Audio : Filtre Actif Linkwitz-Riley Modulaire

 

Audio : Filtre Actif Linkwitz-Riley Modulaire

 

Ce nouveau projet est la pièce maîtresse pour une future évolution de mon système audio. Il poursuit les buts suivants :

• alimenter des enceintes à 3 voies + 1 caisson de graves
• remplacer un filtre passif par un filtre actif à 24db/octave modulaire

Cet article fait suite à ceux que j'ai déjà publié ici, consacrés à l'audio :

Amplificateur TPA3116 classe D 2.1

Amplificateur STA508 classe T 2x50W

Amplificateur Stéréo LM3886 2x40W

Amplificateur mono TAS5630 classe D 150W

Caisson de basses ONKEN

Enceinte Supravox 215 RTF64

1. Introduction

Pourquoi un filtre modulaire ? chaque filtre passe-haut et passe-bas est un module enfichable sur une carte d'accueil. On peut ainsi adapter le nombre de voies à sa convenance, 1, 2 ou 3 voies, avec ou sans caisson(s) de graves.

A l'aide de ce filtre il est tout à fait possible d'ajouter un caisson de graves DIY passif à une paire d'enceintes du commerce, sans les modifier, si possible en conservant son amplificateur de puissance, en ajoutant simplement un amplificateur mono : le système devient donc un 2.1.

Il est également possible de fabriquer une paire d'enceintes 2 ou 3 voies et d'ajouter ce filtre actif avec 2 ou 3 amplificateurs pour piloter le tout, avec éventuellement un caisson de graves et son amplificateur mono.

Si l'on ne se sent pas trop à l'aise dans le domaine de la construction d'enceintes, de nombreux kits d'enceintes existent sur le marché, qu'il s'agisse de kits complets, avec ou sans ébénisterie, avec ou sans filtre :

• Tout Le Haut-Parleur
• Troels Gravesen
• Audiophonics 

Il est souvent possible d'acheter les haut-parleurs seuls, sans filtre passif. Sur une paire d'enceintes 3 voies il n'est pas rare que le filtre passif coûte plus de 300€ la paire. Cet argent pourra être investi plus intelligemment dans un système multi-amplifié, composé d'un filtre actif et de quelques petits amplificateurs de puissance, qui coûtent une centaine d'euros chacun si on les réalise soi-même à partir de cartes toutes faites :

Amplificateur STA508 classe T 2x50W

Amplificateur Stéréo LM3886 2x40W

Amplificateur mono TAS5630 classe D 150W

Voir plus bas : 3.1. Avantages de la multi-amplification

2. Le projet

2.1. Parlons nombre de voies

Ce filtre actif comporte 4 voies :

• graves (stéréo, peut être mixée en 1 voie mono)
• basses
• médium
• aigus

On peut envisager plusieurs configurations :

• stéréo + caisson de graves
• 2 voies
• 2 voies + caisson de graves
• 3 voies
• 3 voies + caisson de graves
• 4 voies

Dans le cas d'une enceinte 2 voies, nous n'avons guère le choix, la fréquence de coupure sera très probablement située dans la bande des 500Hz à 5000Hz. On peut améliorer les choses en ajoutant un caisson de graves, chargé de soulager les haut-parleurs de basses et bas-médium en leur évitant les fréquences très basses (en dessous de 100Hz), qui provoquent des déplacements importants des membranes à volume élevé et des distorsions d'intermodulation dans le médium.

D'un point de vue audition, la restitution des fréquences les plus sensibles de 500Hz à 5000Hz doit dans la mesure du possible être confiée à une seule paire de haut-parleurs médiums, sans coupure. Cela conduit très souvent à une configuration à 3 voies. Comme dans le cas d'une enceinte à 2 voies, l'ajout d'un caisson de graves aura les mêmes effets bénéfiques.

Une configuration à 3 voies + 2 caissons de graves aurait peu de sens, car en dessous de 100Hz l'effet stéréo est peu présent, à moins d'adopter une fréquence de coupure supérieure à 100Hz pour les caissons, afin de profiter d'un effet stéréo dans le grave.

Dans ce cas, pourquoi ne pas adopter des haut-parleurs de graves capables de monter jusqu'à 500Hz, et se limiter à 3 voies ? Ce n'est pas si simple. Les woofers capables de monter jusqu'à 500Hz sont rares et chers. La membrane doit être rigide et légère. On peut citer un exemple : l'exceptionnel Altec 416-8A équipé d'une membrane très rigide et légère, 42g, alors que la plupart des 38cm ont une membrane avoisinant les 100g. C'est le cas de mon BEYMA 15MC500.

Le fractionnement (ou résonance de membrane) désigne le phénomène physique par lequel la membrane d'un haut-parleur ne se déplace plus de manière parfaitement rigide et homogène (comme un piston), mais commence à se déformer, se tordre ou vibrer de façon indépendante selon des zones différentes à haute fréquence.

Afin de limiter le phénomène de fractionnement avec des haut-parleurs de graves ayant une masse mobile de 100g, il est souvent judicieux de limiter la bande passante à 250Hz à 300Hz, mais il y a des exceptions, comme le TAD TL-1601 (1500€), ou le Supravox 400-2000 (1350€), qui sont capables de grimper à 500Hz.

Sinon, cela conduit bien souvent à une enceinte à 4 voies.

On pourrait par exemple citer les enceintes vintage JBL 4350, équipées de 2 haut-parleurs de 38cm, un 30cm, une chambre à compression, et un tweeter à compression, avec des fréquences de coupure de 250Hz, 1100Hz et 9500Hz.

Ou les JBL 4343, équipées d'un haut-parleur de 38cm, un 25cm, une chambre à compression, et un tweeter à compression, avec des fréquences de coupure de 300Hz, 1250Hz et 9500Hz.

2.2. Mon système et ses évolutions

A l'heure actuelle mon système d'amplification est composé d'un amplificateur 2.1 à base de TPA3116 (deux canaux stéréo + 1 canal mono pour un caisson de graves).

Cet ampli est équipé d'un filtre actif dont la fréquence de coupure est réglable, ainsi que les niveaux de gain pour les différentes voies. La pente de ce filtre est de 12dB par octave, ce qui est peu.

Les enceintes actuelles sont composées ainsi :

• un caisson de graves équipé d'un BEYMA 15MC500
• une paire d'enceintes
• boomer médium Supravox 215 RTF64 (230mm)
  
• tweeter à ruban Fountek NeoCD2.0
• filtre passif 2 voies (fréquence de coupure 3500Hz)

La configuration finale sera probablement celle-ci :

• un caisson de graves ONKEN équipé d'un Davis Acoustics 31TCA12W
• une paire d'enceintes
• boomer médium Supravox 215 RTF64 (210mm)
• médium FaitalPRO M5N8-80 (130mm)
• tweeter Fountek NeoCD2.0
• filtre actif 3 voies + caisson de graves

Cette configuration va évoluer en deux étapes :

• remplacement de l'amplificateur TPA3116 par :
• filtre actif 2.1 (fréquence de coupure 90Hz)
• amplificateur mono TAS5630 150W
  
• amplificateur LM3886 2x40W
  
• le filtre passif actuel est conservé
  
• ajout d'une voie médium + remplacement du filtre passif
• filtre actif 3 voies + caisson de graves (fréquences de coupure 90Hz, 500Hz, 5000Hz)
• médium FaitalPRO M5N8-80
• amplificateur mono TAS5630 150W
  
• amplificateur STA508 2x50W
  
• amplificateur LM3886 2x40W
  
• amplificateur LM1876 2x20W

Ces changements seront facilités par l'architecture modulaire du filtre actif.

L'ajout de la voie médium a un but précis : confier à un seul haut-parleur la restitution des fréquences les plus sensibles de 500Hz à 5000Hz, sans coupure. Le FaitalPRO M5N8-80 est un bon choix pour cela.

3. Le choix du filtre

J'ai choisi des filtres du type Linkwitz-Riley, dont la réputation n'est plus à faire.

On trouve énormément de documentation à leur sujet sur le WEB :

WikiPedia

https://www.linkwitzlab.com/filters.htm

3.1. Calculs

Les auteurs Linkwitz&Riley fournissent sur leur site tous les éléments permettant de calculer un filtre passe-bas ou passe-haut, mais on trouve également des calculateurs en ligne, plus faciles à appréhender :

https://www.changpuak.ch/electronics/Linkwitz_Highpass_active_24dB.php

https://www.changpuak.ch/electronics/Linkwitz_Lowpass_active_24dB.php

Filtre passe-haut

Filtre passe-bas

Je déconseillerais d'utiliser des résistances de trop forte valeur, sensibles au bruit, ou de valeurs trop basses, qui sollicitent trop les amplificateurs opérationnels en courant. Une valeur médiane de 10KΩ me semble raisonnable. Il suffit ensuite d'adapter la valeur des condensateurs :

• FC=93.5Hz, R=12K, C=100nF
• FC=112Hz, R=10K, C=100nF
• Fc=510Hz, R=10K, C=22nF
• Fc=5115Hz, R=10K, C=2.2nF

4. Mon projet de filtre

Mon projet diffère quelque peu des réalisations du commerce.

Premièrement, j'ai tenu à utiliser des composants haut de gamme :

• amplificateurs opérationnels LM4562, bien meilleurs que les classiques NE5532
  
• condensateurs polypropylène

Je préfère utiliser des condensateurs polypropylène supportant une tension élevée. Plus la tension de service est importante, moins le diélectrique du condensateur a tendance à se déformer sous l'effet du champ électrique. Cela minimise les distorsions.

Je tiens à conserver des fréquences de coupure fixes. En effet les potentiomètres n'ont pas une précision suffisante à mon goût : +/-20%, et cela peut créer des irrégularités importantes dans la courbe de réponse aux alentours de la fréquence de coupure.

Le fait de pouvoir régler les fréquences de coupure est une fausse bonne idée. Je préfère laisser la bande de fréquence 500Hz à 5000Hz intacte, sans coupure, car d'un point de vue audition c'est la bande la plus sensible, et choisir un haut-parleur médium capable de restituer cette bande correctement : le FaitalPRO M5N8-80 (130mm) par exemple.

4.1. Les AOP

Le LM4562 et le bien connu NE5532 ont le même brochage, comme beaucoup d'autres AOP doubles :

Si on le désire, sur une carte du commerce, il est facile de remplacer les NE5532 par d'autres AOP. En voici les caractéristiques principales :

• NE5532 : distorsion 0.01%, bruit 0.7µV
• LM4562 : distorsion 0.00003%, bruit 0.34µV
  
• OPA2134  : distorsion 0.00008%, bruit 1.2µV
  
• OPA1612 : distorsion 0.000015%, bruit 1.2µV
• OPA1652 : distorsion 0.00005%, bruit 4µV
• OPA1642 : distorsion 0.00005%, bruit 4µV
• etc.

L'OPA1652 et l'OPA1642 sont en boîtier CMS. Il nécessitera une plaquette d'adaptation :

S'il est facile de remplacer un NE5532 par un LM4562, il n'en va pas de même pour remplacer un condensateur polyester par un condensateur polypropylène. Pour une valeur et une tension de service équivalents, l'encombrement est bien supérieur.

4.2. Modularité

Dans le but de pouvoir changer les fréquences de coupure rapidement et sans tout refaire, ce filtre actif est modulaire, c'est à dire que les filtres sont enfichables verticalement sur une carte d'accueil, et il est possible de réaliser un filtre à 2, 3, ou 4 voies, avec ou sans caisson de graves.

L'adoption de modules enfichables permet également de simplifier le routage du PCB principal, la carte d'accueil (voir photos plus bas).

5. Les schémas

Les schémas ont été réalisés à l'aide de KICAD. Pour récupérer le projet voir plus bas :  paragraphe 12. Téléchargements. 

5.1. Le buffer d'entrée

Cet étage buffer est chargé de fournir une source de signal à basse impédance aux différents filtres en aval. Sans cet étage, l'impédance d'entrée pour 3 filtre en parallèle ayant chacun 10KΩ ou 20KΩ d'impédance d'entrée serait divisée par 3, ce qui n'est pas forcément supportable par un préamplificateur.

L'impédance d'entrée est de 47KΩ, que l'on peut abaisser à 22KΩ, ou une autre valeur, en changeant R3 et R4.

5.2. Les filtres

 

Filtre passe-bas stéréo

Filtre passe-haut stéréo

Sur ces deux schémas on voit des condensateurs en parallèle et des résistances en série. Par exemple sur le schéma du filtre passe-bas C1 a une valeur de 100nF, alors que le couple C2 et C3 a une valeur de 200nF, exactement le double. On pourrait remplacer C2 et C3 par un seul condensateur de 200nF, mais celui-ci sera très difficile à trouver car la valeur normalisée courante la plus proche est 220nF. La même remarque s'applique aux résistances. On pourra remplacer deux résistances de 10KΩ en série par une seule de 20KΩ.

Un filtre actif réclame des résistances et des condensateurs de précision. Les résistances à 1% sont faciles à trouver, les condensateurs 5% beaucoup moins, mais il est facile de les trier avec un multimètre, à condition d'en acheter une quantité suffisante.

5.3. La carte d'accueil

Carte d'accueil

La carte d'accueil reçoit les différents modules enfichables : buffer d'entrée et filtres.

Comme on le voit sur ce schéma, un filtre passe-bande est réalisé à l'aide d'un filtre passe-bas et d'un passe-haut en cascade.

On peut théoriquement placer indifféremment le filtre passe-bas après le filtre passe-haut, ou l'inverse.

Le choix logique de l'ordre dépend du signal traité :

• mettre le passe-bas en premier permet d'éliminer immédiatement les hautes fréquences parasites ou le bruit haute fréquence avant l'étage suivant
• mettre le passe-haut en premier permet de bloquer la composante continue (offset DC) ou les très basses fréquences dès l'entrée

La voie réservée au caisson de graves (SUB) est obtenue par sommation des voies graves gauche et droite (SUBS), grâce à l'AOP U8.

Aucun condensateur de liaison en sortie n'est prévu. Théoriquement ces filtres attaquent des amplificateurs de puissance qui possèdent déjà les leurs en entrée.

5 sorties sont disponibles :

• SUB (mono), passe-bas : caisson de graves unique
• SUBS, passe-bas : 2 voies graves
• BASS, passe-bande : 2 voies basses
• MID, passe-bande : 2 voies médiums
• HIGH, passe-haut : 2 voies aigus

Différentes configurations sont possibles, avec un nombre de modules filtres plus ou moins important :

• stéréo + caisson de graves : sorties SUB + HIGH
• 2 voies : sorties SUBS + HIGH
• 2 voies + caisson de graves : sorties SUB + MID + HIGH
• 3 voies : sorties SUBS + MID + HIGH
• 3 voies + caisson de graves : sorties SUB + BASS + MID + HIGH

Cette dernière configuration est mon but, mais dans un premier temps, la première sera testée.

5.3.1. Connecteurs

La carte d'accueil est équipée d'embases RCA, qui seront accessibles en face arrière. J'ai utilisé ces modèles, toujours disponibles :

Embase stéréo CBP-2 Audiophonics

Embase mono Audiophonics

L'embase mono n'est utile que si un caisson de graves est prévu.

Le connecteur d'alimentation est le même que celui de l'alimentation :

JST B3P-VH

Les commentaires de l'article consacré à celle-ci vous seront utiles.

Les connecteurs femelles qui reçoivent les cartes enfichables sont de bêtes connecteurs DUPONT à 2 ou 3 broches, au pas de 2.54, de préférence dorés :

Les modules filtres sont équipés de broches du type pin-headers sécables mâles coudés, dorés également : 

Attention : la partie coudée est à souder sur les modules. La partie droite vient s'enficher dans les connecteurs femelle de la carte d'accueil. Voir les photos plus bas.

5.3.2. Condensateurs de liaison

En général le préamplificateur en amont en possède déjà sur ses sorties (c'est le cas de mon ROTEL RA02). Si ce n'est pas le cas, on pourra éventuellement en ajouter (1µF devrait suffire). Les amplificateurs de puissance en aval possèdent les leurs également.

Si des condensateurs de liaison sont utilisés sur les entrées, la fréquence de coupure du buffer d'entrée sera de :

Avec R3 et R4 = 47KΩ

Fc = 1 / (2 *  PI * RC) = 1÷(2×3.14×47000×0,000001) = 3.3Hz

Avec R3 et R4 = 22KΩ

Fc = 1 / (2 *  PI * RC) = 1÷(2×3.14×22000×0,000001) = 7.2Hz

On peut bien entendu modifier cette fréquence de coupure en changeant les condensateurs pour adopter des valeurs personnelles.

Ces condensateurs peuvent occuper une place plus ou moins importante, allant du simple condensateur polyester, parallélépipédique, de moins de 10mm de longueur, au volumineux condensateur super-audiophile cylindrique dépassant 10mm de diamètre pour 30mm de longueur. Il est difficile de prévoir toutes les possibilités. C'est pour cette raison que leur emplacement n'est pas prévu sur la carte d'accueil. Ils devront être placé entre les prises RCA et les entrées et sorties de la carte d'accueil.

Si des condensateurs de liaison sont indispensables, on adoptera des embases RCA pour châssis :

embase noire et rouge

Les condensateurs seront soudés entre ces embases et les entrées et sorties de la carte d'accueil.

5.3.3. Contrôle de volume

Aucun contrôle de volume n'est prévu sur les différentes sorties. En effet, chaque amplificateur de puissance possède normalement déjà le sien. Si rien n'est prévu sur un ou plusieurs de vos amplificateurs, comme c'est le cas de mon amplificateur mono TAS5630, il faudra prévoir un potentiomètre logarithmique mono ou stéréo de 47KΩ, de préférence en face arrière, au plus prés de l'entrée RCA.

5.4. L'alimentation

L'alimentation a déjà fait l'objet de 2 articles récents :

Alimentation 2x12V faible bruit

Audio : Alimentation Symétrique à Faible Coût

On pourra utiliser l'une ou l'autre, la première étant plus performante.

En fonction du choix de la tension d'alimentation, les condensateurs électrolytiques de découplage des AOP devront avoir une tension de service suffisante :

• +/-9V et +/-12V : tension de service 16V
• +/-15V : tension de service 25V

6. Réalisation

Le dossier KICAD (voir paragraphe 12. Téléchargement) contient un ensemble de sous-dossiers :

• modular-highpass : filtre passe-haut
• modular-lowpass : filtre passe-bas
• modular-main-board : carte d'accueil
• input-buffer : buffer d'entrée
• 230v-input : carte support pour transformateur
  

6.1. Les PCBs

Les fichiers portant l'extension .kicad_pcb peuvent être imprimés à l'aide de PcbNew sur film transparent pour insolation.

Pour ceux qui n'ont aucune envie ou moyens techniques de fabriquer des PCB, on peut très bien les faire réaliser à moindre coût par JLCPCB ou un autre fournisseur :

JLCPCB : mode d'emploi

Si les PCBs sont commandés chez JLCPCB (livraison minimale 5 cartes), cela coûtera :

• 5 cartes d'accueil : 9.50€
• 5 buffers d'entrée : 3.65€
• 5 paires de filtres passe-haut et passe bas : 3.50€
• frais de port : 24€

Les PCBs de moins de 10cm x 10cm bénéficient d'un tarif réduit. C'est pour cette raison que les PCBs des filtres regroupent chacune un filtre passe-haut et un filtre passe-bas. Chaque PCB doit être coupé en deux à la scie ou à la cisaille :

Les fichiers GERBER des différentes cartes sont disponibles sur mon drive :

https://drive.google.com/drive/folders/1mwQqVETSr3ZGQ_DgYf5ZJPz6K2Lwfyny?usp=sharing

Il est également possible de construire les cartes (sauf celle supportant le transformateur) à partir de plaquettes à pastilles et de fil à wrapper. Il faut une certaine motivation :

6.2. Le transformateur

Si l'on utilise un transformateur toroïdal, celui-ci sera vissé au fond du boîtier. Le câblage du primaire avec sa varistance peut être effectué sur un bornier à 3 bornes à vis :

Si l'on utilise un transformateur moulé pour PCB, il faudra prévoir une carte support, mais cette carte pourra accueillir quelques composants supplémentaires (embase IEC, connecteurs, varistance).

Comme il existe une multitude de transformateurs utilisables, il est assez difficile de fournir un routage pour chacun d'eux. La carte 230v-input est équipée par défaut du BREVE TUFVASSONS TEZ16/D230/10.5-10.5V.

ATTENTION : une plaquette à pastilles n'est pas apte à accueillir un transformateur 230V. L'espacement entre pastilles est absolument insuffisant, à moins de supprimer les pastilles et les trous métallisés entre les lignes soumises à cette tension.

7. La mise en boîte

Comme pour mes amplificateurs j'ai choisi un boîtier HIFI 2000 Galaxy GX283, aux dimensions de 80x230x230mm, disponible ici : audiophonics.fr

Voici le plan de perçage de la face arrière :

La cote de 210 mm correspond à la largeur interne du boîtier. En effet, les côtés du boîtier font 10 mm d'épaisseur. Le PCB est représenté en bleu. Il est monté sur des colonnettes M2.5 de 6 mm de longueur.

7.1. Embase secteur

On constate sur la face arrière la présence d'une embase secteur IEC. Celle-ci n'est absolument pas obligatoire. On peut percer un trou pour y loger un simple passe-câble caoutchouc adapté à l'épaisseur de la face arrière (3 mm dans mon cas).

7.2. La terre

Un câble avec terre est une option peu courante pour un appareil audio. On peut très bien s'en passer. Si elle est jugée nécessaire pour des raisons de sécurité, la terre du câble secteur ou de l'embase IEC peut être reliée au boîtier à l'aide d'une cosse fixée par une vis sur la face arrière, ou au fond du boîtier.

On ne doit pas confondre terre et masse. La masse, celle des embases RCA et des plans de masse des PCBs, ne doit pas être reliée à la terre. En effet, la terre est un potentiel possiblement pollué, et peut être source de parasites ou de ronflette. Une fois le montage terminé, on peut vérifier que la masse est bien flottante à l'aide d'un ohmmètre. La carte d'accueil et l'alimentation sont montées sur des colonnettes M2.5. On peut parfaitement adopter des modèles plastique M2.5 ou M3, afin d'être sûr de les isoler du plan de masse.

8. Test et mesure

Il serait dommage d'enficher un module filtre sur la carte d'accueil sans être certain qu'il fonctionne correctement.

Pour cela je vais utiliser mon PC avec ses entrées / sorties audio, et un logiciel appelé REW, qui permettra de tracer la courbe de réponse du filtre. Un de mes articles récents en parle ici :

REW : Faire des Mesures en Audio

Les entrées / sorties ligne audio d'un PC sont des JACK 3.5mm.

Deux solutions sont possibles :

• utiliser la carte d'accueil et des câbles adaptateurs JACK 3.5mm / RCA
  
• utiliser une carte de test et des câbles JACK 3.5mm

Voici la carte de test :

Cette carte, réalisée sur plaquette à pastilles, est équipée de 3 connecteurs DUPONT femelle à 2 points et 3 points sur lesquels est enfiché un module filtre :

3 connecteurs nécessaires au test sont présents :

• entrée JACK stéréo 3.5mm
• connecteur d'alimentation DUPONT femelle 3 points
• sortie JACK stéréo 3.5mm

Elle est alimentée par le connecteur 3 broches en +/-12V. Les entrées et sorties JACK stéréo 3.5mm sont reliées au PC (line OUT et line IN).

Voici les courbes relevées :

Filtre passe-bas 90Hz

Filtre passe-haut 90Hz

Les deux filtres ont bien une fréquence de coupure de 90Hz et à cette fréquence le niveau est à -6dB par rapport au niveau normal.

Cela veut dire que si l'on additionne les deux niveaux à la fréquence de coupure, on obtient bien 0dB, puisque -6dB représente une chute de tension de moitié.

Mission accomplie donc !

9. Photos

Voici quelques photos des modules (les PCB sont gravés par moi-même) :

Buffer d'entrée

En bas, au centre : les broches d'alimentation +/- 12V.
A gauche : les sorties gauche et droite.
A droite : les entrées gauche et droite.
Les dimensions du module sont de 72mm x 23mm

Module Filtre passe-bas 90Hz

Module filtre passe-haut 90Hz

En bas, au centre : les broches d'alimentation +/- 12V.
A gauche : les entrées gauche et droite.
A droite : les sorties gauche et droite.
Les dimensions d'un module sont de 72mm x 42mm. 

Comme on le voit les condensateurs polypropylène de 100nF 250V occupent une place relativement importante. En comparaison, les condensateurs de découplage 100nF polyester, de part et d'autre des LM4562, sont nettement plus petits !

Afin de faciliter l'implantation des composants, les condensateurs polypropylène ont tous le même espacement entre pattes : 10mm.

La carte d'accueil

Les dimensions de la carte d'accueil sont de 160mm x 87mm.

On voit 7 emplacements pour les cartes filles, avec de gauche à droite :

• le buffer d'entrée
• le filtre passe-haut
• un filtre passe-bande (2 emplacements)
• un filtre passe-bande (2 emplacements)
• le filtre passe-bas

Cette photo montre la carte d'accueil en cours de test, équipée de 3 modules, de droite à gauche :

• le buffer d'entrée
• la carte passe-haut 90Hz
• la carte passe-bas 90Hz

L'AOP sommateur U8 est bien entendu présent. C'est une première version prévue pour un filtrage 2.1. Seuls les connecteurs RCA SUB et HIGH sont utilisés.

Par la suite deux paires de filtres seront ajoutés :

• passe-bas 500Hz + passe-haut 500Hz
• passe-bas 5000Hz + passe-haut 5000Hz

De gauche à droite nous aurons donc :

• passe-bas 90Hz
• passe-haut 90Hz + passe-bas 500Hz
• passe-haut 500Hz + passe-bas 5000Hz
• passe haut 5000Hz

Le filtre passe-haut 90 Hz changera donc d'emplacement. Encore un avantage de la modularité !

L'intérieur de la boîte

La LED de la face avant est connectée entre le +12V et la masse de l'alimentation, en série avec une résistance de 2.7KΩ, située dans la gaine thermorétractable. 

La face avant est la même que pour les amplificateurs :

La face arrière

Les embases RCA stéréo sont fixées à l'aide de vis de M2.5 et d'écrous, d'une longueur de 14mm. Ces vis sont indispensables à la robustesse mécanique lors du branchements des câbles.

Le percage des trous des embases RCA manque de précision. L'aluminium de ces boîtiers est de mauvaise qualité, et s'écrouit facilement. Les trous sont difficiles à ébavurer. Du duralumin (AU4G) aurait été largement préférable.

10. Les coûts

J'ai utilisé des condensateurs polypropylène WIMA MKP10, entraxe 10mm. Le prix de ces condensateurs est relativement élevé : entre 0.40€ et 1€, en fonction de la valeur, de la tension de service, et de la quantité.

Les composants proviennent de chez Mouser. Il faut 20 condensateurs pour une paire de filtres passe-haut et passe-bas :

• MKP10 100nF 250V (MKP1F031003G00KSSD) : 0.43€ x 20 = 8.60€
• MKP10 47nF 250V (MKP1F024703C00JSSD) : 0.36€ x 20 = 7.20€
• MKP10 22nF 250V (MKP1F022203C00JSSD) : 0.74€ x 20 = 14.80€
• MKP10 4.7nF 1000V (MKP10114703C00KSSD) : 0.44€ x 20 = 8.80€
  
• MKP10 2.2nF 1000V (MKP1O112203C00JSSD) : 1€ x 20 = 20€
  

Il faut 4 AOP pour une paire de filtres passe-haut et passe-bas :

• LM4562 : 8€ x 4 = 32€

Le prix de chaque paire de modules devrait être compris entre 40€ et 50€. La carte d'accueil et son buffer d'entrée reviennent à environ 16€ (avec caisson de graves) ou 8€ (sans caisson).

Ces estimations ne tiennent pas compte du prix des composants à quelques centimes.

L'alimentation faible bruit revient à environ 35€, et le boîtier Galaxy GX288 35€.

En ajoutant 20€ pour quelques babioles (embases RCA, embase IEC, porte-fusible, interrupteur, cordon secteur, etc.) le prix d'un filtre complet devrait avoisiner 145€ pour un filtre 2.1 et 245€ pour un filtre 3 voies avec caisson de graves.

A cela il faut ajouter les prix des PCBs, 40€ chez JLCPCB si l'on choisit de les faire fabriquer.

Par rapport à un DBX 234 Xs, ce filtre ne semble pas très concurrentiel. Mais il ne faut pas oublier que le DBX est fabriqué à l'aide de composants bas de gamme (AOP TL074, condensateurs polyester), et il est symétrique, ce qui complique la tâche et augmente le coût pour l'intégrer dans un système audio asymétrique (câbles spéciaux RCA vers XLR).

Bien entendu on peut réduire les coûts en adoptant d'autres composants :

• condensateurs polyester, bien moins chers
  
• AOP NE5532
• acheter sur AliExpress (un LM4562 peut coûter 0.50€ par vingt pièces, mais on prend le risque d'avoir affaire à de la contrefaçon)
  

En comparaison, une solution 3 voies à base de cartes Xkitz coûtera :

• 2 cartes XOVER3 : 130€
• 1 alimentation XAPS-10WB : 65€
• un boîtier : 35€
• quelques babioles : 10€

Pour un total de 240€.

11. Intégration

Ce filtre actif peut très bien être intégré à un préamplificateur DIY, si la taille du boîtier choisi le permet. L'alimentation devrait être suffisante pour fournir de l'énergie à différentes cartes. On pourra ajouter :

• un préamplificateur phono
• un sélecteur de source
• un contrôle de volume
• etc.

On obtiendra ainsi une réalisation complète dans un boîtier unique, avec une seule alimentation.

12. Téléchargements

Pour télécharger le projet :

https://bitbucket.org/henri_bachetti/modular-active-filter

Cette page vous donne toutes les informations nécessaires :

https://riton-duino.blogspot.com/p/migration-sous-bitbucket.html

13. Liens utiles

Choix de composants passifs en audio :

http://optimisetonampli.chez-alice.fr/passif.htm 

14. Conclusion

J'avoue avoir corrigé deux problèmes :

• une soudure défectueuse sur le buffer d'entrée provoquant un court-circuit sur une sortie
• les entrées + et - sur l'AOP sommateur U8 étaient inversées (oups ...)

Le problème de soudure peut être évité en adoptant des circuits imprimés avec masque de soudure, réalisés par un professionnel (JLCPCB ou PCBWay par exemple).

Concernant le deuxième problème, le schéma et le routage sont corrigés.

Si on se lance dans la fabrication d'un filtre actif maison, il faut avoir à l'esprit qu'un oscilloscope peut s'avérer utile pour résoudre les éventuels problèmes, beaucoup moins si les PCBs sont faits maison.

En attendant de pouvoir l'intégrer dans mon système audio, ce filtre est en cours de test sur mon bureau :

• un amplificateur stéréo LM3886 et deux enceintes FOCAL COBALT 816S
• un amplificateur mono TAS5630 et un caisson de basses JBL CS1204B

L'écoute est agréable et dynamique. Je pense que le remplacement de l'amplificateur 2.1 par ce filtre actif suivi de deux amplificateurs de qualité porte ses fruits. Avant d'aller plus loin, j'envisage de construire rapidement les modules filtres manquants 500Hz et 5000Hz, et d'ajouter les HP médium FaitalPRO M5N8-80. Cet ajout sera certainement plus que bénéfique, et permettra d'éviter de perdre mon temps en mesures inutiles d'une paire d'enceintes que je n'utiliserai que peu de temps dans leur configuration actuelle.

J'avoue qu'il faut être plutôt motivé pour monter ce filtre, surtout en 3 voies. J'aurais préféré l'acheter tout fait, même à 250€. Malheureusement la configuration finale visée (3 voies + caisson de graves, en asymétrique) n'existe pas dans le commerce. A ma connaissance, le seul filtre capable de satisfaire mes exigences, à condition de se limiter à 3 voies ou 2 voies + caisson de graves, est le K231 de Sublime Acoustic. Je me console en me disant que mon filtre est taillé sur mesure, peut facilement évoluer d'un système 2.1 vers un système 2 voies + caisson de graves, puis vers un système 3 voies + caisson de graves, et que les composants choisis sont de qualité optimale.

Cordialement

Henri