Пассивный кроссовер внутри акустической системы - это компромисс, встроенный в конструкцию по умолчанию. Катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы, через которые текут токи мощного усилителя, неизбежно вносят собственный характер: фазовые сдвиги, нелинейности насыщения сердечника, потери мощности в обмоточном проводе. Динамики при этом работают не сами по себе - они взаимодействуют с импедансом кроссовера, и это взаимодействие меняется с частотой непредсказуемо. Когда конструктор акустики проектировал этот пассивный фильтр, он решал задачу в условиях жёстких ограничений по стоимости и размеру. Активный кроссовер снимает эти ограничения полностью.
В схеме Bi-Amping разделение полос происходит на линейном уровне сигнала - до усилителей мощности, а не после них. Каждый динамик получает свой усилитель, который работает только в нужной полосе частот. Пассивный кроссовер из акустики убирается. Басовый динамик видит напрямую выход НЧ-усилителя, ВЧ-головка - выход ВЧ-усилителя. Именно в этой точке схемы и стоит ламповый активный кроссовер - небольшой, питающийся от невысокого анодного напряжения, но способный обеспечить такое качество разделения полос, которое пассивной схеме просто недоступно в принципе.
Почему 6Н23П - параметры, которые делают её идеальным инструментом для фильтра
Прежде чем объяснять схемотехнику фильтра, нужно понять, почему выбор остановился именно на этой лампе. 6Н23П - двойной триод, советский аналог западной ECC88, разработанный для широкополосного усиления напряжения высокой частоты. В одном стеклянном пальчиковом баллоне массой 16 г находятся два независимых триода с общим катодом. Ток накала 300 мА при напряжении 6,3 В - это скромно даже по меркам маломощных ламп.
Паспортные параметры каждого триода при анодном напряжении 90 В и токе анода 15 мА: крутизна характеристики 10-12,7 мА/В (у версии 6Н23П-ЕВ - 12,5 мА/В), внутреннее сопротивление 2,65 кОм, статический коэффициент усиления 33. Это лампа с относительно невысоким μ и низким внутренним сопротивлением - категория, которую знатоки ламповой схемотехники относят к триодам "с малым μ и невысоким Ri". Именно такие лампы обеспечивают низкое выходное сопротивление каскада, широкую полосу пропускания и малую входную ёмкость.
Для задачи активного кроссовера эти свойства критичны. Фильтрующая RC-цепочка должна работать в строго определённом импедансном окружении - если выходное сопротивление предыдущего каскада велико, оно становится частью делителя и смещает частоту среза. У 6Н23П выходное сопротивление каскада с типичной анодной нагрузкой 10-20 кОм составляет порядка 2-3 кОм, что вполне приемлемо для точного согласования с фильтрующими RC-элементами. Входная ёмкость лампы 3,6 пФ - ничтожно мала и не влияет на работу фильтра даже на верхней границе звукового диапазона.
Отдельно стоит упомянуть версию 6Н23П-ЕВ - двойной триод повышенной надёжности, механической прочности и долговечности. Эта модификация имеет улучшенную конструкцию электродной системы, отсутствие "микрофонного эффекта" (нечувствительность к механическим вибрациям) и долговечность 5000 часов и более против 1000 часов у базовой версии. Для кроссовера, который стоит в тракте постоянно и работает часами каждый день, именно 6Н23П-ЕВ является правильным выбором. Параметры катодного резистора для неё иные: 82 Ом против 680 Ом у базовой версии - это важно учитывать при расчёте режима.
Как работает активный фильтр на лампе и чем он отличается от операционного усилителя
Активный фильтр - это пассивная RC-цепочка, охваченная активным элементом. В транзисторных и операционных схемах активным элементом служит ОУ или транзистор, в ламповом варианте - триод. Принцип работы один и тот же: активный элемент обеспечивает усиление или буферирование, не давая нагрузке влиять на фильтрующие цепи, а фазосдвигающие свойства RC-элементов формируют нужную АЧХ.
Фильтр первого порядка - простейшая RC-цепочка - даёт спад 6 дБ на октаву. Это мягкий, но недостаточный для серьёзного разделения полос срез: на частоте, вдвое превышающей частоту среза ФНЧ, сигнал ослаблен всего на 6 дБ, то есть неослабленный бас продолжает попадать на ВЧ-головку. Для Bi-Amping, особенно при работе с высокочувствительной ВЧ-головкой, этого недостаточно.
Фильтры второго порядка дают 12 дБ на октаву, третьего - 18 дБ, четвёртого - 24 дБ. Практика показывает, что для большинства двухполосных систем достаточно второго-третьего порядка. Более крутые срезы дают лучшее разделение полос, но требуют точного совпадения частот среза ФНЧ и ФВЧ и тщательной работы с фазой - иначе в области раздела возникнет либо горб, либо провал АЧХ.
Ламповый каскад реализует активный фильтр иначе, чем ОУ. Операционный усилитель имеет глубокую отрицательную обратную связь и практически нулевое выходное сопротивление - он работает как идеальный источник напряжения. Ламповый триод в типичном резистивно-нагруженном включении имеет выходное сопротивление, определяемое параллельным включением Ri и Ra, и инвертирует фазу. Этот инверсный характер каскада нужно учитывать при построении фильтра: два каскада подряд восстанавливают исходную фазу, что удобно для симметричного стерео тракта, но при нечётном количестве каскадов фаза одного канала будет инвертирована относительно другого.
В ламповом кроссовере на 6Н23П два триода одной лампы образуют два канала (левый и правый) одной полосы - так используется двойной триод естественным образом. Для двухполосного Bi-Amping потребуется минимум две лампы на канал (НЧ-фильтр и ВЧ-фильтр), или четыре лампы на стереопару. Это не много - блок питания для 6Н23П скромен, анодное напряжение составляет всего 90-150 В.
Баттерворт или Бессель - что выбрать для кроссовера и почему это не академический вопрос
Выбор аппроксимации фильтра - первое решение, которое принимается при проектировании кроссовера, и оно влияет на всё остальное.
Фильтр Баттерворта имеет максимально плоскую АЧХ в полосе пропускания - единственный из классических фильтров, сохраняющий форму АЧХ при увеличении порядка. Оба фильтра кроссовера - ФНЧ и ФВЧ - имеют максимально плоскую характеристику в своих полосах, поэтому все частоты диапазона воспроизводятся с равной громкостью. Фильтры третьего порядка дают хорошую крутизну спада в полосе затухания, надёжно защищая динамики от ненужных им частот. Плата за это - фазовая характеристика: Баттерворт создаёт заметный фазовый сдвиг в переходной области, и сумма НЧ и ВЧ сигналов в точке раздела не даёт идеально плоской суммарной АЧХ.
Фильтр Бесселя - антипод по приоритетам. Его АЧХ в полосе пропускания не идеально плоская, зато фазовая характеристика максимально линейна: групповое время задержки почти постоянно по всей полосе. Импульсный сигнал проходит через фильтр Бесселя без "размазывания" во времени - переходная характеристика без выброса и звона. Для акустики, где восприятие атаки и ритма критично, это серьёзный аргумент. Ценой является более пологий срез: фильтр Бесселя третьего порядка срезает менее резко, чем Баттерворт того же порядка.
Для большинства двухполосных Bi-Amping систем с частотой раздела в диапазоне 1,5-3 кГц практики рекомендуют Баттерворт второго-третьего порядка как разумный баланс. Частота раздела 2,5 кГц - типичный выбор, хорошо зарекомендовавший себя при работе с большинством пищалок. Системы с высокочувствительными широкополосными ВЧ-головками и требовательным слушателем нередко выигрывают от Бесселя - особенно на живой инструментальной музыке с резкими атаками.
Расчёт RC-элементов и режима лампы - как всё это связано в единую схему
Частота среза фильтра первого порядка определяется формулой f = 1/(2πRC). Это базовое соотношение, которое лежит в основе любого RC-фильтра независимо от его порядка и аппроксимации: порядок лишь добавляет звенья с нормировочными коэффициентами к номиналам элементов, но физика остаётся той же. Для фильтра Баттерворта второго порядка коэффициенты нормировки для резисторов составляют: КR1 = 0,707 и КR2 = 1,414.
Режим лампы для кроссовера не требует максимальных токов. Анодное напряжение 90-100 В, ток анода 5-10 мА - этого достаточно для работы в линейной области без перегрева. При токе анода 5 мА и анодной нагрузке 20 кОм падение на анодном резисторе составит 100 В - при питании 200 В на аноде останется 100 В, что вполне укладывается в рабочий диапазон. Катодный резистор для автосмещения подбирается так, чтобы обеспечить нужное смещение: при токе анода 10 мА и требуемом смещении -1,5 В катодный резистор составит 150 Ом.
Ключевой момент, который нельзя упустить: фильтрующие RC-элементы включаются после лампового каскада, и их нижний конец номинала нагрузочного резистора должен быть несравнимо больше выходного сопротивления предыдущего каскада. Если выходное сопротивление каскада на 6Н23П составляет 2-3 кОм, то нижний резистор делителя RC-фильтра должен быть не менее 20-30 кОм - иначе выходное сопротивление станет частью RC-цепи и исказит расчётную частоту среза.
Для этой же причины конденсаторы в фильтрующих цепях должны быть высокостабильными: электролиты не подходят из-за большого разброса ёмкости и нелинейности, керамика с высокой диэлектрической проницаемостью - тоже нестабильна. Правильный выбор - плёнка: полипропиленовые или металлоплёночные конденсаторы с допуском 1-2%. Разброс номиналов в процентах непосредственно транслируется в разброс частоты среза: конденсатор с допуском 10% сдвинет частоту раздела на те же 10%, что в реальной акустике может означать заметный горб или провал на частоте стыка полос.
Полный биампинг против неполного - что нужно изменить в акустике
Биампинг бывает "полным" и "неполным". При "неполном" биампинге каждая секция акустической системы получает полный сигнал и сама отбирает нужную полосу за счёт штатного внутреннего пассивного кроссовера. Усилителей два, но пассивный кроссовер остаётся в деле. Активный кроссовер здесь не нужен, но и выигрыш минимален: усилители по-прежнему работают с полным спектром, пассивный фильтр по-прежнему стоит на пути тока к динамикам.
При "полном" биампинге разделение сигнала на НЧ и ВЧ выполняет внешний активный кроссовер - на линейном уровне, до усилителей. Пассивный кроссовер акустики при этом должен быть обойдён: клеммная колодка акустики подключается напрямую к динамикам, минуя внутренние фильтры. Это требует небольшой переделки акустики - добавления отдельных клемм или перемычек для обхода пассивного кроссовера. Не каждый слушатель готов вскрывать свои колонки, и это реальное препятствие для полного биампинга.
Зато результат полного биампинга качественно иной. Усилитель НЧ-полосы работает только с басом - его искажения, шумы и динамические свойства проявляются только там, где им место. Усилитель ВЧ-полосы работает только с высокими частотами - он не греется от баса, не компрессирует середину, не страдает от интермодуляции между далёкими по частоте составляющими сигнала. Каждый динамик связан со своим усилителем напрямую, без посредников. Групповое время задержки ВЧ-усилителя часто приходится подстраивать относительно НЧ - для этого в схему активного кроссовера вводят регулируемую задержку по ВЧ-пути.
Согласование уровней - обязательный этап настройки. Чувствительность ВЧ-головки, как правило, выше, чем у НЧ-динамика, и сигнал на ВЧ-усилитель нужно ослабить. В ламповом кроссовере это делается подстроечным резистором на выходе ВЧ-фильтра - многооборотным, герметичным, чтобы пыль не меняла установленного положения и не вносила случайного дисбаланса.
Питание, симметрия каналов и почему 6Н23П-ЕВ предпочтительнее базовой версии
Блок питания лампового кроссовера устроен просто. Накал 6,3 В постоянного тока - строго постоянного, не переменного: переменный накал вносит наводку с частотой 50 Гц прямо в управляющую сетку через ёмкостную связь между нитью накала и катодом. У 6Н23П ёмкость катод-подогреватель не превышает 0,24 пФ для каждого триода - немного, но при стабилизированном постоянном накале этого достаточно для чистого шумового дна. Стабилизатор на LM317 с токоограничивающим резистором решает вопрос полностью и не требует дополнительной обмотки трансформатора - достаточно выпрямителя с фильтром.
Анодное напряжение 90-150 В - маленькое по меркам ламповой техники. Простой кенотронный или диодный выпрямитель с П-образным RC-фильтром (конденсатор - резистор - конденсатор) даёт пульсации на уровне единиц милливольт, что вполне достаточно для линейного уровня кроссовера.
Симметрия каналов - отдельная тема. Два триода в одном баллоне 6Н23П не идентичны по параметрам: разброс крутизны ±2,4 мА/В означает, что характеристики двух половин лампы могут различаться на 15-20%. Это не критично для каскада с умеренным усилением, но для кроссовера с точной частотой среза различие параметров ламп будет означать небольшое рассогласование частот среза левого и правого каналов. Правильное решение - подобрать лампы попарно по крутизне или ввести подстроечный резистор в катодную цепь каждого триода для индивидуальной подстройки тока покоя.
Именно здесь версия 6Н23П-ЕВ предпочтительнее базовой не только из-за ресурса. Конструкция электродной системы ЕВ-версии улучшена, разброс параметров меньше, "микрофонный эффект" отсутствует - лампа не реагирует на акустические вибрации от самой акустической системы. Последнее особенно важно в кроссовере, который стоит на одной полке с усилителями и колонками: акустический резонанс в чувствительном ламповом каскаде способен испортить всё то качество звука, ради которого затевался весь этот проект.
Что реально меняется в звуке после перехода на активный ламповый кроссовер
Люди, впервые слышащие свои хорошо знакомые колонки после перехода на полный биампинг с активным ламповым кроссовером, нередко описывают это одним словом: "воздух". Бас стал более собранным и чётким, словно у бас-гитариста подтянули струны, а ВЧ и СЧ - более прозрачными и чистыми. Это не субъективное ощущение, за которым нет физики, - это прямое следствие нескольких вещей одновременно.
Первое: каждый усилитель работает в своей полосе и не тратит мощность на подавление частот, которые ему не нужны. Интермодуляционные искажения, возникающие от взаимодействия далёких по частоте составляющих внутри одного тракта, исчезают. Второе: динамики подключены к усилителям напрямую, без катушек и конденсаторов пассивного кроссовера в цепи тока. Демпфирующий фактор усилителя доходит до головки без ослабления - это заметнее всего на басе, где контроль над диффузором со стороны усилителя непосредственно определяет чёткость атаки. Третье: активный кроссовер имеет принципиально другие импульсные характеристики по сравнению с пассивным. Реакция на фронт прямоугольного импульса у LC-фильтра с потерями - это история с колебательным процессом и экспоненциальным затуханием, у активного RC-фильтра с ламповым буфером - это история с управляемым, предсказуемым и линейным фазовым поведением.
Ламповый тракт добавляет к этому свой характер - мягкую нелинейность второго порядка, которую мозг слушателя воспринимает как "теплоту" и "живость". Активный кроссовер на 6Н23П-ЕВ стоит в тракте на минимальном уровне сигнала, работает в неглубоком классе А и вносит ровно столько "ламповости", чтобы её ощущать - и не настолько много, чтобы она мешала точности.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube