Modyfikacje kolumn głośnikowych - wymiana cewek

Spośród typowych elementów pasywnych stosowanych w zwrotnicach głośnikowych (cewki, kondensatory, rezystory) to właśnie cewki indukcyjne wprowadzają największe zniekształcenia i najbardziej niekorzystne zjawiska pasożytnicze.

Wymiana cewek w zwrotnicy to typowy przykład z gatunku zamiany gorszych komponentów na lepsze. Niektóre decyzje dotyczące wyboru cewek do zwrotnicy mogą opierać się częściowo na subiektywnych ocenach odsłuchowych, co jest zupełnie naturalne. Przede wszystkim radzimy jednak aby przed jakąkolwiek zmianą uwzględnić aspekty techniczne.

Odważni, ale zarazem mało kompetentni modyfikatorzy chętnie przeprowadzają operację całkowitej wymiany cewek według bardzo prostej zasady: tanie elementy zastępują drogimi. Oznacza to na przykład wymianę cewek nawijanych cieńszym drutem na odpowiedniki nawinięte drutem grubszym czy też wymianę cewek drutowych na taśmowe. Zdecydowanie odradzamy takie eksperymenty. Brzmienie zapewne się zmieni, ale niekoniecznie na lepsze. Wymiana cewek na droższe odpowiedniki nie zawsze ma sens, czasami może przynieść wyraźne pogorszenie jakości kolumny. Wybór cewek do poszczególnych aplikacji należy analizować indywidualnie, w zależności od rodzajów porównywanych elementów i od ich funkcji w układzie. Tak więc nie wystarczy spisać wartości cewek i kupić droższe, teoretycznie lepsze odpowiedniki. Najpierw trzeba ustalić jaki jest schemat zwrotnicy i jakie są funkcje poszczególnych cewek.

Rodzaje i parametry cewek

Parametrem definiującym dla cewki jest jej indukcyjność. Z reguły w ramach modyfikacji indukcyjność nie jest zmieniana, ale napiszemy też dalej o możliwości odważniejszych posunięć, ze zmianą indukcyjności włącznie. Cewki mają też inne parametry. Spośród pomocniczych parametrów cewek najbardziej interesują nas trzy:
- Rezystancja cewki - zwykle jest traktowana jako wielkość pasożytnicza, ale rezystancja bywa też parametrem konstrukcyjnym
- Stałość indukcyjności w zależności od częstotliwości - oczywiście im mniejsze odchyłki tym lepiej
- Nasycanie cewek - dotyczy to cewek rdzeniowych i jest zjawiskiem niekorzystnym.

Cewki dzielimy na dwie zasadnicze grupy: powietrzne i rdzeniowe. Atutem cewek rdzeniowych jest możliwość uzyskania większej indukcyjności przy mniejszych rozmiarach. Cewki powietrzne o dużych indukcyjnościach i zarazem o umiarkowanej rezystancji drutu są niestety bardzo duże, bardzo ciężkie i w konsekwencji drogie. Cewki rdzeniowe mają jednak wady. Przy większych sygnałach rdzenie się nasycają, a cewki działają nieliniowo.

Niezależnie od rodzaju cewek, różne mogą być przekroje zastosowanego przewodnika (niemal zawsze jest to miedź). Większy przekrój pozwala zminimalizować rezystancję cewki. W cewkach rdzeniowych stosowane są różne rodzaje rdzeni, co też rzutuje na parametry.

Ogólne sugestie dotyczące wymiany cewek

Oprócz samej indukcyjności, także rezystancja cewek (obiegowo uważana za pasożytniczą) wpływa na dobroć układów, w których te cewki pracują. Mniejsza rezystancja to większa dobroć - to ogólna reguła. Od razu nasuwa się oczywisty wniosek, że ryzykownym posunięciem jest wymiana cewek we wszelkich układach rezonansowych, takich jak pułapki czy układy wyrównania impedancji. Wysoka rezystancja własna cewki jest w takich układach podstawowym parametrem konstrukcyjnym, a nie pasożytniczym. Oczywiście może być i tak, że w ramach modyfikacji ktoś chce celowo skorygować dobroć układu. Takie zmiany powinny być przeprowadzane przez osoby o znacznej wiedzy technicznej. Z tego samego powodu ryzykowne są zmiany cewek pracujących równolegle z głośnikami w filtrach górnoprzepustowych (głośniki wysokotonowe, średniotonowe). W takich filtrach z reguły stosowane są stosunkowo nieduże, drutowe cewki powietrzne. Bez głębszej analizy nie należy minimalizować rezystancji tych cewek. Szczególnie chcieliśmy przestrzec przed zmniejszaniem rezystancji cewek w filtrach górnoprzepustowych głośników średniotonowych. Cewki w tych filtrach mają zwykle sporą indukcyjność (kilka mH), ale często bywa, że są nawinięte cienkim drutem i mają sporą rezystancję. Minimalizacja tej rezystancji nie tylko może zmienić kształt zbocza filtru, ale jeszcze dodatkowo zmniejszyć impedancję kolumn i utrudnić pracę wzmacniacza.

Kiedy cewki są podłączone szeregowo w stosunku do głośników, czyli w filtrach dolnoprzepustowych, też mamy te same ogólne zasady dotyczące parametrów filtrów. Tu jednak dochodzą dodatkowe aspekty. Szeregowo włączone cewki wpływają też na współczynnik tłumienia głośnika w zakresie niskich tonów czy też na jego parametry Thiele-Small'a. Generalnie wymiana cewek podłączonych szeregowo do głośników basowych, średniotonowych i niskośredniotonowych daje najbardziej słyszalne zmiany. Zastosowanie cewki o niższej rezystancji zwykle owocuje polepszeniem dynamiki brzmienia.

Przy wymianie cewek bardzo przydatne jest też doświadczenie praktyczne. Porównując różne typy cewek można zaobserwować pewne powtarzalne prawidłowości. Co ciekawe - według naszych doświadczeń - cewki, które są bardzo podobne w sensie technicznym mogą dawać odmienne brzmienie (na przykład pochodzące od różnych producentów cewki taśmowe o zbliżonym przekroju). Tak więc znając skutki zamiany cewek można dobrać je stosownie do oczekiwań i nie działać na ślepo.

Zmiany wartości cewek

W typowych modyfikacjach wartość indukcyjności jest pozostawiana bez zmian. Z kolei całkowita przebudowa zwrotnicy z wykorzystaniem nowego schematu to zagadnienie z dziedziny konstrukcji, a nie zwykłej modyfikacji. Czy można pokusić się o zmianę wartości cewki w ramach modyfikacji przeprowadzanych bez głębszej analizy teoretycznej czy pomiarów?

Pomińmy kwestię ryzyka finansowego związanego z zakupem elementów. Przynajmniej dla niektórych schematów zwrotnic, zmiana wartości indukcyjności cewki nie jest tak egzotycznym rozwiązaniem jak by się mogło wydawać. W profesjonalnej działalności ostateczny wybór pomiędzy sąsiednimi wartościami (zwykle sąsiednimi w szeregu E12, rzadziej w szeregu E24, jeszcze rzadziej dobór jest prowadzony z większą precyzją) też bywa często owocem subiektywnej decyzji opartej na odsłuchach, na guście projektantów i na wyobrażeniu o tym czego oczekują klienci. Skoro nie ma gwarancji, że wartość zastosowana przez producenta jest faktycznie absolutnym optimum technicznym, to wybór wykonany przez użytkownika na podstawie odsłuchu nie musi być traktowany jako techniczny nonsens. Widzimy zwłaszcza jedną sytuację, kiedy amatorska zmiana wartości cewki ma szanse powodzenia. Chodzi o filtr dolnoprzepustowy działający w pobliżu przełomu średnich i wysokich tonów, w którym szeregowo z głośnikiem pracuje pojedyncza cewka. Filtry takie pracują z głośnikiem niskośredniotonowym w kolumnach dwudrożnych, lub też z głośnikiem średniotonowym w kolumnach trójdrożnych. Kolumn spełniających ten warunek jest całkiem sporo. Zmniejszenie wartości indukcyjności spowoduje ożywienie, rozjaśnienie brzmienia i wyeksponowanie przełomu średnich/wysokich tonów. Z kolei cewka o większej indukcyjności złagodzi i uspokoi brzmienie. Wbrew oczekiwaniom wielu osób, to właśnie zmiana cewki, a nie ściszenie czy zgłośnienie głośnika wysokotonowego może odpowiednio rozjaśnić czy złagodzić brzmienie. Zresztą w przypadku poważniejszej korekty równowagi tonalnej, zmiana cewki może być przeprowadzona równolegle ze zmianą głośności głośnika wysokotonowego. O ile w zwrotnicach z pojedynczą cewką pracującą szeregowo z głośnikiem takie eksperymety nie powinny nastręczać problemów, to w przypadku bardziej skomplikowanych schematów zwrotnic rośnie ryzyko, że zmiana wartości cewek poważnie wypaczy charakterystykę przenoszenia kolumny. Wówczas zmiany wartości stosowanych cewek powinny być prowadzone w sposób bardziej fachowy, poparty obliczeniami i/lub pomiarami.

Skutki uboczne

Przy radykalnych modyfikacjach nowe elementy mogą mieć znacząco inną objętość aniżeli elementy zastosowane pierwotnie. Czasami zwrotnica znajduje się w osobnej, izolowanej komorze i objętość elementów nie wpływa na pracę głośników. Większość zwrotnic jest jednak montowana w objętości komory głośnika. Większe elementy zmniejszają wówczas roboczą objętość kolumny. Czy jest to istotne? O ile w dużych, podłogowych zestawach korekta rzędu kilku dziesiątych litra może być uznana za pomijalną, to w mniejszych kolumnach, o objętościach rzędu kilkunastu litrów i mniej, taka zmiana ma znaczenie. Ale jest spora szansa, że w praktyce kłopoty nie wystąpią. Czemu? Jeśli zastosujemy duże cewki włączone szeregowo z głośnikami niskotonowymi, to będą one miały mniejszą rezystancję, co z kolei spowoduje obniżenie Qts głośnika i w konsekwencji nieznaczną korektę w dół wymaganej objętości obudowy. Trudno oczekiwać aby wszystko się precyzyjnie zgrało, ale można liczyć, że odstrojenie bass-reflexu będzie zbyt małe aby je zauważyć. W obudowach zamkniętych problem praktycznie można zignorować. Zmniejszenie objętości tylko nieznacznie podwyższy dobroć, a gdyby było to słyszalne, można zaaplikować dodatkowy materiał tłumiący w objętości skrzynki.

Uwaga na technikę montażu

Przy montażu wszelkich cewek powietrznych można popełnić dość prosty błąd. Chodzi o mocowanie przy pomocy śruby przechodzącej przez oś cewki. Metalowa śruba spełni w tym przypadku rolę rdzenia i zwiększy indukcyjność. Tak więc nie należy używać do montażu metalowych śrub przechodzących przez cewkę.

Przepływający przez cewki prąd powoduje powstawanie wokoło pola elektromagnetycznego. To pole będzie indukować przepływ prądu w innych cewkach znajdujących się w pobliżu. Nie jest to może jakieś szczególnie szkodliwe zjawisko, ale jednak warto je redukować. Możemy w tym celu stosować dwie techniki. Po pierwsze w miarę możliwości oddalać cewki tak bardzo jak na to pozwala geometria płyty montażowej. Po drugie ustawiać cewki prostopadle do siebie. Dopóki mamy w zwrotnicy nie więcej niż trzy cewki to możemy je ustawić tak by wszystkie były względem siebie prostopadłe. Kiedy liczba cewek w zwrotnicy wynosi cztery lub więcej, to wzajemnie prostopadłe ustawienie wszystkich już nie będzie możliwe.