Nguyên lý hoạt động của bộ phân tần Crossover – P.2

Trong bài viết trước, chúng ta đã phần nào biết được ý nghĩa của mạch phân tần là như thế nào và sự so sánh sơ bộ giữa mạch phân tần chủ động và thụ động. Tuy vậy, bài viết đó chỉ dừng lại ở mức khái niệm chung chung và xem bộ phân tần như một chiếc “hộp đen” bí hiểm khiến cho không ít bạn đọc còn cảm thấy rất mù mờ, không biết cấu tạo cụ thể và nguyên tắc hoạt động của mạch phân tần như thế nào mà nó có thể giúp phân chia tín hiệu âm thanh thành các dải tần tách biệt như vậy. Trong bài tìm hiểu về cơ chế hoạt động của Crossver – P.2 này, tôi xin cùng các bạn, đặc biệt là những bạn mới bước chân vào thế giới âm thanh, cùng tiến hành mổ xẻ chiếc “hộp đen” trên để hiểu rõ hơn về mạch phân tần.

Một dạng mạch phân tần thụ động được tích hợp sẵn trong loa

Thông thường ta thường nghe thấy nói về mạch phân tần dạng chủ động và dạng bị động. Mạch phân tần chủ động nằm trước amply công suất, chúng chia tín hiệu âm thanh thành nhiều dải riêng biệt, mỗi dải được chuyển đến mộtamply công suất riêng. Mạch phân tần thụ động trái lại nằm sau amply công suất và nằm trước loa. Do nằm sau amply công suất nên mạch phân tần phải hoạt động ở mức tín hiệu đã được khuếch đại và chính vì thế các linh kiện phải có công suất lớn và mạch phân tần thụ động thường được tích hợp trong loa. Ngoài ra còn một dạng mạch phân tần nữa là dạng mạch phân tần thụ động hoạt động ở mức tín hiệu thấp chưa được khuếch đại nhằm tận dụng ưu điểm của hai mạch phân tần ở trên. Tuy vậy, mạch phân tần dạng này không được sử dụng phổ biến như hai loại trên. Trong phần này, chúng ta chỉ tập trung nói về mạch phân tần chủ động.

Trước khi đi sâu vào cấu tạo của mạch phân tần, ta cùng xem qua về những chiếc loa một chút. Nếu ta có một chiếc loa lý tưởng, có thể thể hiện được giải âm tần từ 20Hz-20kHz (dải âm tần mà tai người nghe được), ta sẽ không phải bận tâm đến việc dùng bộ phân tần và chắc cũng không cần quan tâm đến cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng. Tuy vậy, hiện tại, gần như không có một chiếc loa nào có thể đáp ứng được yêu cầu như vậy (ngay cả những chiếc loa được xem là toàn dải tốt nhất cũng thường chỉ đáp ứng được tốt trong phạm vi hẹp hơn nhiều: thường là 100Hz-10kHz).

Tại sao những chiếc loa lại không thể thực hiện được công việc tưởng chừng đơn giản như vậy? Lý do nằm ở chỗ để thể hiện được những âm thanh ở tần số thấp (thường từ trung trầm trở xuống) những chiếc loa cần có màng loa đủ lớn để di chuyển được một lượng không khí lớn (do âm trầm có bước sóng rất dài). Trái lại, để tái hiện tốt âm thanh ở tần số cao (từ trung cao trở lên), các loa lại đòi hỏi phải có màng loa đủ nhỏ để có thể di chuyển nhanh, đáp ứng được tốc độ theo đúng tần số rung lớn. Chính do hai yêu cầu hoàn toàn trái ngược trên mà các loa hầu như không thể đáp ứng cùng lúc được dải tần cao và thấp. Và do vậy, chúng ta cần phải sử nhiều loa khác nhau để phối hợp với nhau trong việc tái hiện lại toàn bộ dải tần âm thanh mong muốn. Đây chính là nguyên nhân khiến cho việc sử dụng mạch phân tần hiện nay gần như không thể tránh khỏi.

Quay trở lại với chiếc “hộp đen” của chúng ta. Nếu có dịp mở một chiếc loa và nhìn vào mạch phân tần thông thường, ta thường thấy có 3 loại linh kiện chính sau: tụ điện, cuộn cảm và điện trở. Các linh kiện này được lắp với nhau theo một cách rất phức tạp tạo nên một mạch điện mà ta thường gọi là mạch phân tần. Vậy nguyên tắc hoạt động của mỗi loại linh kiện trong mạch phân tần như thế nào sẽ từng bước được xem xét dưới đây:

Điện trở: Điện trở là một loại linh kiện tạo nên một sự cản trở nhất định đến dòng điện chạy qua chúng, do vậy dòng điện sau khi qua khỏi điện trở sẽ bị giảm điện thế. Khi được lắp trước loa, điện trở sẽ làm cho loa kêu nhỏ hơn. Do tính chất như thế, điện trở thường được dùng để điều chỉnh mức độ tiếng lớn nhỏ cho các loa. Chúng chỉ làm giảm mức tín hiệu âm thanh vào loa chứ không làm thay đổi dải tần của âm thanh.

Những chip điện trở sẽ hạn chế sự tăng đột ngột của dòng điện, hạn chế hư hỏng thiết bị

Cuộn cảm: Cuộn cảm là một cuộn dây, chúng có thể được quấn trên lõi sắt hoặc không có lõi gì (lõi không khí). Không như điện trở, cuộn cảm là một linh kiện có sự cản trở rất lớn với những tín hiệu ở tần số cao nhưng gần như không cản trở những tín hiệu ở tần số thấp (trong thực tế các cuộn cảm vẫn có điện trở thuần và do vậy cũng có thêm tác dụng như một điện trở nhỏ tuy không đáng kể). Tùy theo trị số (tính bằng Henry) mà cuộn cảm có tác dụng lọc bỏ tín hiệu từ một tần số nào đấy trở lên. Với cùng một độ lớn, cuộn cảm được quấn trên lõi sắt thường có số vòng dây ít hơn cuộn cảm lõi không khí. Tuy vậy, các cuộn cảm lõi sắt thường dễ bị bão hòa ở mức tín hiệu lớn và tạo ra hiện tượng méo âm.

Cuộn cảm hạn chế những tín hiệu tần số cao và giảm sự méo tiếng của âm thanh

Tụ điện: Có tác dụng trái ngược với cuộn cảm với dải tần âm thanh, tụ điện gây cản trở rất lớn đến tín hiệu âm thanh ở tần số thấp. Tùy theo trị số (tính bằng Farad) mà tụ điện có tác dụng lọc tín hiệu từ một tần số nào đó trở xuống.

Tụ điện thì có tính năng ngược lại với cuộn cảm, đó là hạn chế tín hiệu âm thanh ở tần số thấp

Ta hãy cùng xem xét một trường hợp cơ bản và rất thông dụng đó là trường hợp ta dùng 2 chiếc loa (một thể hiện dải trung – trầm, một thể hiện dải trung cao – cao) trong một thùng loa. Trong trường hợp này, tuy mạch phân tần có thể được cấu tạo rất phức tạp và vẫn được chúng ta quen gọi là mạch phân tần nhưng nếu xem xét kỹ, ta sẽ thấy chúng được cấu tạo từ 2 mạch cơ bản: mạch lọc thông thấp (lowpass) và mạch lọc thông cao (highpass). Hai mạch lọc này được mắc song song với nhau sau amply.

Mạch lọc thông thấp là mạch lọc loại bỏ phần âm thanh ở tần số cao trong khi vẫn duy trì không thay đổi dải âm ở tần số thấp. Cuộn cảm được đề cập ở trên có tác dụng lọc tần số cao và không thay đổi tần số thấp nên ta có thể hình dung là nếu được nối theo một cách thích hợp thì nó sẽ là một bộ phận chính trong mạch lọc thông thấp.

Mạch lọc thông cao thì ngược lại, chúng loại bỏ các tín hiệu có tần số thấp và cho các tín hiệu có tần số cao đi qua. Và một lần nữa ta thấy đây chính là trường hợp của tụ điện. Mạch lọc thông cao cơ bản chỉ bao gồm một tụ điện mà thôi.

Trong trường hợp phức tạp hơn một chút, loa thùng của chúng ta có thể có 3 củ loa, mỗi chiếc đảm nhận thể hiện âm thanh ở trong một dải nhất định. Trong trường hợp này, ngoài sự hiện diện của một mạch lọc thông cao và một mạch lọc thông thấp, ta còn thấy một mạch lọc gọi là “bandpass”. Mạch lọc này cho các tín hiệu phần tiếng trung đi qua còn phần tiếng treble và tiếng bass được loại bỏ.

Về cấu tạo, mạch lọc bandpass chính là sự kết hợp theo một cách phù hơp của một mạch lọc thông thấp với một mạch lọc thông cao. Tương tự ta có thể có tới 2 mạch lọc bandpass để chia nhỏ thêm dải tần hoạt động của mỗi loa nhưng thông thường ta hiếm khi thấy một thùng loa dùng nhiều hơn 4 loa (hoạt động ở 4 dải tần riêng biệt) do độ phức tạp của mạch phân tần đòi hỏi quá nhiều linh kiện. Đồng thời, khi dùng ba loa phụ trách ba dải riêng biệt thì gần như mỗi loa đã đáp ứng tốt dải tần của riêng chúng mà không cần chia nhỏ thêm nữa.

Khi nhắc đến mạch phân tần, ta không thể không nhắc đến tần số cắt. Tần số cắt là tần số, trong trường hợp lý tưởng, phân chia phạm vi hoạt động của hai loa. Loa trung trầm sẽ phụ trách dải tần số dưới tần số cắt, loa treble sẽ đảm trách tín hiệu từ tần số cắt trở lên.

Một khái niệm nữa là bậc của phân tần và độ dốc phân tần. Trong thực tế, hiện nay, việc có được điểm dừng cho loa đúng tại tần số cắt là không thể thực hiện được. Các loa đều phải hoạt động vượt qua ranh giới được quy định bởi tần số cắt. Khi vượt qua ranh giới này, mạch phân tần làm cho âm thanh phát ra từ chiếc loa giảm độ lớn từ từ. Tùy theo bậc phân tần mà tốc độ giảm độ lớn nhanh hay chậm được tính bằng dB/octave. Trong đó 1 octave là một khoảng tần số lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhau 2 lần (ví dụ từ 1kHz lên đến 2kHz là 1 octave hay từ 200Hz đến 400Hz là tăng 1 octave còn từ 200Hz đến 100Hz là giảm một octave). Như vậy, giả sử 2 chiếc loa có độ nhạy như nhau là 90dB, tần số cắt là 1kHz và công suất ra loa 1w, ta sẽ có bảng tương quan giữa tần số và độ lớn của âm thanh phát ra từ loa như sau:

Độ dốc Tần số
dB/octave 1kHz 2kHz 4kHz 8kHz
6 90 84 78 72
12 90 78 66 54
18 90 72 54 36
Độ lớn âm thanh của loa bass ở mức tín hiệu 1w/m (dB)

Độ dốc Tần số
dB/octave 1kHz 500Hz 250Hz 125Hz
6 90 84 78 72
12 90 78 66 54
18 90 72 54 36
Độ lớn âm thanh của loa treble ở mức tín hiệu 1w/m (dB)

Như vậy, độ dốc phân tần càng lớn thì loa càng ít phải hoạt động ngoài vùng làm việc được quy định bởi phân tần. Do vậy, nguy cơ méo tiếng được giảm đi đáng kể. Với mạch phân tần bậc 1 thì độ dốc là 6dB/octave, phân tần bậc hai có độ dốc là 12dB/octave, bậc 3 là 18dB/octave và cứ tiếp tục như vậy.

Bây giờ ta bắt đầu xem cách bố trí các linh kiện trong một phân tần là như thế nào. Bắt đầu từ phân tần bậc 1. Phân tần một có cấu tạo rất đơn giản, chỉ gồm có 1 mạch lọc thông thấp và một mạch lọc thông cao. Mạch lọc thông thấp chỉ gồm có một cuộn cảm để loại bỏ tín hiệu tần số cao đi vào loa bass . Trái lại, mạch lọc thông cao chỉ dùng 1 tụ điện để loại bỏ âm thanh tần số thấp vào loa treble.

Mạch phân tần bậc 2 sử dụng nhiều linh kiện hơn so với bậc 1. Với mạch lọc thông thấp, thay vì chỉ sử dụng một cuộn cảm mắc nối tiếp với loa như mạch phân tần bậc một, có thêm một tụ điện mắc song song với loa. cuộn cảm ngăn không cho các tín hiệu ở tần số cao đến loa, nếu vẫn chưa triệt để thì những tín hiệu tần số cao nào lọt qua được cuộn cảm sẽ được dẫn qua tụ xuống đường mass. Tương tự như vậy, mạch lọc thông cao sẽ sử dụng thêm một cuộn cảm mắc song song với loa treble để dẫn những tín hiệu tần số thấp nào vượt qua được tụ điện xuống đường mass.

Và như vậy chắc chúng ta cũng có thể hình dung ra mạch phân tần bậc 3 sẽ có thêm một linh kiện nữa. Với mạch lọc thông thấp sẽ có thêm một cuộn cảm nữa mắc nối tiếp với loa sau cuộn cảm và tụ như trong mạch bậc 2 và như thế tác dụng lọc tần số cao lại được tăng thêm. Với mạch lọc thông cao sẽ có thêm một tụ.

Với mạch phân tần bậc 4 thì thực chất ta có thể hiểu như mắc 2 mạch phân tần bậc 2 chồng lên nhau và tác dụng lọc lại được tăng lên.

Đến lúc này ta đã hiểu được cơ bản phần nào về mạch phân tần thụ động trong một chiếc loa, ta cũng biết được khả năng lọc của chúng có được từ đâu. Hy vọng là sau loạt bài này, chúng ta có thể tự tin hơn trong việc sửa chữa, thay thế linh kiện cho mạch phân tần đang có ở nhà hoặc xa hơn nữa là thiết kế một mạch phân tần cho riêng mình.

(sưu tầm)