Bobine di arresto per altoparlanti
Se si desidera tenere i toni o le frequenze alte lontane dai midrange e dai woofer perché non devono più trasmetterli, allora si inserisce una bobina nel loro percorso di segnale. Tali bobine sono costituite da fili di rame strettamente avvolti e rivestiti di vernice isolante e riducono la corrente alternata che li attraversa a seconda della loro frequenza. L'aumento della resistenza alle alte frequenze è causato dal campo magnetico che ogni conduttore elettrico costruisce intorno a sé quando viene attraversato dalla corrente. Quando il flusso di corrente cambia, il campo magnetico induce una tensione opposta nel conduttore, come il filo della bobina. Se il conduttore è attraversato da corrente alternata, il suo flusso cambia nel tempo con la frequenza; all'aumentare della frequenza, la controtensione indotta aumenta e con essa la resistenza del conduttore o del filo della bobina.
Questa proprietà, nota come induttanza, aumenta nelle bobine con il numero di avvolgimenti. L'unità di misura dell'induttanza, che prende il nome da un fisico americano, è Henry (H), ma per gli altoparlanti sono necessari solo millesimi di questa unità di misura e quindi si parla di milli Henry (mH). Per limitare il campo di applicazione dei midrange o dei woofer alle frequenze più alte, l'induttanza necessaria viene calcolata con la seguente equazione:
mH
L sta per l'induttanza della bobina richiesta, Z per l'impedenza dell'altoparlante in ohm, Pi per il numero del cerchio 3,14 e fc per la frequenza di crossover desiderata in Hertz, alla quale l'attenuazione del livello è già di 3 dB.
Esempio: un woofer con impedenza o resistenza nominale di 8 Ohm, da utilizzare solo fino a 300 Hz, richiede una bobina di circa 4,3 milli Henry.
Tipico effetto di un induttore sul livello (in decibel) e sulla resistenza CA (in ohm) in funzione della frequenza della corrente CA (in hertz).
Tuttavia, l'induttanza è solo uno degli effetti delle bobine choke e, per trovare la bobina ottimale per il rispettivo scopo, è utile conoscere le proprietà che possono influenzare la capacità di carico, il suono e il prezzo delle bobine.
Impedenza della bobina
L'impedenza totale di una bobina è costituita principalmente dalla resistenza in corrente continua e in corrente alternata, con quest'ultima che aumenta all'aumentare della frequenza e dell'induttanza della bobina. La corrente alternata o
reattanza di una bobina non è una variabile fissa e facilmente calcolabile a causa degli sfasamenti tra corrente e tensione. Piuttosto, è determinata da tutte le resistenze della catena di misura, cioè dalle bobine mobili del telaio dell'altoparlante, dalle resistenze fisse del crossover e dalle resistenze di perdita dei cavi di collegamento tra l'amplificatore e gli altoparlanti.
Resistenza alla corrente continua
La resistenza ohmica e non induttiva del lungo filo di rame di una bobina di arresto riduce la corrente condotta all'altoparlante indipendentemente dalla frequenza e comporta una perdita di potenza. Se la resistenza in corrente continua è pari al 20% dell'impedenza del diffusore, un terzo della potenza erogata dall'amplificatore viene letteralmente bruciata nel filo della bobina. Su 100 watt, ne rimangono solo circa 65, chiaramente udibili. Per non essere udibile, la resistenza in corrente continua di una bobina non dovrebbe superare il 10% dell'impedenza del diffusore, vale a dire 0,8 Ohm quando si utilizzano diffusori da 8 Ohm. A ciò si aggiungono le perdite del cavo lungo un metro tra l'amplificatore e il diffusore, nonché le resistenze di transizione, solitamente inosservate, ai terminali delle uscite dell'amplificatore, alle estremità o alle spine ossidate del cavo e ai terminali dei diffusori.
Se volete davvero ridurre al minimo le perdite, dovreste pulire di tanto in tanto le connessioni e i contatti dei cavi e ammettere solo una resistenza CC di circa 0,4 ohm nelle bobine choke davanti ai woofer. Ma come si fa a realizzarlo?
Un filo più spesso riduce la resistenza CC di una bobina. Utilizzando spessori compresi tra 1,6 e 0,8 mm, il diagramma (2) illustra la relazione utilizzando l'esempio di una bobina choke con induttanza di 1,0 mH. La curva inferiore indica già che le cosiddette bobine con nucleo hanno resistenze di perdita molto più basse.
Le grandi induttanze richiedono un numero maggiore di avvolgimenti e un filo più lungo rispetto a quelle piccole, perché per raddoppiare l'induttanza dello stesso tipo di bobina, il numero di avvolgimenti deve essere aumentato della radice quadrata di 2, cioè di 1,41 volte. Le bobine convenzionali a nucleo d'aria con filo di rame di 2 mm di spessore possono arrivare a un'induttanza di 0,4 ohm fino a 4 mH e sono comunque piuttosto grandi, pesanti e costose.
Le bobine a nucleo, invece, hanno una lunghezza del filo inferiore e quindi perdite più basse rispetto alle bobine a nucleo d'aria, come mostra il diagramma (3).
Le caratteristiche speciali delle bobine a nucleo
Il materiale magnetizzabile all'interno o intorno alla bobina ne aumenta l'induttanza di molte volte, motivo per cui il filo può essere più corto di quello di una bobina con nucleo in aria per ottenere la stessa induttanza. Esistono fondamentalmente tre diversi tipi di nucleo:
Nuclei di ferrite (ferrobar) in ceramica magnetizzabile ma elettricamente non conduttiva,
nuclei in polvere di polvere di ferro, mantenuti permanentemente in forma da agenti leganti,
nuclei di corobar, realizzati con una miscela di polveri cristalline
Nuclei di trasformatori costituiti da strisce di lamiera laminata, che consistono principalmente di ferro. Dal punto di vista magnetico, i nuclei dei trasformatori sono molto più efficaci di quelli in ferrite, ma sono anche più pesanti e 
più costosi.
Un punto debole delle bobine a nucleo risiede nella cosiddetta remanenza, una sorta di effetto memoria dei materiali magnetizzabili: se la bobina di filo di rame attraverso cui scorre la corrente ha magnetizzato il nucleo della bobina, quest'ultimo conserva parte della sua magnetizzazione anche dopo la cessazione dell'eccitazione. Ciò provoca distorsioni non lineari, soprattutto sotto forma di K3, il che significa che le bobine 
aggiungono una percentuale pari a tre volte la frequenza ai segnali di corrente alternata
che le attraversano. Anche gli altoparlanti producono K3, soprattutto nella gamma dei bassi, che può superare il 5% ad alti livelli e a frequenze molto basse, ma raramente supera l'1% nella gamma dei bassi superiori. Se possibile, le bobine di arresto non dovrebbero aggiungere ulteriore distorsione. A livelli di potenza dell'amplificatore 
inferiori a 50 watt, le tipiche bobine con nucleo in ferrite sono modeste, con una distorsione fondamentale difficilmente superiore allo 0,1%, le bobine con nucleo a trasformatore di solito si aggirano intorno allo 0,3% e le bobine con nucleo in polvere si collocano nel mezzo. Questi valori non sono allarmanti. Solo le bobine con nucleo a trasformatore con i cosiddetti nuclei EI tagliati a bassa perdita (zero ohm) generano un K3 inaccettabile fino all'1% anche ai livelli di potenza più bassi. L'1% di K3 può già essere udibile e rappresenta il limite di accettabilità: la distorsione della bobina non dovrebbe mai salire oltre, ma lo farà se le correnti sono troppo elevate. La capacità limitata delle bobine di elaborare correnti arbitrariamente elevate senza problemi è legata al fenomeno della saturazione.
Saturazione del nucleo
Con l'aumento del flusso di corrente, il campo magnetico generato intorno alle bobine diventa più forte. Tuttavia, i materiali del nucleo consentono solo un'intensità di campo magnetico massima fino a quando non si saturano e non riescono più a resistere. Le leghe di ferro possono sopportare intensità di campo da cinque a dieci volte superiori a quelle delle ferriti. Oltre il limite di saturazione, le distorsioni di molti nuclei salgono alle stelle.
Saturazione e impedenza
I diffusori con un'impedenza di 4 ohm assorbono dall'amplificatore il doppio della corrente rispetto ai diffusori da 8 ohm con la stessa impostazione del volume. Tuttavia, le bobine di arresto davanti ai woofer da 4 ohm si saturano a metà della potenza. Naturalmente, questo vale anche per due diffusori per bassi collegati in parallelo, ciascuno con 8 ohm. A seconda del progetto del crossover, l'impedenza può scendere molto al di sotto degli 8 ohm anche con un solo woofer da 8 ohm nei bassi e richiedere una bobina più potente. D'altra parte, con la metà dell'impedenza del diffusore, è necessaria solo la metà dell'induttanza per ottenere la stessa attenuazione delle frequenze più alte, ad esempio da 2,2 a 2,7 mH invece di 4,7 mH. Il limite di saturazione delle bobine, come la massima potenza di amplificazione consentita in watt per l'1% di K3, rimane in definitiva lo stesso se l'impedenza e l'induttanza vengono dimezzate o raddoppiate insieme. Come promemoria: 1% K3 significa che al segnale originale viene aggiunto l'1% di tre volte la frequenza, il che può essere udibile.
Saturazione e frequenza
Risonanze meccaniche della bobina
Il filo avvolto della bobina, ma anche i nuclei in ferrite o ferro, possono iniziare a vibrare meccanicamente e provocare risonanze della bobina, di solito a frequenze medio-alte. L'incollaggio, l'incollaggio o l'impregnazione con resina sintetica possono ridurre significativamente le vibrazioni indesiderate negli avvolgimenti.
Microfonia
Le onde di pressione generate dall'altoparlante all'interno della cassa provocano la vibrazione del crossover e dei suoi componenti, che può influire sull'elaborazione del segnale e sul suono. Un alloggiamento secondario per il crossover, ossia un piccolo alloggiamento separato nel mobile del diffusore, nonché l'incollaggio, l'incollaggio e l'avvitamento dei componenti e della scheda di circuito possono contribuire a prevenire questo fenomeno.
Correnti parassite
Nei materiali elettricamente conduttivi come il ferro, i campi magnetici generano correnti elettriche, le cosiddette correnti parassite. Purtroppo, queste correnti influenzano le proprietà magnetiche del materiale. Nelle bobine, questo porterebbe a perdite e distorsioni. Per contrastare questo fenomeno, nelle bobine dei nuclei dei trasformatori vengono stratificate sottili strisce di lamiera isolate elettricamente l'una dall'altra. Nei nuclei in polvere (Corobar, Ferrobar), invece, il legante isola elettricamente le particelle di ferro l'una dall'altra e riduce la formazione di correnti parassite. I nuclei in ferrite (Ferrobar), invece, sono elettricamente non conduttivi e non producono distorsioni da correnti parassite.
Quanti watt possono sopportare?
Per sapere quanta potenza ci si può aspettare dalle varie bobine, si può misurare il loro limite di saturazione per l'1% di K3. A tale scopo, abbiamo utilizzato diverse versioni con 4,7 mH, un'induttanza tipica per gli altoparlanti dei bassi nei diffusori a tre vie con impedenza di 8 Ohm. Il diagramma 8 illustra il risultato.
La scala di sinistra mostra la pressione sonora in decibel che ci si può aspettare da un diffusore hi-fi a un metro di distanza; alla consueta distanza di ascolto di tre o quattro metri, la pressione sonora nel soggiorno è ovviamente molto più bassa.
La scala a destra indica la potenza di saturazione calcolata in watt a 8 ohm e il tipo di bobina.
Le bobine la cui denominazione inizia con HQ, DR o P hanno nuclei in ferrobar di diversi tipi, CO sta per bobina con nucleo in polvere corrobar, TO per torobar con nucleo toroidale e le altre bobine più potenti utilizzano nuclei in lamierino da trasformatore.
Per chi volesse saperne di più, la Tabella 1 mostra la tensione, la corrente e la potenza di amplificazione a 8 ohm che le bobine del diagramma 8 sono in grado di gestire con bassa distorsione a impulsi elevati.
Tabella 1 Limiti di saturazione delle bobine a nucleo con 4,7 mH
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Tipo di bobina |
Bobina Rdc |
Z a 100 Hz (1) |
Tensione per 1% K3 (1) |
Corrente per 1% K3 (2) |
Pmax su 8 Ω (2) |
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Bobine con nucleo in ferrite |
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HQS 32/26 |
2,31 Ω |
10,83 Ω |
21,5 V |
2,0 A |
32 watt |
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HQG 52/36 |
0,40 Ω |
8,99 Ω |
29,1 V |
3,3 A |
87 watt |
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HQ 43/45 |
0,47 Ω |
9,02 Ω |
33,6 V |
3,7 A |
110 watt |
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HQ 58/46 |
0,19 Ω |
8,81 Ω |
37,5 V |
4,3 A |
148 watt |
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DR 56/35 |
0,33 Ω |
8,86 Ω |
43,0 V |
4,9 A |
192 watt |
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HQP 56/35 |
0,47 Ω |
9,02 Ω |
50,6 V |
5,6 A |
251 watt |
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HQP 62/47 |
0,32 Ω |
9,08 Ω |
50,5 V |
5,6 A |
251 watt |
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DR 56/61 |
0,21 Ω |
8,97 Ω |
52,5 V |
5,9 A |
278 Watt |
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Bobine con nucleo in polvere Corrobar |
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COT 92/39 |
0,55 Ω |
9,31 Ω |
139,4 V |
15,0 A |
1.800 watt |
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COT 92/39 |
0,52 Ω |
9,10 Ω |
139,4 V |
15,3 A |
1,877 watt |
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Bobina toroidale Torrobar |
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T 010 |
0,20 Ω |
8,72 Ω |
94,4 V |
10,8 A |
933 watt |
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Bobine del trasformatore |
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I 78 |
0,76 Ω |
9,52 Ω |
74,4 V |
7,8 A |
487 watt |
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I 96 |
0,58 Ω |
9,08 Ω |
96,4 V |
10,6 A |
899 watt |
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I 130 |
0,26 Ω |
9,02 Ω |
125,8 V |
13,9 A |
1,546 watt |
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I 150 |
0,20 Ω |
8,96 Ω |
>141,4 V |
>15,8 A |
>2.000 watt |
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FE 96 |
0,18 Ω |
8,82 Ω |
141,4 V |
16,0 A |
>2.000 watt |
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FE 130 |
0,08 Ω |
8,81 Ω |
>141,4 V |
>16,0 A |
>2.000 watt |
(1) Valori misurati incluso 8 Resistenza di carico Ω
(2) Valori calcolati in base ai dati misurati
Anche le bobine a nucleo di ferrite economiche con un massimo di 4,7 mH sembrano essere in grado di sopportare una grande potenza, ma va notato che in questo caso non si deve tenere conto della potenza continua, ma della potenza impulsiva dell'amplificatore collegato. Gli amplificatori possono erogare circa il doppio della loro potenza continua o nominale per brevi periodi. Gli altoparlanti per bassi sono in grado di gestire tali picchi di potenza e anche le induttanze adatte dovrebbero essere in grado di farlo.
Procedura :
Per determinare i limiti di saturazione, ogni bobina è stata collegata in serie a un resistore di 8 ohm e poi all'uscita dell'amplificatore. L'ingresso dell'amplificatore ha ricevuto un segnale sinusoidale a 100 Hz e la tensione di uscita è stata aumentata fino a quando il K3 non ha raggiunto esattamente l'1,0%. L'impedenza complessa della bobina e del resistore fisso è stata quindi misurata a 100 Hz. La corrente di saturazione e la corrispondente potenza dell'amplificatore a 8 Ohm sono state calcolate in base alla tensione e all'impedenza misurate. Per i diffusori da 4 Ohm, invece, questa potenza deve essere dimezzata.
La seguente Tabella 2 aiuta a trasferire approssimativamente il limite di potenza delle bobine elencate nel Diagramma 8 con 4,7 mH ad altri induttori dello stesso tipo.
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| Tabella 2: Saturazione e induttanza dell'HQP 56/35 | |
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| 1,0 mH | 4,70 x Pmax1 | 1.175 watt |
| 1,5 mH | 3,13 x Pmax1 | 782 watt |
| 2,2 mH | 2,14 x Pmax1 | 535 watt |
| 2,7 mH | 1,74 x Pmax1 | 435 watt |
| 3,3 mH | 1,42 x Pmax1 | 355 watt |
| 3,9 mH | 1,21 x Pmax1 | 302 watt |
| 4,7 mH | ---- x Pmax1 |
250 watt |
| 5,6 mH | 0,84 x Pmax1 | 210 watt |
| 6,8 mH | 0,69 x Pmax1 | 172 watt |
| 8,2 mH | 0,57 x Pmax1 | 142 watt |
| 10,0 mH | 0,47 x Pmax1 | 117 watt |
| 15,0 mH | 0,31 x Pmax1 | 77 watt |
| 22,0 mH | 0,21 x Pmax1 | 52 watt |
| 27,0 mH | 0,17 x Pmax1 | 42 watt |
| 33,0 mH | 0,14 x Pmax1 | 35 watt |
Esempio:
Per il tipo di bobina HQP 56/35 con 4,7 mH, è stata determinata una potenza massima di 250 watt per l'1% K3 a 8 ohm. Con soli 2,7 mH sarebbe quindi possibile ottenere 435 watt, con 8,2 mH solo 142 watt. Le bobine con un'induttanza significativamente inferiore a quella misurata (qui 4,7 mH) spesso tollerano una potenza leggermente superiore a quella calcolata, mentre le bobine con nucleo in ferrite con induttanze più elevate (ad esempio 10 mH) di solito si saturano con una potenza inferiore a quella prevista.
Excursus: Induttanza rispetto alla saturazione
Se si misura la corrente di saturazione di un induttore, la corrente massima (Is2) per l'1% K3 di altri induttori dello stesso tipo di bobina può essere determinata approssimativamente come segue:
Is2 = -
Is1 ; Ampere
L'induttanza della bobina misurata deve essere inserita per L1 e la sua corrente di saturazione determinata per Is1, mentre L2 rappresenta qualsiasi induttanza dello stesso tipo di bobina.
Se l'induttanza di una bobina viene dimezzata, la sua corrente di saturazione aumenta della radice quadrata di 2 fino a 1,41 volte il valore originale. Tuttavia, la pratica dimostra che può esserci una differenza di oltre il 10% tra le misure e i calcoli. Le bobine con nucleo in ferrite di solito sopportano una corrente inferiore a quella calcolata con l'aumentare dell'induttanza, mentre quelle con nucleo in polvere o in fogli di trasformatore possono spesso tollerare correnti leggermente superiori a quelle calcolate fino a raggiungere la saturazione.
Il limite di potenza di un induttore più piccolo o più grande può essere calcolato approssimativamente come segue:
Pmax2 = 
- Pmax1 ; Watt
L'induttanza della bobina misurata deve essere utilizzata per L1 e Pmax1 il suo limite di potenza determinato, mentre L2 rappresenta qualsiasi induttanza dello stesso tipo di bobina. Di conseguenza, la potenza per una distorsione dell'1% si dimezza quando l'induttanza viene raddoppiata.
Oltre alle induttanze da 4,7 mH elencate nel diagramma 8, sono state testate anche induttanze più grandi e più piccole e numerose bobine di altri produttori. In alcuni casi i risultati sono stati sorprendenti: nonostante le proprietà ottiche e tattili simili, alcuni tolleravano solo un quinto della potenza delle bobine qui elencate. Il motivo principale è probabilmente da ricercare nei materiali del nucleo, poiché le proprietà magnetiche delle varie ferriti, polveri di ferro e fogli di trasformatore possono essere molto diverse tra loro, cosa che non si può riconoscere a occhio nudo. Anche le bobine di rinomati produttori tedeschi hanno mostrato dei punti deboli, ad esempio perché il loro filo di rame era semplicemente avvolto su nuclei a forma di tondino senza un supporto di plastica stabilizzante, in modo da potersi allentare nel tempo a causa delle vibrazioni nel cabinet del diffusore. Inoltre, i nuclei ferrosi non erano sempre rivestiti di lacca per evitare la ruggine.
Raccomandazioni per le bobine
Le perdite udibili possono essere evitate rimuovendo regolarmente gli strati di ossido e di sporcizia da tutti i punti di contatto tra l'amplificatore e il telaio dei singoli diffusori e scegliendo bobine di arresto per i woofer la cui resistenza in corrente continua non superi il 5% dell'impedenza dei diffusori. I filtri passa-basso per gli altoparlanti dei diffusori a tre vie traggono vantaggio dalle bobine a nucleo perché sono più piccole e più economiche delle bobine a nucleo d'aria a bassa perdita. Tuttavia, questo vale solo se le bobine a nucleo non sono completamente sovradimensionate. Se invece sono sottodimensionate, la distorsione udibile si produce con impulsi potenti. La tabella 3 mostra il tipo di bobina di Intertechnik più adatto per i woofer da 8 ohm in termini di dimensioni e prezzo, a seconda dell'induttanza e della gestione della potenza. Per i diffusori con un'impedenza di 4 ohm, tuttavia, la potenza specificata dovrebbe essere dimezzata.
Tabella 3: Bobine ottimali con una Rdc di max. 0,40 Ω
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Induttanza |
Capacità di carico ad impulsi min.200 watt a 8 ohm |
Capacità di carico a impulsi min. 500 watt a 8 ohm |
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1,5 mH |
HQ 40/30/095 |
I 78/150/095 |
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2,2 mH |
HQ 40/30/095 |
I 78/220/085 |
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2,7 mH |
HQ 40/30/095 |
I 78/270/085 |
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3,3 mH |
HQP 56/3,3/118 |
I 130/3.3/132 |
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3,9 mH |
P 62/390/140 |
I 130/3.9/132 |
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4,7 mH |
P 62/470/140 |
I 130/4.7/132 |
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5,6 mH |
DR 56/5,6/118 |
I 130/5.6/132 |
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6,8 mH |
TO 10/6,8 |
I 150-6,8-160 |
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8,2 mH |
A 10/8,2 |
I 150-8,2-160 |
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10,0 mH |
TO 10/10 |
I 150-10-160 |
Bobine per altre applicazioni di altoparlanti
Un'induttanza di grandi dimensioni non è sempre collegata in serie al woofer, ma talvolta anche in parallelo ad esso, al fine di smussare la curva di impedenza nei bassi. Ciò richiede solitamente induttanze superiori a 10 mH, il cui limite di saturazione dovrebbe essere simile a quello delle bobine collegate in serie al woofer.
Tuttavia, una bassa resistenza in corrente continua non è quasi necessaria a questo scopo, ed è per questo che per la linearizzazione dell'impedenza dei woofer si consigliano i tipi di bobine CO44 e CO55, molto resistenti, con un'impedenza leggermente superiore e soprattutto meno costosi.
Anche i filtri passa-alto per gli altoparlanti di gamma media richiedono spesso induttanze piuttosto grandi in parallelo con il telaio dell'altoparlante. Tuttavia, i condensatori a monte riducono l'energia dei bassi, cosicché le bobine dei midrange devono sopportare solo la metà di quelle dei woofer. Inoltre, la loro resistenza in corrente continua può facilmente superare il 5% dell'impedenza dell'altoparlante, il che rende la scelta della bobina molto più semplice. La situazione è simile a quella dei crossover per i tweeter, in cui le induttanze collegate in parallelo all'altoparlante devono gestire solo correnti basse, per le quali di solito sono sufficienti piccole bobine a nucleo d'aria. Tuttavia, più alta è la resistenza in corrente continua, più grande deve essere la struttura della bobina per ridurre al minimo il rischio di accumulo di calore e la conseguente fusione della vernice isolante sul filo di rame. A differenza del resistore induttivo (a corrente alternata), il resistore ohmico (a corrente continua) brucia letteralmente parte della potenza dell'amplificatore che lo attraversa.
Le bobine a nucleo d'aria, praticamente prive di distorsione, sono ideali anche per smorzare le alte frequenze nei midrange. Per i woofer e i midrange nei sistemi a due vie, tuttavia, il filo delle bobine d'aria utilizzate come filtri passa-basso dovrebbe essere il più spesso e a bassa perdita possibile, in modo che la loro resistenza in corrente continua non superi il 5% dell'impedenza dell'altoparlante, perché, per prima cosa, i woofer sono di solito 6 dB più silenziosi nella gamma bassa rispetto alla gamma media quando sono collocati in un normale cabinet invece che su un'enorme parete, come è preferito dai produttori per le risposte in frequenza delle brochure. In secondo luogo, una resistenza ohmica in serie pari al 10% dell'impedenza del diffusore riduce già di un quinto la potenza disponibile dell'amplificatore, una con il 20% addirittura di un terzo.
Berndt Stark
