Passive Crossover Network with VituixCAD #2
ตอนนี้ จะเป็นเรื่อง ฟิลเตอร์พื้นฐาน
สารบัญ
- วงจรครอสโอเวอร์คืออะไร และ แนะนำ VituixCAD https://www.facebook.com/groups/791461357947350/permalink/2238738593219612
- ฟิลเตอร์พื้นฐาน
- วงจรครอสโอเวอร์และเฟส
- วงจรครอสโอเวอร์และอิมพีแดนซ์
- เรื่องอื่น ๆ เกี่ยวกับวงจรครอสโอเวอร์
เหมือนเดิมถ้าชอบบทความแบบนี้ก็อย่าลืมกด like หรือคอมเม้นต์นะครับ ใครมีข้อเสนอแนะหรือมีข้อสงสัยตรงไหนก็สามารถทิ้งไว้คอมเม้นต์ได้ และถ้าเห็นว่าข้อมูลของผมผิดพลาดก็สามารถเสนอแนะกันได้นะครับ
บทความอื่น ๆ https://docs.google.com/spreadsheets/d/1rxUrbgZ-fHgAC0ry7jyNlXNsLzxi6G1SH0ofxL6onEk/
- Basic filter
เห็นภาพใครหลายคนก็คงคิดเหมือนกันว่า ไอ Low pass filter กับ High pass filter มันมีแค่นี้เองเหรอ? มันคือแค่ขดลวดตัวนำกับตัวเก็บประจุไม่ใช่เหรอ?
ใช่ครับวงจร filter โดยพื้นฐานมันก็มีแค่นี้แหละ
- L ทำงานอย่างไร จะเปรียบเทียบการทำงานของขดลวดตัวนำ ก็อาจจะเปลียบกับพวกล้อตุนกำลัง หรือ flywheel ที่มีน้ำหนักมาก ๆ ทำให้หมุนยาก และพอหมุนแล้วก็ไม่ค่อยจะหยุดเท่าไหร่ ทำให้มันไม่ค่อยจะตอบสนองกับการเปลี่ยนแปลงความถี่เร็ว ๆ
หรือบางที่ก็อาจจะเปรียบเทียบกับกังหันน้ำ ซึ่งสามารถดูได้จากเว็ปนี้ https://www.youtube.com/watch?v=KSylo01n5FY
หรือถ้าใครอยากนึกภาพเป็นของเล่น ผมแนะนำให้ลองดูคลิปนี้ https://www.youtube.com/watch?v=QrkiJZKJfpY&t=482s
- C ทำงานอย่างไร หลายคนคงทราบอยู่แล้วว่า ถ้าเราต้องการกรอง DC ออกจากสัญญาณ AC วิธีหนึ่งที่ใช้ได้คือการเอา C มาคั่น ความต่างศักดิ์ DC ก็จะหายไปเหลือแต่สัญญาณ AC ออกมา
ในสัญญาณความถี่ต่ำก็เช่นกัน ถ้าเราเอาตัวเก็บประจุมาขั้น มันก็จะไม่ค่อยยอมให้ผ่านสักเท่าไหร่ ต้องเพิ่มขนาดการเก็บประจุของ C ให้ตัวใหญ่ขึ้น ก็จะพอมีสัญญาณความถี่ต่ำเล็ดลอดออกมาบ้าง แต่ถ้าค่าของ C ยิ่งเล็กเท่าไหร่ ก็จะกรองสัญาณที่ความถี่สูงขึ้นออกไปด้วย
การทำงานของตัวเก็บประจุแบบฟิวเตอร์อาจจะเป็นเรื่องที่นึกภาพออกยาก เพราะเราไม่สามารถนำไปเทียบกับสิ่งของในชีวิตจริงได้ยาก (เหตุผลหนึ่งที่ทำให้ตอนนี้ออกช้าเพราะผมพยายามหาตัวอย่างมาเปรียบเทียบนี่แหละ)
หรือถ้าดูในของเล่น spintronics เข้าก็จะใช้สปริงค์ มาใช้แทนตัวเก็บประจุ ซึ่งก็ทำให้เห็นภาพว่าฟิวเตอร์ทำงานอย่างไรได้ยากอยู่ดี
เอาเป็นว่าใครนึกภาพไม่ออกก็ข้ามส่วนนี้ไปก่อนก็แล้วกันเพราะการนำไปใช้จริงใน simulator มันง่ายและไม่ต้องใช้ความเข้าใจที่ลึกซึ้งขนาดนั้น
- ค่าที่เกี่ยวข้องกับฟิวเตอร์
หลักการของฟิวเตอร์ แน่นอนว่าถ้าเราต้องการที่จะออกแบบฟิวเตอร์ที่ความถี่ใด ๆ เราสามารถหาสูตรคำนวนได้จากเว็ปทั่วไปดังนั้นผมจะไม่พูดถึงสูตรพวกนั้น ซึ่งก็อาจจะได้ใช้เพียงเล็กน้อยเมื่อเราใช้โปรแกรม simulator อย่าง VituixCAD
สิ่งที่ผมคิดว่าสำคัญคือคุณลักษณะของฟิวเตอร์มากกว่า
อย่างแรกคือที่ ความถี่ฟิวเตอร์ ความดังจะลดลงไป 3 dB ดังภาพเป็น Low pass filter ที่ความถี่ 1 kHz จะเห็นว่าความดังนั้นลดลงไปแล้ว 3 dB
สำหรับ 1st order low pass filter ความดังจะลดลง 20 dB ทุก ๆ ความถี่ที่เพิ่ม 10 เท่า หรือลดลง 6.02 dB ทุก ๆ ความถี่เพิ่มที่ขึ้น 2 เท่า หรือ 1 Octave
- 1 Octave ในทางดนตรีหมายถึงเสียงโน้ตที่สูงขึ้น 1 ระดับเช่น C กลาง ไป C สูง ซึ่งถ้าเอาความถี่ของโน้ตมาดูก็จะเห็นความถี่ที่เพิ่มขึ้น 2 เท่าเช่นกัน C4 (261.63 Hz) - C5 (523.25 Hz)
โดยใน octave แรกอาจมีค่าคลาดเคลื่อนไปบ้าง ไม่ได้ลดลงเป็นเส้นตรงอย่างอุดมคติ แต่ก็ยังอยู่ในระยะที่สามารถประมาณได้
ผมสรุปค่าที่จุดต่าง ๆ อีกทีหนึง
ถ้าความดังเริ่มต้นของสัญญาณ อยู่ที่ 0 dB ตัด low pass ฟิวเตอร์ที่ความถี่ 1 kHz และที่ความถี่นี้เสียงจะลดลงไป 3dB (ที่จุด A) ที่ความถี่ 2 kHz หรือ 1 octave ถัดมา เสียงจะลดลงไปใกล้ ๆ 6 dB (ที่จุด B) ที่ความถี่ 10 kHz หรือ 1 decade เสียงจะลดลงไป 20 dB (ก่อนจุด D 1 octave)
ในช่วงที่กราฟลาดลงไปเป็นเส้นตรง จุดใด ๆ 2 จุด ถ้าห่างกัน 1 octave (B กับ C) จะมีความดังต่างกัน 6.02 dB เสมอ ถ้าห่างกัน 1 decade (B กับ D) จะมีความดังต่างกัน 20 dB เสมอ
ส่วน 1st order high pass filter ก็จะมีกราฟลักษณ์นี้เช่นกันแต่จะเป็นในทางทิศตรงกันข้าม
- ออร์เดอร์กับฟิวเตอร์ จากตัวอย่างที่ผ่าน ๆ มา จะเห็นว่าผมจะใช้ชื่อ 1st order อยู่ข้างหน้าฟิวเตอร์เสมอ ซึ่ง 1st order หมายถึงอันดับขั้นที่ 1 ซึ่งก็จะตัดความดังได้ 6 dB ต่อ octave ถ้าต้องการตัดความดังให้กราฟชันลงเล็วขึ้นเราก็สามารถทำได้ด้วยการเพิ่มฟิวเตอร์ซ้อนเข้าไปอีกชั้นหนึ่ง
โดยฟิวเตอร์ที่มีส่วนประกอบ 2 ชิ้น ก็จะเรียกว่า 2nd order ถ้า 3 ชิ้น ก็เรียกว่า 3rd order ถ้ามากขึ้นกว่านี้ก็เรียก 4th, 5th ไปเรื่อย ๆ
โดย 2nd order filter จะตัดความดังได้ชันขึ้นเป็น 12 dB ต่อ octave 3rd order filter ตัดได้ 18 dB/oct และ order ถัดไปก็จะเพิ่มขึ้นทีละ 6 dB/oct ไปเรื่อย ๆ หรือ จะคำนวนโดยเอาเลข order คูณ 6 ไปก็ได้
ข้อสังเกตหนึ่งของ order ที่สูงขึ้น จะเห็นว่าความดังก่อนจุดตัดฟิวเตอร์มันจะเปลี่ยนน้อยลง หรือจะบอกว่ามันจะเริ่มลดลงช้ากว่า order ที่ต่ำกว่าก็ได้
รูปจาก https://www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-filters.html
- การประกอบ nth order filter การเพิ่ม order ของ filter นั้นไม่ใช่ว่าเราจะเอา 1st order filter มาซ้อนกันตรง ๆ เพราะถ้าคุณนำ 1st order low pass filter มาซ้อนกัน ก็กลายเป็นแค่เอาขดลวดตัวนำปกติมาต่ออนุกรมกัน กลายเป็นขดลวดตัวนำอันใหม่ที่ค่าเยอะขึ้นแต่ก็ยังเป็น 1st order เหมือนเดิม
ดังนั้นวิธีที่ถูกต้องคือคุณจะต้องเอา filter ตรงข้ามมาต่อขนานเข้าไป เช่น ถ้าคุณต้องการ 2nd order low pass filter คุณจะต้องนำตัวเก็บประจุมาต่อขนาดเข้ากับฟิวเตอร์เดิม
พอเป็น 3rd order low pass filter คราวนี้คุณก็สามารถเอาขดลวดตัวนำมาต่ออนุกรมได้เหมือนเดิม พอเป็น 4rd order ก็เอาตัวเก็บประจุมาต่ออนุกรมอีก สลับกันไป
ส่วน high pass filter ก็เหมือนกันแค่สลับขดลวดตัวนำกับหัวเก็บประจุเท่านั้นแหละ
- เริ่มภาคปฏิบัติ
เอาหละก่อนที่เราจะไปทดลองออกวงจรครอสโอเวอร์ เรามาทวนความจำตอนที่แล้วกันเล็กน้อย
ผมอยากให้คุณเพิ่มลำโพง 2 ตัวแบบในภาพ
- Woofer SPL 80 dB Impedance 4 Ohm
- Tweeter SPL 88 dB Impedance 8 Ohm
ถ้าพร้อมแล้วก็ไปต่อกันเลย
- Block Library ของ VituixCAD
ตัวช่วยหนึ่งในโปรแกรม VituixCAD คือจะมีตัวอย่างวงจรพร้อมเครื่องคิดเลขให้เลือกใช้อย่างเสร็จสรรพ วิธีใช้งานคือ อันดับแรกให้กดที่ปุ่ม LIB บน toolbox (หมายเลข 1) จะมีหน้าจอ Block library ขึ้นมา ซึ่งหน้าจอนี้ก็จะมีการรวบรวมวงจรครอสโอเวอร์พื้นฐานทั้งหมดมาให้ใช้ ทั้ง Active และ Passive แต่เนื่องจากเราจะใช้แค่ Passive ก็สามารถทำให้มันเลือกแสดงได้โดยการกดไปที่กล่อง filter Passive (หมายเลข 2) โปรแกรมก็จะแสดงออกมาเฉพาะวงจรที่เราสนใจ ซึ่งวงจรหลาย ๆ ตัว ผมก็จะมาอธิบายในตอนต่อ ๆ ไป ตอนนี้ผมอยากให้คุณลองหา 2nd order low pass ดูก่อน เมื่อเจอแล้วให้เลือกแล้วกด Open
- ตั้งค่า filter เมื่อคุณกด Open แล้ว จะเห็นว่ามี component ติดเมาส์ออกมาเหมือนตอนเลือก ตัวต้านทาน หรือ component อื่น ๆ ปกติเลย แต่เมื่อคุณวางมันลงในวงจร คุณจะเห็นว่ามีหน้าต่าง settings ขึ้นมา
ให้เปลี่ยนจุด crossover เป็น 1500 Hz และ impedance เป็น impedance ของ woofer นั่นคือ 4 Ohm แล้วกดปุ่ม Close
จากนั้นผมอยากให้คุณลองเพิ่ม 2rd order high pass filter สำหรับ tweeter ลงไป และต่อวงจรให้เรียบร้อย
- เฉลย เป็นอย่างไรบ้างครับได้ค่าออกมาเหมือนผมไหม ถ้าคุณเห็นหลุมที่ 1500 Hz และเฟสที่ต่างกันประมาณ 160° นั่นคือถูกต้องแล้ว
- Invert ลำโพง เฟสที่ต่างกันเกือบ 180° นั้นนับว่าเป็นเรื่องปกติที่จะเกิดขึ้นกับ 2nd order filter วิธีแก้อย่างง่ายวิธีหนึ่งคือกลับขั้วลำโพงไปดอกหนึ่ง วิธีกลับขั้วลำโพงใน VituixCad นั้นทำได้ง่าย ๆ ด้วยการคลิกขวาที่ดอกลำโพงแล้วเลือก invert หลังจากเลือกแล้วจะสังเกตว่าเครื่องหมาย + - ที่ดอกลำโพงมันจะสลับกัน และเมื่อดูที่กราฟ จะเห็นว่ามันกลับมา in phase กันมากขึ้นแล้ว แต่ก็ยังมีอีกปัญหาหนึ่งคือเสียง tweeter มันดังเกินไป ดังนั้นเราต้องลดความดังลงด้วยขั้นตอนต่อไป
- ลดความดัง tweeter ด้วย L-pad
ให้กลับไปที่ LIB แล้วหา L-pad ต่อ L-pad เข้าไปในวงจร แล้วตั้งค่า gain เป็น -8 dB (แก้ 88 → 80 dB) และเลือก impedance เป็น 8 ohm จะเห็นว่าความดังของ tweeter ลดลงไปแล้วแต่ว่ามันยังมี นูน ๆ +3dB อยู่ที่ 1500 Hz
- ใช้สูตร Linkwitz-Riley Linkwitz-Riley คืออะไรผมขอเก็บไว้ไปอธิบายในตอนต่อไปก็แล้วกัน แต่ตอนนี้เอาวิธีใช้ก่อน
ให้คุณคลิกขวาที่ 2rd order low pass filter (จะกดที่ลดลวดตัวนำหรือตัวต้านทานก็ได้) จากนั้นกด Tune block จะเห็นหน้าต่าง settings กลับมาอีกครั้ง ให้คุณกดที่ Option แล้วเลือก Linkwitz-Riley
จากนั้นทำซ้ำที่ High pass filter ด้วย
สุดท้ายคุณจะได้กราฟที่ออกมาเรียบสวยงาม
เอาหละตอนนี้ผมขอจบเพียงเท่านี้ก่อน ติดตามตอนต่อไป ถ้าใครชอบและคิดว่าบทความนี้มีประโยชน์ ก็อย่าลืมกด like โพสของผมจะได้ไม่จมลงไปอย่างรวดเร็ว และจะได้มีคนเห็นเยอะ ๆ ครับ
