el resultado del cálculo da valores de los componentes, no corresponden a los valores estándar que se consiguen en el comercio. Así que debemos elegir el valor más cercano, ya que una pequeña tolerancia está permitida. Tenga en cuenta que el componente esté dentro del mismo rango.

Para las Bobinas, los valores comerciales son:
0,15 – 0,18 – 0,22 – 0,27 – 0,33 – 0,39 – 0,47 – 0,56 – 0,68 – 0,82 – 1,0 – 1,2 – 1, 5 – 1,8 – 2,2 – 2,7 – 3,3 – 3,6 – 3,9 – 4,7 – 5,6 – 6,8 – 8,2 – 10,0 – 12,0 – 15,0 Mili henrios (mH).
También es posible tomar una bobina de un valor superior al calculado y eliminar algunas vueltas de alambre para obtener el valor requerido. Si usted cuenta con un medidor de inductancia, úselo para obtener un buen resultado.

Para los condensadores, los valores comerciales son:
1 – 1,5 – 2,2 – 2,7 – 3,3 – 3,9 – 4,7 – 6,8 – 8,2 – 10 – 12 – 15 – 22 – 33 – 47 – 68 -100 y 220 Microfaradios (uF).
Es posible colocar diferentes valores de condensadores en serie o en paralelo para obtener el valor exacto.

Ejemplo

En este diagrama se muestra un típico circuito Divisor de Frecuencias pasivo. En el punto (A), se conecta el parlante o altavoz bajo (Woofer). En el punto (B), se conecta el parlante medio (Midrange) y en el punto (C), se conecta el parlante de agudos (Tweeter).
Observe que al colocar una bobina de 1 mH conectada en serie con el Woofer, punto (A), veremos como la tensión suministrada por el amplificador ha bajado al 70,7% en los 500 Hz, que es la frecuencia de corte inferior o de cruce mínima y que en electrónica corresponde a una atenuación de 3 decibelios (dB).
A partir de los 500 Hz, el woofer no debe responder, pues comienza a funcionar el parlante medio (Mid range) que está en serie con una bobina de 0.6 mH y un condensador de 10 uF, conectado en el punto (B). La respuesta del parlante medio asciende hasta los 5.000 Hz, que es la frecuencia de corte o de cruce superior, pues su tensión se ha caído al 70,7% en relación con la suministrada por el amplificador. Nuevamente vemos como la señal ha sido atenuada en 3 decibelios.
Si la frecuencia suministrada por el amplificador supera el valor de los 5.000 Hz hasta los 16.000 Hz, el Tweeter; con un condensador en serie de 0.47 uF, punto (C), comienza a reproducir las frecuencias altas. Es normal que estas frecuencias no las reproduzcan el Woofer, ni el parlante Medio.

El ancho de banda que reproducen los parlantes, es el resultado de la resta 500 Hz del Woofer (bajo), a los 5.000 Hz del parlante Medio (Midrange), obteniendo 4500 Hz del ancho de banda del circuito Crossover. Es necesario aclarar que el ancho de banda; de 4.500 Hz en este caso, no significa que los tres parlantes sólo reproduzcan 4.500 Hz. Por el contrario, los tres parlantes reproducen la totalidad del ancho de banda audible por el oído humano, que va desde 20 Hz, hasta 20.000 Hz.

Cálculo de los componentes para un Crossover

Calcular las bobinas no es tarea fácil. Existen una gran cantidad de formulas. Por esta razón el crossover aquí presentado lo explicamos sin fórmulas para su fácil construcción. Si desea profundizar en el tema del cálculo de Bobinas, le recomendamos las siguientes páginas:

www.forosdeelectronica.com www.diyaudioandvideo.com www.erseaudio.com

Construcción del Divisor de Frecuencias (crossover)

Materiales

Lo primero es conseguir los materiales para éste proyecto. Pueden ser reciclados en su gran mayoría, como son las láminas o chapas para construir el núcleo de las bobinas. Éstas son extraídas de transformadores pequeños.
Las chapas para la bobina del woofer, son de 7 mm x 4.5 cm y las chapas de la bobina del medio son de 5 mm x 3.5 cm. Este tamaño puede variar y ser compensado, cambiando la cantidad de chapas a usar al momento de buscar el grosor del núcleo. Lo importante es respetar el volumen total del núcleo.
El otro material que puede ser reciclado es el alambre de cobre (Alambre magneto de doble capa). Este alambre puede ser sacado de un transformador en desuso, o un bobinado cualquiera, siempre y cuando no esté quemado, raspado o no cumpla con el calibre recomendado. El alambre de cobre para bobinas y transformadores, trae un recubrimiento de Barniz Dieléctrico, para aislar el alambre y soportar las altas temperaturas.

Armado del Núcleo

Las láminas de Hierro-Silicio utilizadas en el núcleo de las bobinas, deben ser cubiertas con dos capas de cinta de enmascarar. Esto se hace con el fin de unirlas de tal manera que formen un sólido paquete y a su vez, aislarlas del alambre que posteriormente le será enrollado alrededor.

Ancho del Bobinado

El circuito impreso puede hacerlo mediante el método de planchado. En el caso que sólo piense hacer un par de estos.
Si es para reproducirlo de manera industrial, deberá hacerlos con el método de serigrafía. Si piensa hacer circuitos para vender, le aconsejamos que los mande a fabricar con alguna empresa reconocida.
Una vez hecho el circuito impreso, se usa como guía para hacer las marcas sobre el núcleo, de donde a donde se enrollará el alambre. Observe las marcas hechas sobre el núcleo encintado. Coinciden con los orificios por los cuales entrarán las puntas del alambre de la bobina, donde señala la punta del lapicero.

Nudo y enrollado del Bobinado

Es muy importante al hacer la primera vuelta de alambre, dejar el largo adecuado de la punta para que ingrese a la tarjeta o circuito impreso. La segunda vuelta se devolverá pasando la punta y retomando la segunda vuelta. Se hace un nudo como el que se aprecia en la foto. Cada vuelta debe hacerse a conciencia, ya que es muy importante que el alambre quede bien ajustado.

Medición del Bobinado

Al terminar de enrollar los 3 metros de alambre para la bobina del parlante Medio (Midrange), compare nuevamente con el circuito impreso, que coincidan los orificios con los extremos del alambre de la bobina. Ahora construya la bobina del Woofer con las láminas más grandes y los 5 metros de alambre. Repita el mismo proceso de la bobina anterior.
Si desea que el alambre quede más ordenado, puede hacer un carrete de cartón que evitará que el alambre se ensanche. Ésto da una mejor presentación.

Quitando aislante de las puntas de las Bobinas

Lije los extremos del alambre de cada bobina, retirando el barniz dieléctrico. Sólo se pule el fragmento que entrará en el circuito impreso. Así permite que la soldadura se adhiera al alambre. Tenga cuidado de no raspar las bobinas y de no quitarle barniz más de la cuenta.
Cubra con cinta de enmascaras el exterior de las bobinas.

Montaje de las Bobinas en la placa

Observe las bobinas colocadas en el PCB.
El circuito impreso que se encuentra en el PDF al final de este proyecto, se imprime sobre la baquelita o fibra de vidrio. Éste será la base para colocar las bobinas en sus respectivos lugares señalados en el PCB. Para esto use la máscara de componentes como guía.

Montaje del condensador del Tweeter

Coloque el condensador de 0.47 microfaradios, que se encarga de restringir el paso de las frecuencias bajas y medias. Así el tweeter sólo reproducirá las frecuencias altas. Tenga en cuenta que no todos los tweeter son iguales o de la misma calidad. En algunos casos encontraremos que el condensador de 0.47uF no le permite a algunos tweeter sonar adecuadamente o simplemente pierden volumen. En estos casos debemos cambiar el condensador por uno más alto. Por ejemplo de 1uF, hasta 2.2uF. Recuerde que siempre deberán ser condensadores no polares y preferiblemente de poliéster.

Montaje del condensador del Midrange

Coloque el condensador de 8.2 o 10 microfaradios No Polar. Si no consigue este condensador, puede usar dos condensadores de 16 o 22 microfaradios comunes. Se conectan en serie por los polos negativos y se introducen en los orificios del circuito impreso los dos terminales positivos. Así obtendrá un condensador de la mitad del valor de los dos utilizados y además será no polar. Si pensamos usar este crossover con potencias altas (más de 100W RMS), es mejor que el condensador sea de poliéster. Como no son muy comerciales los condensadores de 8.2 uF en poliéster, se pueden colocar dos condensadores de poliéster de 4.7 uF en paralelo para dar 9.4 uF.

Conectores

Coloque los conectores de cobre o espadines. Estos facilitan la posterior instalación de los crossover o su fácil reposición. Los conectores son fundamentales al momento de presentar, ensamblar, cambiar o sencillamente comercializar el producto. De esta manera usted gana en calidad.

Soldando

Suelde todos los componentes. Recuerde que una buena soldadura, se debe hacer juntando simultáneamente: soldadura, cautín y pieza a soldar.
Aplique la soldadura rápidamente para no averiar los componentes.
Recuerde que de la calidad de las soldaduras, depende el éxito comercial de cualquier proyecto de electrónica que emprenda.

Acabados

Para terminar, limpie bien el circuito impreso por el lado de las soldaduras, usando thinner y un cepillo dental reciclado.
Este Divisor de Frecuencias ha sido probado con los amplificadores de 30w hasta 400w que se encuentran en nuestra sección de Proyectos, obteniendo buenos resultados. Si su amplificador es esterefónico, deberá construir dos de estos.
Para aumentar la potencia de los crossover se debe usar alambre más grueso. Para lograr un cambio de las frecuencias se debe enrollar mas alambre y usar un núcleo mas grande.
Para lograr un bajo más profundo en el woofer, se puede colocar un condensador de 22 uF no polar, conectado en paralelo. (Entre el positivo y el negativo del woofer).
Lo mejor es investigar estudiar como calcular un crossover.