Uutta:

Puhdasvirta-laajakaistakaiutin CCS-7

Tämä uudentyyppinen, pitkään kehitetty kaiutinkonsepti ja -projekti tekee mahdolliseksi päästä nauttimaan virtaohjauksen äänenlaatutasosta ainakin suurimmalta osin käyttäen kuitenkin vain tavanomaista pienen antoimpedanssin jännitevahvistinta. Kyseessä on korotusmuuntajalla avustettu, sarjaimpedanssia ja Scan-Speakin basso-keskiäänistä 15W/8434G00 käyttävä 1-tiekaiutin, jossa bassoresonanssi on vaimennettu uudenlaisella, suljetulla, takaa täytettävällä sokkelokanavalla, joka viritetään vanukappaeiden sijoituksella. Kotelon ilmatilavuus on 7 l, josta kavanan osuus on 5 l. Kanavan sijaan on mahdollista käyttää myös sähköistä RCL-vaimennusta ja pelkkää suljettua 5 l koteloa.

Kytkentä

Yhden kanavan kytkentä on esitetty alla. Muuntaja toimii tässä virtamuuntajan tavoin, eli varsinaiset sarjavastukset R1a ja R1b (yht. 3 Ω) on sijoitettu ensiöpuolelle. Muuntajana on 2x12 V:n ja 120 VA:n kaupallinen toroidi-verkkomuuntaja, jonka 12 V käämit on kytketty sarjaan ensiöpuoleksi ja 115 V käämit rinnan toisioksi.

Puhdasvirta-laajakaistakaiutin CCS-7, kytkentä

Miksi verkkomuuntaja? Koska lähellekään sopivaa kierrossuhdetta (tässä 1:4,4) ei ole yleisesti saatavissa missään tarvittavan kokoisissa audiomuuntajissa, hinta on edullinen ja toroidimuuntajissa voidaan täysin hyödyntää (kuten verkkomuuntajissa tehdään) kidesuunnatun teräksen suurta permeabiliteettia ja kyllästymistasoa induktanssin maksimoimiseksi ja siten muuntajan ottaman magnetointivirran minimoimiseksi.

Resonanssipiireillä R2-C1-L1 ja R3-C2-L2 muodostetaan lisää sarjaimpedanssia keski- ja ylätaajuuksille, joita halutaan vaimentaa taajuusvasteen oikaisemiseksi etulevysironnan ja kartion 6 kHz korostuksen vuoksi. Kondensaattoreiden tulee olla muovieristeisiä ja kelojen ilmasydämisiä 1mm langalla, jotta niiden DC-resistanssit osuvat lähelle kuvaan merkittyjä, suunnittelussa käytettyjä arvoja.

Toimintapiste

Ensiön ja toision kierrosmäärien suhde on 1:4,4 (nimellisjännitteiden suhde poikkeaa tästä normaalisti hieman), jolloin impedanssien muuntosuhteeksi tulee n. 19, ja 8 Ω:n kaiutinimpedanssi näkyy siten ensiöpuolella nimellisesti 0,42 ohmina. Tämän ensiökuorman kanssa vaikuttaa sitten sarjassa aina vähintään 3,7 Ω resistanssia koostuen vastuksista R1, L1:n käämiresistanssista (0,3 Ω), muuntajan (ensiöön redusoituvista) käämiresistansseista sekä myös tulokaapelista, jonka olisi oltava lyhyt. Näin siis ensiöpuolella tarkasteltuna kuorman näkemä sarjaimpedanssi on (nimellisesti) 9-kertainen itse kuormaimpedanssiin (0,42 Ω) nähden (samaan päädyttäisiin luonnollisesti myös tarkastelemalla asiaa toisiopuolella), jolloin elementin haitallisten smv-virtojen vaimennukseksi saadaan periaatteessa jo 20 dB.

Vahvistimen näkemä, mitattu kuormaimpedanssi on esitetty alla. Minimiksi tulee n. 4,1 Ω, minkä pitäisi olla vielä helppoa normaalivahvistimille. Pieni kohouma 90 Hz:llä kuvautuu itse kaiuttimen resonanssihuipusta. Huiput 1,1 kHz:llä ja 6 kHz:llä on asetettu vaimentamaan tavanomaista laatikkomallisen kotelon aiheuttamaa korostumaa sekä käytetyn elementin "break up" -taajuuksia.

Vahvistimen näkemä kuormaimpedanssi, projekti CCS-7

Vahvistimen antoimpedanssin, joka yleensä ilmoitetaan 1 kHz:llä, tulisi olla enintään n. 0,1 Ω, jotta se ei vaikuttaisi suunniteltuun vasteeseen myöskään korkeilla taajuuksilla, missä antoimpedanssi yleensä nousee voimakkaasti. Putkivahvistimet tai perustason D-luokkaiset eivät siten ole kovin suositeltavia.

Käytetyillä impedanssisuhteilla vahvistimen syöttämästä tehosta 10% päätyy itse elementille lopun kuluessa eri sarjaresistansseissa. Herkkyyden pudotus sarjaimpedansseista johtuen on siten lähtökohtaisesti 10 dB. Tässä on kuitenkin huomioitava se, että laadukkaat vahvistimet pystyvät usein syöttämään 4 ohmiin lähes kaksinkertaisen tehon (eli +3 dB) verrattuna 8 ohmiin, jolloin saatava enimmäisvoimakkuus onkin vain reilut 7 dB alempi kuin jos elementtiä ajettaisiin sellaisenaan tavanomaisesti koteloituna. Lisäksi (kuten jäljempänä ilmenee) tässä käytetty kotelointiperiaate nostaa elementin toimintaherkkyyttä alataajuuksilla vielä reilut 2 dB verrattuna tavanomaiseen jännitekäyttöön, jolloin herkkyyden nettoalenemaksi jääkin käytännössä ainoastaan n. 5 dB, minkä ei pitäisi olla mikään ongelma ottaen huomioon tämän kokoisen elementin maksimi särötön tehotaso.

Merkityillä vastusten tehonkestoilla ja annetulla muuntajalla kaiutinta voi käyttää musiikilla enimmillään 300W 4 ohmiin antavalla vahvistimella, sillä normaalikäytössä keskimääräinen (lämmitävä) teho jää murto-osaan nimellisestä antotehosta. Muuntajan on syytä olla valitun kokoinen, sillä vaikka sen välittämä teho jääkin tässä kauaksi nimellisestä, käämien nimellisvirta (ensiöillä 5 A) periaatteessa kuitenkin ylittyy 100 W sisäänmenoteholla (mitä siis ei käytännön signaaleilla vielä tapahdu).

Muuntajan epäideaalisuudet

Muuntajan tuottama särö on käytännössä sen verran vähäistä, että mitattaessa se jää helposti tyypillisen vahvistinsärön varjoon; ja (toisin kuin putkipäätemuuntajissa) magnetointivirta ei suuresta induktanssista johtuen rajoita tässä bassovastetta vielä lainkaan. Valitussa tyypissä (MCTA120/12) myös hajainduktanssi on vielä riittävän pieni, jotta se ei merkittävästi rajoita toistoaluetta yläpäässä.

Muuntajasydämen kyllästymisestä ei myöskään ole tässä vaaraa, sillä magnetointivirta on verrannolinen muuntajan toimintajännitteeseen, ja vielä 300W sisäänmenotasollakin ensiöjännitteeksi tulee vain n. 5 V eli reilut 20% nimellisarvosta (50 Hz:llä), joten magnetointi toimii vielä hyvän matkan päässä kyllästymisalueesta.

Transmissiolinjakotelo

Elementin perusresonassin vaimennuksesta huolehtivan, suljetun, ruuveilla avattavalla takaseinällä varustetun siirtolinjakotelon piirustukset on esitetty alla. Kotelo koostuu 2 litran kammiosta ja tästä lähtevästä, hieman yli 1,5 m pitkästä, 9 kerrokseen jaetusta kanavasta, joka sopivasti täytettynä muodostaa elementin tarvitseman akustisen kuormaresistanssin bassoresonanssin hallitsemiseksi ja vasteen optimoimiseksi. Väliseinämien ansiosta kotelo on lisäksi erinomaisen jäykkä.

Puhdasvirta-laajakaistakaiutin CCS-7, suljettu siirtolinjakotelo, piirustukset

Kaikki sisämitat ovat tasasenttejä, kaikkien välilevyjen paksuus on 1 cm, ja kanavan paksuus on kaikkialla 2 cm. Mikäli tasan 1 cm levyä ei ole saatavissa tai tehtävissä, on tärkeää, että kanavan paksuus ja kammion tilavuus pidetään täsmällisinä.

Vaimennusvanu lisätään kanavan väliköihin irrotettavan takaseinän kautta, ja sitä vastassa olevat levynpäädyt on tasattava ja tiivistettävä hyvin. Erityistä huomiota on kiinnitettävä myös muiden levysaumojen tiiveyteen, sillä vähäinenkin hiusvuoto esim. kammiosta kanavaan muuttaa kotelon toimintaa oleelisesti. Liitokset on syytä varmistaa aina, sillä ammattimaisellakin tekijällä teetettynä voi kokoamistavasta riippuen jäädä johonkin rakoa. Mahdolliset heikot kohdat on tukittava jollain paineenvaihtelut kestävällä aineella. (Silikoni ei ole hyvä.)

Johdin on tässä suunniteltu vedettäväksi suoraan ylimmän välikön kautta, mutta sen voi vetää myös vaikka kammion pohjaan tehdystä reiästä ja alimmasta väliköstä, mikäli reiän luotettavaan tiivistämiseen löytyy välineitä.

Täyttö

Vaimennusaineeksi sopii Sonofil-polyesterivanu, jota on saatavissa noin tuuman paksuisina arkkeina. Arkeista leikataan väliköihin juuri sopivia 14 cm x 16 cm lappuja, joista osa vielä leikataan paksuussuunnassa kahtia sopivimman täyttöasteen mahdollistamiseksi.

Kanavan väliköt täytetään mahdollisimman tasaisesti sijoitellen seuraavan taulukon mukaisesti (väliköt numeroitu ylhäältä lähtien 1-9):

1: tyhjä
2: tyhjä
3: 1 kerros Sonofil-vanua
4: 1½ kerrosta
5: 1½ kerrosta
6: 2 kerrosta
7: 1½ kerrosta
8: 1½ kerrosta
9: tyhjä

Välikössä 8, joka on pitempi, käytetään myös saman kokoisia (14x16) lappuja asetettuna takakannesta lähtien kuten muutkin.

Suurin vaikutus taajuusvasteeseen on kanavan alkupään väliköiden täyttöasteella ja vähäisin loppupään väliköillä, jotka vaikuttavat lähinnä matalimpiin taajuuksiin. Myös kammion vaimennusaine muotoilee vastetta hieman.

Vanuarkeissa esiintyy pientä laatuvaihtelua ainakin paksuudessa. Hyvän toistuvuuden varmistamiseksi kannattaa siksi paksuimmat ja ohuimmat jättää käyttämättä tai käyttää niitä vain loppupään väliköissä, missä näiden erojen vaikutus ei enää käytännössä näy.

Vanun tasainen työntäminen väliköihin on helpompaa, jos välilevyissä on jokin sileä pinnoite paljaan MDF-levyn sijaan.

Kammion vaimennus on tehty kolmella Sonofil-palalla: yksi 7 cm x 40 cm kaistale U:n muotoon taivutettuna peittäen pohjan ja sivuseinämät, yksi 14 cm x 16 cm lappu (kuten kanavassa) kaksin kerroin taitettuna yläkoloon ja yksi saman kokoinen lappu, mutta puolikkaan paksuinen, peittämään pohja ja osa takaseinämästä. Kanavan suulle on jätettävä muutama sentti tyhjää. Kuvat alla valaisevat täyttöä ja kotelon rakennetta.

Vasteet

Edellä kuvatuilla ohjeilla pelkän koteloidun elemetin impedanssista tulee alla esitetyn mukainen. 50 mA virralla mitatu tulos muistuttaa suljetulla kotelolla yleensä saatavaa käyrää, mutta resonanssihuippu (92 Hz) nousee tässä vain n. 20 ohmiin, millä saadaan tarkoitukseen sopiva vaste. Kanavan ollessa tyhjä impedanssi on seisovista aalloista johtuen aivan erilainen sisältäen useita teräviä piikkejä.

CCS-7 siirtolinjakotelon mitattu impedanssivaste

Matalien taajuuksien akustisia vasteita ei huoneolosuhteissa voida hyvin mitata suoraan normaalietäisyyksillä johtuen seisovien aaltojen ja muun huonevasteen tuomista vääristymistä. Tämän vuoksi nämä mittaukset on tehty lähietäisyydeltä, mikrofonikalvon ollessa n. 1 cm päässä pölykupista. Lähimittaus aiheuttaa kuitenkin sen, että kaiuttimen kaukokentässä normaalisti vaikuttava matalia taajuuksia 6 dB heikentävä suuntausporrasilmiö (ns. baffle step) ei tule esille, vaan saatu tulos vastaa tilannetta, jossa kaiuttimen etulevy olisi levitetty äärettömyyteen saakka. Tulosten perusteella on kuitenkin varsin helppo arvioida todellista suuntausportaan sisältävää vastetta, sillä portaan vaikutus matalilla taajuuksilla ja laatikkomaisella kotelolla on hyvin tunnettu ja monotoninen.

Alla oleva kuva esittää pelkän koteloidun elementin lähimitattua vastetta n. 200 mA virralla ja 72 Ω:n syöttöimpedanssilla, joka vastaa elementin lopullisessa muuntajakytkennässä matalilla taajuuksilla näkemää impedanssia. Kanavan tuottama akustinen resistanssi vaimentaa virtaohjatun elementin 100 Hz paikkeille osuvan vastehuipun n. 2½ dB korkuiseksi, ja lisäksi kanavan eri osista saapuvat heijasteet kohottavat vielä 200 Hz aluetta reilut 1½ dB vaikutuksen näkyessä hieman vielä 300 Hz:llä asti.

CCS-7 koteloidun elementin mitattu lähivaste 72ohm syöttöimpedanssilla

Tämä on melko ihanteellinen vasteen muoto, sillä kun tähän lisätään suuntausportaan kaukokentässä tuoma matalien taajuuksien vajoama, joka tässä tapauksessa alentaa esim. 100 Hz kohtaa n. 5 dB verrattuna 1000 Hz tienooseen, nähdään että tarvittavasta suuntausportaan kompensoinnista (joka yleisesti koskee kaikkia kotelokaiuttimia) noin puolet on jo katettu kanavan ja virtaohjauksen tuoman herkkyden nousun ansiosta, eli korkeita taajuuksia joudutaan vaimentamaan sähköisesti paljon vähemmän kuin yleensä muuten.

Bassojen vaimenemisjyrkkyys on n. 13 dB oktaavilla, mikä vastaa suunnilleeen 2. asteen suodatusta, kuten yleensä suljetuissa koteloissa. -6 dB:n alarajataajuudeksi tulee tässä n. 64 Hz, mikä on varsin sopiva tämän kokoiselle elementille kartion ollessa ainoa säteilijä.

Sama kotelo soveltuu käytettäväksi myös puhtaalla virtaohjauksella, mutta tällöin optimaalinen kanavan täyttö on hieman erilainen.

Valmiin, sovitinyksiköllä varustetun kaiuttimen lähivaste 500 Hz saakka näkyy alla. Erona edelliseen nähden on vain jyrkennetty lasku satojen hertsien alueella lopullista suuntausportaan kompensointia varten. Suuntausporras pudottaa käytännössä vastetta 100 Hz alapuolella vajaat 4 dB verrattuna 500 Hz:iin, jolloin vaste kaukokentässä tulee varsin vaakasuoraksi.

CCS-7 projektikaiuttimen mitattu lähivaste matalilla taajuuksilla

Seuraava kuva näyttää lopullisen vasteen 500 Hz yläpuolella. Mittaus on tehty 50 cm etäisyydellä (missä suuntausporras on jo lähes täysin kehittynyt) ja keskiakselilta 8ŗ yläviistoon, mikä edustaa käytännöllistä kuuntelusuuntaa. Sarjaimpedanssilla kompensoitu vaste pysyy ±2 dB rajoissa lähes koko matkan aina ylärajalle saakka, missä 6 dB:n vaimenema tulee vastaan 14 kHz paikkeilla.

CCS-7 projektikaiuttimen mitattu vaste yli 500 Hz taajuuksilla

Diskantin tasoa on mahdollista haluttaessa hieman lisätä alueella 6-10 kHz nostamalla C1 arvoon 8,2 µF.

Sovitinyksikkö

Muuntajat, sarjavastukset ja suodatuskomponentit tarvitsevat hyvin jäähdytetyn alumiinikotelon, jollaiseksi käy ehkä parhaiten tämä Modushopin malli täydennettynä kokonaan rei'itetyllä kansilevyllä. Tämän pienempää koteloa ei kannata käyttää, sillä jäähdytystarpeen lisäksi on huolehdittava myös riittävästä etäisyydestä ilmasydänkeloista kotelon metallipintoihin. Komponenttien sijoittelu ja johdotus kahdelle kanavalle käy ilmi alla olevista kuvista.

Sarjaresistanssin R1 jakamisella kahteen osaan saavutetaan tässä paitsi haluttu resistanssiarvo myös tasaisempi lämmön jakautuminen pohjalevyyn ja hieman toleranssien tasoitusta.

Kelat on sijoitettu päällekkäisistä huopatarralevyn paloista kootun korokkeen päälle. Tällä tavoin kelojen etäisyydeksi kaikista kotelon pinnoista saadaan vähintään 2 cm, mikä mittausten mukaan on riittävä pitämään häviöt ja induktanssi muuttumattomina. Kelat on kiinnitetty nippusiteillä pohjaan kuten myös C2. Ruuveja ei kelojen läheisyydessä kannata käyttää.

Jäähdytyksen parantamiseksi pohjan ja sivupaneelien liitoksissa on käytetty piitahnaa sekä keskelle lisätty kolmas ruuvi. Pohjalevyn tukemiseksi se on lisäksi kiinnitetty takalevyyn L-kappaleella, jonka ruuvien ja juotoskorvakkeiden kautta ko. levyjen välille on varmistettu myös sähköinen kontakti. Takalevyn sähköinen kontakti sivupaneeleihin on niin ikään varmistettu käyttämällä mukana tulevia kirkkaita ruuveja ja kuorimalla levyn oksidikerros ruuvien alta.

R4 kytketään kummastakin kanavasta erikseen edellä kuvattuun runkokontaktiin muuntajan toisiopuolen jäädessä kelluvaksi.

Suljettu kotelo -vaihtoehto

Mikäli esitetyn kanavan rakentaminen tuntuu vaativalta, voidaan käyttää myös pelkkää suljettua koteloa, jonka etulevy pidetään samanlaisena ja jonka bruttosisätilavuudeksi sopii hyvin 5,0 l. Tällöin kuitenkin kaiuttimen perusresonanssi on vaimennettava elementin rinnalle kytkettävällä RCL-ketjulla, jonka arvoiksi käyvät:

R = 22 Ω, 5%, 10 W
C = 57 µF (47+10), 5%, 150 V
L = 36 mH (18+18), 5%

R on tässä ketjun kokonaisresistanssi, joka sisältää myös kelojen DC-resistanssit. Käytännössä kannattaa valita 22 ohmin vastus, jonka rinnalle lisätään suurempiresistanssinen (ja pienempitehoinen) vastus niin, että tämän rinnankytkennän ja kelojen resistanssien summaksi tulee 22 Ω. Jäähdytyksen vuoksi vastukset on hyvä sijoittaa kaiutinkotelon ulkopuolelle esim. omilla naparuveilla tai kaksoisjohdotettavan liitinterminaalin toiseen pariin.

Kotelo täytetään kokonaan puuvillakankaalla, jota saa parhaiten lakanoista. Kangas revitään parinkymmenen sentin levyisiksi suikaleiksi, jotka puristetaan myttyyn ja sullotaan kohtuullisesti voimaa käyttäen kaikkialle jättäen kuitenkin elementin ympärille hieman tyhjää.

Kankaiden valuminen liian lähelle elementtiä voidaan estää liimaamalla magneetin ympärille aaltopahvia muutama kerros siten, että tämä suojarengas vielä juuri mahtuu asennusreiästä (kuva alla). Pahvi itse ei tuki elementtiä, sillä kanavat johtavat ilmaa hyvin läpi. Uloimman kerroksen voi vielä ulottaa pari senttiä magneetin taakse, jotta myös taka-aukko pysyy vapaana.

Pelkän näin koteloidun elementin lähimitattu vaste em. 72 Ω:n syöttöimpedanssilla nähdään alla. Saatu vaste on lähes sama kuin edellä siirtolinjakotelolla. Vain 200-300 Hz alue jää hivenen alemmaksi, koska kanavan tuomaa nostetta ei ole. Vaimenemisjyrkkyys on myös tässä hieman suurempi: n. 15 dB oktaavilla.

CCS-7 suljetulla kotelolla mitattu lähivaste 72 ohm syöttöimpedanssilla

Haluttaessa voidaan 100 Hz:n ympäristöä hienosäätää muuttamalla R:n arvoa. Suurempi arvo kohottaa tätä kohtaa hieman ja päinvastoin.

On hyvä tietää, että – toisin kuin vastaavissa aktiivikorjaimissa – RCL-ketjun resonanssitaajuuden ja Q-arvon EI TARVITSE olla yhteneviä itse kaiuttimen vastaavien arvojen kanssa, sillä piirin toiminta ei perustu tällaiseen tarkkaan kumoutumiseen. Sen sijaan optimaalisin tulos saavutetaan yleensä, kun RCL-ketjun taajuus on n. 20% kaiuttimen resonanssitaajuutta suurempi ja Q-arvo vähän reilu 1 lähes riippumatta kaiuttimen Q-arvosta. Viritys ei siten ole mitenkään erityisen herkkä parametrivaihteluille eikä sen herkempi kuin tavallinen refleksivirityskään.