cruce de audio

Un crossover pasivo divide una señal de audio después de que un amplificador de potencia la amplifica , de modo que la señal amplificada se puede enviar a dos o más tipos de transductores, cada uno de los cuales cubre diferentes rangos de frecuencia. Estos crossovers están compuestos completamente de componentes y circuitos pasivos; el término "pasivo" significa que no se necesita una fuente de alimentación adicional para el circuito. Un crossover pasivo solo necesita conectarse mediante cableado a la señal del amplificador de potencia. Los crossovers pasivos generalmente se organizan en una topología Cauer para lograr un efecto de filtro Butterworth . Los filtros pasivos utilizan resistencias combinadas con componentes reactivos como condensadores e inductores . Los crossovers pasivos de muy alto rendimiento suelen ser más caros que los crossovers activos, ya que los componentes individuales capaces de ofrecer un buen rendimiento a las altas corrientes y voltajes a los que se alimentan los sistemas de altavoces son difíciles de fabricar.

Los productos electrónicos de consumo económicos , como los sistemas de cine en casa compactos y los radiocasetes portátiles de bajo costo , pueden usar filtros divisores de frecuencia pasivos de menor calidad, a menudo con redes de filtrado de menor orden y menos componentes. Los sistemas de altavoces y receptores de alta fidelidad de gama alta pueden usar filtros divisores de frecuencia pasivos de mayor calidad para obtener una mejor calidad de sonido y menor distorsión. Este mismo enfoque de precio/calidad se suele aplicar a los equipos de refuerzo de sonido, amplificadores de instrumentos musicales y cajas acústicas; un monitor de escenario , un altavoz de PA o una caja acústica para amplificador de bajo de bajo precio generalmente usarán filtros divisores de frecuencia pasivos de menor calidad y precio, mientras que las cajas acústicas de alta gama y alta calidad generalmente usarán filtros divisores de frecuencia de mejor calidad. Los filtros divisores de frecuencia pasivos pueden usar polipropileno , lámina de poliéster metalizada o condensadores electrolíticos . Los inductores pueden tener núcleos de aire, núcleos de metal en polvo, núcleos de ferrita o núcleos de acero al silicio laminado , y la mayoría están bobinados con hilo de cobre esmaltado .

Algunas redes pasivas incluyen dispositivos como fusibles , dispositivos PTC, bombillas o disyuntores para proteger los transductores de los altavoces de sobrecargas accidentales (por ejemplo, por picos o sobretensiones repentinas). Los crossovers pasivos modernos incorporan cada vez más redes de ecualización (por ejemplo, redes Zobel ) que compensan las variaciones de impedancia con la frecuencia inherentes a prácticamente todos los altavoces. El problema es complejo, ya que parte de la variación de impedancia se debe a cambios en la carga acústica a lo largo de la banda de paso del transductor.

Dos desventajas de las redes pasivas son que pueden ser voluminosas y causar pérdida de potencia. No solo son específicas de frecuencia, sino también de impedancia (es decir, su respuesta varía con la carga eléctrica a la que están conectadas). Esto impide su intercambiabilidad con sistemas de altavoces de diferentes impedancias. Los filtros de cruce ideales, incluidas las redes de compensación de impedancia y ecualización, pueden ser muy difíciles de diseñar, ya que los componentes interactúan de maneras complejas. El experto en diseño de crossovers Siegfried Linkwitz dijo sobre ellos que "la única excusa para los crossovers pasivos es su bajo costo. Su comportamiento cambia con la dinámica de los transductores que depende del nivel de la señal. Bloquean que el amplificador de potencia tome el máximo control sobre el movimiento de la bobina móvil . Son una pérdida de tiempo, si el objetivo es la precisión de la reproducción". ^{[ 6 ]} Alternativamente, se pueden utilizar componentes pasivos para construir circuitos de filtro antes del amplificador. Esta implementación se llama crossover pasivo de nivel de línea.

Un crossover activo contiene componentes activos en sus filtros, como transistores y amplificadores operacionales. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 7 ]} En los últimos años, el dispositivo activo más utilizado es un amplificador operacional . A diferencia de los crossovers pasivos, que operan después de la salida del amplificador de potencia a alta corriente y, en algunos casos, a alto voltaje , los crossovers activos operan a niveles adecuados para las entradas del amplificador de potencia. Por otro lado, todos los circuitos con ganancia introducen ruido , y dicho ruido tiene un efecto perjudicial cuando se introduce antes de que la señal sea amplificada por los amplificadores de potencia.

Los crossovers activos siempre requieren el uso de amplificadores de potencia para cada banda de salida. Por lo tanto, un crossover activo de dos vías necesita dos amplificadores: uno para el woofer y otro para el tweeter . Esto significa que un sistema de altavoces basado en crossovers activos suele ser más caro que un sistema basado en crossovers pasivos. A pesar de las desventajas en cuanto a costo y complejidad, los crossovers activos ofrecen las siguientes ventajas sobre los pasivos:

• una respuesta en frecuencia independiente de los cambios dinámicos en las características eléctricas del transductor (por ejemplo, debido al calentamiento de la bobina móvil).
• Por lo general, existe la posibilidad de variar o ajustar con precisión cada banda de frecuencia según los transductores específicos utilizados. Algunos ejemplos serían la pendiente del filtro divisor de frecuencias, el tipo de filtro (por ejemplo, Bessel , Butterworth, Linkwitz-Riley, etc.), los niveles relativos, etc.
• mejor aislamiento de cada controlador de las señales que manejan otros controladores, reduciendo así la distorsión por intermodulación y la sobrecarga.
• Los amplificadores de potencia están conectados directamente a los transductores de los altavoces, maximizando así el control de amortiguación del amplificador sobre la bobina móvil del altavoz, reduciendo las consecuencias de los cambios dinámicos en las características eléctricas del transductor, todo lo cual probablemente mejorará la respuesta transitoria del sistema.
• Reducción en los requisitos de potencia de salida del amplificador. Al no haber pérdida de energía en los componentes pasivos, los requisitos del amplificador se reducen considerablemente (hasta la mitad en algunos casos), lo que disminuye los costos y puede aumentar la calidad.

Los crossovers activos se pueden implementar digitalmente usando un procesador de señal digital u otro microprocesador . ^{[ 8 ]} Usan aproximaciones digitales a circuitos analógicos tradicionales, conocidos como filtros IIR ( Bessel , Butterworth, Linkwitz-Riley , etc.), o usan filtros de respuesta de impulso finito (FIR) . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Los filtros IIR tienen muchas similitudes con los filtros analógicos y son relativamente poco exigentes en recursos de CPU; los filtros FIR por otro lado generalmente tienen un orden más alto y, por lo tanto, requieren más recursos para características similares. Se pueden diseñar y construir para que tengan una respuesta de fase lineal , lo cual es considerado deseable por muchos involucrados en la reproducción de sonido. Sin embargo, hay desventajas: para lograr una respuesta de fase lineal, se incurre en un tiempo de retardo más largo que el que sería necesario con un filtro IIR o FIR de fase mínima. Los filtros IIR, que son por naturaleza recursivos, tienen la desventaja de que, si no se diseñan cuidadosamente, pueden entrar en ciclos límite, lo que resulta en distorsión no lineal.

Este tipo de crossover es mecánico y utiliza las propiedades de los materiales en un diafragma de altavoz para lograr el filtrado necesario. ^{[ 11 ]} Estos crossovers se encuentran comúnmente en altavoces de rango completo diseñados para cubrir la mayor parte posible de la banda de audio. Al acoplar el cono del altavoz a la bobina móvil a través de una sección flexible, que actúa como filtro, y al conectar directamente un pequeño y ligero cono difusor a la bobina, el cono principal no vibra a frecuencias más altas. El cono difusor responde a todas las frecuencias, pero debido a su menor tamaño, solo proporciona una salida útil a frecuencias más altas, implementando así una función de crossover mecánico. La cuidadosa selección de los materiales utilizados para el cono, el difusor y los elementos de suspensión determina la frecuencia de cruce y la efectividad del crossover. Estos crossovers mecánicos son complejos de diseñar, especialmente si se desea alta fidelidad. El diseño asistido por computadora ha reemplazado en gran medida el laborioso método de prueba y error que se utilizaba históricamente. Con el paso de los años, la elasticidad de los materiales puede variar, afectando negativamente a la respuesta en frecuencia del altavoz.

Un enfoque más común consiste en emplear la tapa antipolvo como radiador de alta frecuencia. La tapa antipolvo irradia bajas frecuencias, moviéndose como parte del conjunto principal, pero debido a su baja masa y amortiguación reducida, irradia mayor energía a frecuencias más altas. Al igual que con los conos difusores, se requiere una cuidadosa selección del material, la forma y la posición para proporcionar una salida uniforme y extendida. La dispersión de alta frecuencia es algo diferente en este enfoque que en el de los conos difusores. Un enfoque relacionado consiste en dar forma al cono principal con un perfil y materiales tales que la zona del cuello permanezca más rígida, irradiando todas las frecuencias, mientras que las zonas exteriores del cono se desacoplan selectivamente, irradiando solo a frecuencias más bajas. Los perfiles y materiales del cono se pueden modelar utilizando software de análisis de elementos finitos y los resultados se predicen con excelentes tolerancias.

Los altavoces que utilizan estos filtros divisores de frecuencia mecánicos ofrecen ciertas ventajas en cuanto a calidad de sonido, a pesar de las dificultades de diseño y fabricación y de las inevitables limitaciones de salida. Los transductores de rango completo poseen un único centro acústico y pueden presentar un cambio de fase relativamente moderado en todo el espectro de audio. Para un rendimiento óptimo en bajas frecuencias, estos transductores requieren un diseño de caja acústica meticuloso. Su pequeño tamaño (normalmente de 165 a 200  mm) exige una considerable excursión del cono para reproducir los graves con eficacia. Sin embargo, las bobinas de voz cortas, necesarias para un rendimiento aceptable en altas frecuencias, solo pueden moverse en un rango limitado. No obstante, dentro de estas limitaciones, se reducen los costes y las complicaciones, ya que no se requieren filtros divisores de frecuencia.

Los filtros de primer orden tienen una pendiente de 20 dB/ década (o 6 dB/ octava ). Todos los filtros de primer orden tienen una característica de filtro Butterworth. Muchos audiófilos consideran que los filtros de primer orden son ideales para los crossovers. Esto se debe a que este tipo de filtro es "transitorio perfecto", lo que significa que la suma de las salidas de paso bajo y paso alto transmite tanto amplitud como fase sin cambios en todo el rango de interés. ^{[ 12 ]} También utiliza la menor cantidad de componentes y tiene la menor pérdida de inserción (si es pasivo). Un crossover de primer orden permite que pase más contenido de señal que consiste en frecuencias no deseadas en las secciones LPF y HPF que las configuraciones de orden superior. Si bien los woofers pueden manejar esto fácilmente (aparte de generar distorsión en frecuencias superiores a las que pueden reproducir correctamente), los drivers de alta frecuencia más pequeños (especialmente los tweeters) son más propensos a dañarse, ya que no son capaces de manejar grandes entradas de potencia en frecuencias inferiores a su punto de cruce nominal.

En la práctica, los sistemas de altavoces con pendientes acústicas de primer orden reales son difíciles de diseñar porque requieren un gran ancho de banda de transductores superpuestos, y las pendientes poco pronunciadas implican que los transductores no coincidentes interfieren en un amplio rango de frecuencias y provocan grandes desplazamientos de respuesta fuera del eje.

Los filtros de segundo orden tienen una pendiente de 40 dB/década (o 12 dB/octava). Dependiendo del diseño y los componentes utilizados, pueden presentar características de Bessel , Linkwitz-Riley o Butterworth. Este orden se emplea comúnmente en crossovers pasivos, ya que ofrece un equilibrio adecuado entre complejidad, respuesta y protección de los transductores de alta frecuencia. Al diseñarse con una disposición física alineada en el tiempo, estos crossovers presentan una respuesta polar simétrica , al igual que todos los crossovers de orden par.

Se suele pensar que siempre habrá una diferencia de fase de 180° entre las salidas de un filtro paso bajo (de segundo orden) y un filtro paso alto con la misma frecuencia de cruce. Por ello, en un sistema de dos vías, la salida de la sección de paso alto se conecta al transductor de alta frecuencia de forma invertida para corregir este problema de fase. En sistemas pasivos, el tweeter se conecta con polaridad opuesta al woofer; en los crossovers activos, la salida del filtro paso alto se invierte. En sistemas de tres vías, el transductor o filtro de rango medio se invierte. Sin embargo, esto generalmente solo se cumple cuando los altavoces tienen una amplia superposición de respuesta y sus centros acústicos están físicamente alineados.

Los filtros de tercer orden tienen una pendiente de 60 dB/década (o 18 dB/octava). Estos crossovers suelen tener características de filtro Butterworth; la respuesta de fase es muy buena, la suma de niveles es plana y está en cuadratura de fase , similar a un crossover de primer orden. La respuesta polar es asimétrica. En la configuración original D'Appolito MTM , se utiliza una disposición simétrica de los transductores para crear una respuesta fuera del eje simétrica al usar crossovers de tercer orden. Los crossovers acústicos de tercer orden a menudo se construyen a partir de circuitos de filtro de primer o segundo orden.

Los filtros de cuarto orden tienen una pendiente de 80 dB/década (o 24 dB/octava). Estos filtros son relativamente complejos de diseñar en forma pasiva, porque los componentes interactúan entre sí, pero el software moderno de diseño de optimización de cruces asistido por computadora puede producir diseños precisos. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} Las redes pasivas de pendiente pronunciada son menos tolerantes a las desviaciones o tolerancias de los valores de las piezas, y más sensibles a la terminación incorrecta con cargas de controladores reactivos (aunque esto también es un problema con los cruces de orden inferior). Un cruce de cuarto orden con un punto de cruce de −6 dB y suma plana también se conoce como un cruce Linkwitz-Riley (llamado así por sus inventores ^{[ 7 ]} ), y se puede construir en forma activa mediante la conexión en cascada de dos secciones de filtro Butterworth de segundo orden. Las señales de salida de baja y alta frecuencia del crossover tipo Linkwitz-Riley están en fase, evitando así la inversión parcial de fase si las bandas de paso del crossover se suman eléctricamente, como ocurriría en la etapa de salida de un compresor multibanda . Los crossovers utilizados en el diseño de altavoces no requieren que las secciones de filtro estén en fase; las características de salida suaves se suelen lograr utilizando características de filtro de crossover asimétricas y no ideales. ^{[ 5 ]} Bessel, Butterworth y Chebyshev se encuentran entre las posibles topologías de crossover.

Estos filtros de pendiente pronunciada tienen mayores problemas con el sobreimpulso y la resonancia ^{[ 16 ],} pero tienen varias ventajas clave, incluso en su forma pasiva, como el potencial de un punto de cruce más bajo y una mayor capacidad de manejo de potencia para los tweeters, junto con una menor superposición entre los transductores, lo que reduce drásticamente el desplazamiento del lóbulo principal del patrón de radiación de un sistema de altavoces multivía con la frecuencia, ^{[ 7 ]} u otros efectos fuera del eje no deseados. Con una menor superposición de frecuencia entre transductores adyacentes, su ubicación geométrica relativa entre sí se vuelve menos crítica y permite más flexibilidad en la estética del sistema de altavoces o (audio en el automóvil) limitaciones prácticas de instalación.

Los filtros divisores de frecuencia pasivos con pendientes acústicas superiores al cuarto orden no son comunes debido a su coste y complejidad. En los filtros divisores de frecuencia activos y los sistemas de gestión de altavoces se encuentran disponibles filtros con pendientes de hasta 96 dB por octava.

Los filtros divisores de frecuencia también pueden construirse con filtros de orden mixto. Por ejemplo, un filtro paso bajo de segundo orden puede combinarse con un filtro paso alto de tercer orden. Estos filtros suelen ser pasivos y se utilizan por diversas razones, a menudo cuando los valores de los componentes se obtienen mediante optimización por ordenador. Un filtro divisor de frecuencia de orden superior para el tweeter puede ayudar a compensar el desfase temporal entre el woofer y el tweeter, causado por la falta de alineación de los centros acústicos.

Existe una clase de filtros de cruce que producen respuestas nulas en las salidas de paso alto y paso bajo a frecuencias cercanas a la frecuencia de cruce. Dentro de sus respectivas bandas de rechazo, las salidas presentan una alta tasa de atenuación inicial, mientras que la suma de sus salidas tiene una respuesta plana de paso total. Sus dos salidas mantienen una diferencia de fase cero constante a través de la transición, lo que mejora su rendimiento de lóbulos con transductores de altavoz no coincidentes. ^{[ 17 ]}

Los filtros divisores de frecuencia en paralelo son, con diferencia, los más comunes. Eléctricamente, los filtros están en paralelo, por lo que las distintas secciones de filtro no interactúan entre sí. Esto facilita el diseño de filtros divisores de frecuencia de dos vías, ya que, en términos de impedancia eléctrica, las secciones pueden considerarse independientes y las variaciones de tolerancia de los componentes quedan aisladas. Sin embargo, como en todos los filtros divisores de frecuencia, el diseño final depende de que la salida de los transductores sea acústicamente complementaria, lo que, a su vez, requiere una cuidadosa coincidencia de amplitud y fase del filtro divisor de frecuencia subyacente. Los filtros divisores de frecuencia en paralelo también tienen la ventaja de permitir la bicableación de los transductores , una característica cuyos beneficios son objeto de intenso debate.

En esta topología, los filtros individuales están conectados en serie, y un transductor o combinación de transductores está conectado en paralelo con cada filtro. Para comprender la ruta de la señal en este tipo de crossover, consulte la figura "Crossover en serie" y considere una señal de alta frecuencia que, durante un momento dado, tiene un voltaje positivo en el terminal de entrada superior en comparación con el terminal de entrada inferior. El filtro de paso bajo presenta una alta impedancia a la señal, y el tweeter presenta una baja impedancia; por lo tanto, la señal pasa a través del tweeter. La señal continúa hasta el punto de conexión entre el woofer y el filtro de paso alto. Allí, el filtro de paso alto presenta una baja impedancia a la señal, por lo que la señal pasa a través del filtro de paso alto y aparece en el terminal de entrada inferior. Una señal de baja frecuencia con una característica de voltaje instantáneo similar pasa primero a través del filtro de paso bajo, luego del woofer y aparece en el terminal de entrada inferior.

Los filtros divisores de frecuencia derivados incluyen filtros divisores de frecuencia activos en los que una de las respuestas de cruce se deriva de la otra mediante el uso de un amplificador diferencial. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Por ejemplo, la diferencia entre la señal de entrada y la salida de la sección de paso alto es una respuesta de paso bajo. Por lo tanto, cuando se utiliza un amplificador diferencial para extraer esta diferencia, su salida constituye la sección del filtro de paso bajo. La principal ventaja de los filtros derivados es que no producen diferencia de fase entre las secciones de paso alto y paso bajo en ninguna frecuencia. ^{[ 20 ]} Las desventajas son:

1. que las secciones de paso alto y paso bajo a menudo tienen diferentes niveles de atenuación en sus bandas de rechazo , es decir, sus pendientes son asimétricas, ^{[ 20 ]} o
2. que la respuesta de una o ambas secciones alcanza su máximo cerca de la frecuencia de cruce, ^{[ 19 ] [ 21 ]} o ambas.

En el caso (1), la situación habitual es que la respuesta de paso bajo derivada se atenúa a un ritmo mucho más lento que la respuesta fija. Esto requiere que el altavoz al que se dirige continúe respondiendo a señales en la banda de rechazo, donde sus características físicas pueden no ser las ideales. En el caso (2), ambos altavoces deben operar a niveles de volumen más altos a medida que la señal se acerca a los puntos de cruce. Esto consume más potencia del amplificador y puede provocar que los conos de los altavoces entren en un estado no lineal.