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HOBBY-Hifi 5/2013

Präzisions Subsonic-Filter 5. Ordnung
mit kombinierter Bass-Linearisierung

HQ-Sub
Steilflankiges Subsonic-Filter mit besonders steilem Übergang in den Sperrbereich
Durch ein spezielles Schaltungsdesign wird nur eine einzige OP-Amp Filterstufe benötigt. Präzise, lehrbuchmäßige Filterkurve. Sehr niedriges THD und Rauschen. Sehr genaue Einstellung der Eckfrequenzen durch fünf 16-stufige Schalter, dadurch perfekte Wiederholgenauigkeit. Einstellbar von 13 Hz bis 53 Hz in Schritten von 2-3Hz. Keine Überschwinger, oder sonstige Ungenauigkeiten beim Durchstimmen der Frequenzen.
Durch die zusätzliche Bass-Anhebung, die exakt mit dem Subsonicfilter korrespondiert,
ist eine deutliche Herabsetzung des linearen Tieftonbereiches möglich bei gleichzeitig optimaler Membranentlastung.
seit 2013

Anwendungsbereich
1. Zum Abschwächen der Subsonicfrequenzen bei allen Tieftonlautsprechern.
2. Als Tiefbasskorrektur, insbesondere für Bassreflexsysteme.
3. Als besonders hochwertiges Rumpelfilter in Phono-Vorstufen.

Beim Einsatz eines Subsonicfilters geht es in erster Linie nicht darum, Frequenzen wegzufiltern, die so tief sind, dass man sie nicht mehr hört. Bei Kinofilmen gehört es sogar dazu, Töne unterhalb der Hörgrenze zu "spüren".
Sondern ein Subsonicfilter soll die Frequenzen fern halten, die 1. ein Lautsprecher gar nicht mehr wiedergeben kann und somit unnötige Membranbewegungen macht, und 2. die Frequenzen, die gar nicht ins Musiksignal hineingehören, wie z.B. Rumpelgeräusche von Schallplatten.

Das Modul HQ-Sub ist in der Regel dafür vorgesehen, zusätzlich in eine Audioschaltung integriert zu werden. Es wird z.B. vor eine Endstufe, oder nach dem Bass-Ausgang einer Aktivweiche, oder nach einer Phono-Vorstufe geschaltet.

Kein gewöhnliches Subsonicfilter
Wenn man alle Filterarten beherrscht, kann man durch richtige Schlussfolgerungen das für einen bestimmten Zweck optimale Filter gestalten. Der Hochpass eines Subsonic-Filters muss keinen Übergang aufweisen, der mit einem Tiefpass - wie in einer Aktiv-Weiche üblich - korrespondieren muss. Das erlaubt eine Filter-Architektur, die einen besonders scharfkantigen Übergang ermöglicht, indem die Güte feinjustiert wird. Da höhere Ordnungszahlen aber immer einen höheren Bauteile-Aufwand erfordern, ist vor allem die Einstellbarkeit nicht mehr einfach. Viele Werte müssen gleichzeitig verändert werden, wobei das Verhältnis der Werte zueinander gleich bleiben muss. Das macht die Durchstimmbarkeit mit Potis fast unmöglich, wenn man hohe Anforderung an die gleichbleibende Filtergüte stellt. Außerdem werden bei mehr als 2. Ordnung oft mehrere OPs eingesetzt, was nicht unbedingt den Klang und andere Parameter verbessert. Wir wenden ein Design an, das trotz 5. Ordnung mit nur einem einzigen OP in der Filterstufe auskommt.

Besonders steiler Übergang in den Sperrbereich
Die meisten Filter, auch die höherer Ordnung, haben einen relativ breiten Übergang in den Sperrbereich. Ein 24dB/Oct Filter mit einem -3dB Punkt bei 20Hz beginnt bei ca. 35 Hz die 0-dB Linie zu verlassen und hat erst bei ca. 15 Hz seine endgültige Steilheit erreicht. Ein 30dB/Oct Filter mit üblichem Filter-Design verlässt bei ca. 30 Hz die 0 dB Linie, bzw. erreicht bei 17 Hz die endgültige Steilheit.
Dabei möchte man doch einen Tieftöner so weit wie möglich nach unten linear betreiben, und dann soll er möglichst schnell "aussteigen".
Unser Filter-Design besitzt hier einen wesentlichen Vorteil. Bis zuletzt kann der Tieftöner linear betrieben werden bevor die Frequenz sehr plötzlich abfällt (siehe Kurve). Dadurch kann der Lautsprecher sein Bestes geben und wird gleichzeitig optimal entlastet.
Allerdings ist diese Schaltung nicht mehr mit ein paar wenigen Bauteilen realisierbar. 25 Widerstände der E-192 Reihe, die sauber im Wert optimiert wurden, und 5 selektierte Frequenzkondensatoren machen dieses Filter zu einem Präzisionsmodul, dass unter allen Bedingungen eine gleichbleibend perfekte Filterkurve garantiert. Keine Überschwinger, Welligkeiten, oder sonstige Unsauberkeiten, wie sie oft bei durchstimmbaren Filtern auftreten.

Frequenzgang des HQ-Sub
bei einem -3dB Punkt von 50Hz und 20Hz im Vergleich mit Filtern von 2. und 4. Ordnung.

Die Skizze links zeigt deutlich den wesentlich scharfkantigeren Übergang vom Durchlass- in den Sperrbereich.

Ein 30 dB/Oct Filter ist nicht viel steiler als ein 24 dB/Oct, dennoch findet hier der Übergang wesentlich plötzlicher statt, was den höchsten Anforderungen an ein optimales Filter besonders nahe kommt.

Dadurch klingt ein Tieftöner sauberer, souveräner und tiefer, obwohl er nach unten begrenzt wird.
Besonders Bassreflexboxen profitieren von diesem Filter.

Die Eck-Frequenz wird mit fünf 16-stufigen Drehschaltern gemäß einer Tabelle von 13 bis 53 Hz in ca. 2-3Hz Schritten wiederholgenau eingestellt.



Eine weitere Funktion:
Die stufenlose Anhebung des Subbassbereiches zur Korrektur des unteren Frequenzganges, ohne das Chassis zu überfordern.

Hier wird einfach die variable Güteeinstellung des Filters genutzt. Dadurch wird keine weitere OP-Stufe benötigt. Die Skizze links zeigt die Kurven bei verschiedenen Poti-Einstellungen. Bei Linksanschlag ohne Funktion. Diese Anhebung ist auch hier insbesondere zur Linearisierung des Tiefst-Ton-Bereiches von Bassreflexboxen geeignet.

Für geschlossene Boxen ist die Güte der Anhebung etwas zu groß.

Der Pegel der Anhebung wird mit einem präzisen Keramik-Trimmer stufenlos eingestellt. Die Frequenz der Anhebung ist fest mit der eingestellten Subsonicfrequenz gekoppelt, dadurch bleibt der abgesenkte Subsonicbereich erhalten.

Sonstiges
Der Ausgangspegel lässt sich ebenfalls mit einem präzisen Keramik-Trimmer stufenlos von 0 bis 3-fachem Eingangssignal einstellen.

Die Betriebsspannung wird "on-Board" aufbereitet und kann bis zu +/-60 Volt betragen, so dass die Versorgung auch einer Endstufe entnommen werden kann. Die stabilisierte Spannung wird mit Low-ESR-Elkos und HF-Kondensatoren gepuffert.

Klanglich sind alle Schritte unternommen, um High-End Ansprüchen gerecht zu werden. Es wird ein OP-Amp verwendet, der sich besonders gut für die Filtertechnik eignet. Die frequenzbestimmenden Kondensatoren sind auf 2% selektiert, um eine präzise Kurve zu erhalten, die auch in einer Stereoanwendung für hohe Kanalgleichheit sorgt. Außerdem ist jedem dieser Kondensatoren ein KP-Kondensator mit kleinerem Wert parallelgeschaltet, um bestmögliche Audioperformance zu erreichen.
 

Technische Daten
+/-9V bis +/-60V
optimal:
+/-12V bis +/-20V
Strom:
+/- 5-25mA, je nach Betr.Spg
max Eing. Pegel:
+/- 5Vs*
max Ausg. Pegel:
+/- 15Vs
Bass Boost:
0 bis ca. +10dB
Eing. Widerstand:
39 kOhm
einstellbare Frequenzen:
13-53Hz in 2-3Hz Schritten
oder 28-110Hz in 4-6Hz Schritten
Gain:
0 bis 3-fach
Maße:
74 x 68 x 15mm
*max Eing. Pegel bis zu 10dB weniger bei Bass-Anhebung (+/- 1,75 Vs)

Preis Mono-Modul
Typ
  
Euro
HQ-Sub
13-53Hz
77,00
HQ-Sub-e
28-100Hz
77,00
Für den Stereobetrieb werden zwei Module benötigt.
Optimale Betriebsspannung:
Trafo ab 15-18V~ für Gleichspannung ab +/- 18V-20V; symmetrisch
Netzteil-Vorschlag: NT-10HQ-18

Wichtig 
Das Modul "HQ-Sub"  ist kein eigenständiges Gerät und benötigt für den bestimmumgsgemäßen Betrieb den Anschluss von zusätzlichen Bauteilen bzw. Modulen, wie z.B. Trafo, Gleichrichtung, Siebung, Buchsen für Ein- und Ausgänge, Netz-Schalter, usw. um ein funktionsfähiges Gerät zu erhalten.