|
Mehanička konstrukcija zvučničkih kutija Transmission Line, Band Pass & Isobaric Configuration Elektrostatski zvučnici Konstrukcije dipolnih zvučnika Preporučljivi zvučnici za izradu High End kutija
|
ELEKTROSTATSKI ZVUČNICI Uvod Firma Deutsche Klangfilm AG iz Berlina, dvadesetih godina prošlog stoljeća zatražila je od inženjera Vogta prikladne zvučnike za ozvučenje svojih kino sala. 1922. Vogt je konstruirao je prve elektrostatske zvučnike. Dimenzije zvučnika iznosile su nekoliko m2, a imali su dovoljnu glasnoću za ozvučenje kino auditorija uz prijenos čitavog frekvencijskog spektra zvučnog filma s izuzetnom transparentnošću i impulsnim odzivom. Konstrukcija im je bila ista kakvu poznajemo i danas ali u to vrijeme nisu postojali dobri izolacijski materijali tako da je najveći problem bilo električno izbijanje među elektrodama. Tek nakon 1950. godine javljaju se prvi komercijalno uspješni kućni elektrostatski zvučnici. Zanimljivost je da su se prvi elektrostatski zvučnici bez nekih bitnijih promjena konstrukcije zadržali na tržištu i preko 30 godina što nedvojbeno ukazuje na njihovu tehnološku jednostavnost i savršenost. Nakon 1980. dolazi do novih unaprijeđenja u konstrukciji elektrostatskih zvučnika i nakon toga čini se da je elektrostatski sistem pretvaranja zvuka došao do svog vrhunca. Izobličenja elektrostatskog zvučnika mogu biti reda veličine vrhunskih pojačala snage, tj. i nekoliko redova veličine manja od ostalih tipova zvučnika, a neobičnost pri radu elektrostatskog zvučnika je to što izgleda kako glazba dolazi odnekud otpozadi zvučnika ili kroz zvučnik, bez svih poznatih koloracija i izobličenja. Elektrostatski zvučnici mogu reproducirati najniže tonove ispod 20 Hz. Međutim, tada nastaju problemi koji su posljedica nepovoljnih impedancija zvučnika i s tim povezanih problema pri pobudi pojačalima snage. Obična pojačala snage ne mogu pobuditi kapacitivni teret na tako niskim frekvencijama niti putem transformatora. To je upravo razlog zašto se danas elektrostatski zvučnici najčešće izrađuju za frekvencijsko područje od 300 Hz do 20000 Hz. Međutim, ako je riječ o elektrostatskim zvučnicima za područje od 20 - 20000 Hz, onda se najčešće proizvede sa posebnim visokonaponskim cijevnim pojačalima snage bez izlaznih transformatora. Princip rada i analitička obrada U najranije doba razvoja elektrostatskog zvučnika, prve konfiguracije tvorile su formu najjednostavnijeg zračnog kondenzatora kojemu je jedna ploča bila metalna, a druga potpuno paralelna sa prvom, savitljiva električki vodljiva elektroda. Sila koja djeluje na ploču kondenzatora je: F= eo AV2 / 2 s2 gdje su eo= 8.854 x 10-12 F/m (dielektrična konstanata zraka) F = sila u N A = površina svake ploče u m2 V = napon među pločama u V s = udaljenost među pločama u m Kako je sila F proporcionalna kvadratu napona, već u najranije doba razvoja elektrostatskih zvučnika uočeno je da bi se protutaktnim načinom rada postigla daleko manja izobličenja. Osnovni princip elektrostatskog zvučnika u protutaktnom načinu rada, sastoji se od vrlo tanke membrane koja je napravljena tako da bude vrlo malo ali ipak vodljiva i koja je ovješena u sredini, između dvije vanjske elektrode. Masa elektrode je najčešće manja od mase zračnog sloja na obje strane membrane. Vanjski izvor vrlo visokog istosmjernog napona (ekvivalentan magnetu dinamičkog zvučnika) daje konstantni električni naboj membrani. Pobudni signal dovodi se na dvije vanjske učvršćene elektrode, tako da su one uvijek jednakog, a suprotnog naboja. Konstantan naboj pokretne elektrode - membrane i suprotni naboji na učvršćenim elektrodama - statorima se, ovisno o polaritetu, privlače ili odbijaju. Dakle, riječ je o čistom protutaktnom principu rada. Zanimljivo je napomenuti da je protutaktni princip rada elektrostatskog zvučnika prvi put prikazan na Berlinskoj Radio Izložbi 1927. godine. Okrenemo li fazu pobudnom audio signalu, membrana će se pokretati u protufazi. Moramo napomenuti da je princip rada elektrostatskog zvučnika tzv. konstantni naboj, ali može nastati i stanje konstantnog napona. Razliku uvjetuje otpor membrane, koji može biti visok ili vrlo visok. Pri radu pozitivno nabijena membrana kreće se prema negativno nabijenom statoru. Promjenom audio napona na statoru membrana se kreće u suprotnom smjeru. Pri tome se pozitivni naboj uvijek nastoji približiti negativnom. Ako membrana ima nedovoljan otpor, naboj membrane će se vrlo lako približiti negativno nabijenom statoru. Ta pojava "migracije naboja" javlja se uslijed zakrivljenosti membrane pri radu, što se povećava višim audio naponima i višom frekvencijom, pa rad elektrostatskog zvučnika postaje nelinearan. Zbog toga je za linearan rad elektrostatskog zvučnika od primarne važnosti napraviti membranu izuzetno visokog otpora - čak do 10 14 oma. Naravno, pri radu ovo nabijanje membrane može trajati predugo, pa se neki elektrostatski zvučnici ostavljaju trajno uključenima na visokonaponski dio. Primjer su sustavi s ugrađenim cijevnim pojačalima npr. Acoustat.
Pri radu s konstantnim naponom sila F koja djeluje na membranu bit će F = [(E+e/2)/d2]2 - [(E+e/2)/d1]2 Pri radu s konstantnim nabojem sila F će biti: F = e Q /(d1+d2) Najvažnije je uočiti kako s konstantnim nabojem, sila F uopće ne ovisi o udaljenosti između membrane i statora. Kapacitet pločastog kondenzatora možemo izračunati relacijom: C= er eo A/d = K A/d Vrlo je veliki problem odrediti točno koliko će membrana biti zategnuta. Polariziranje membrane konstantnim nabojem dovodi do pojave "negativne elastičnosti". Takva "negativna elastičnost" dovodi do inherentne nestabilnosti sustava. Za realiziranje stabilnog sustava nužno je potrebno zategnuti membranu toliko da se eliminira negativna elastičnost. U praktičnom radu nužno je uvesti još i faktor sigurnosti. Kriterij sigurnosti bit će zadovoljen ako se kapacitet izmjeren između statora bez primijenjenog polarizacijskog napona na vrlo niskoj frekvenciji (dosta nižoj od rezonancijske frekvencije sustava, recimo 5 Hz) poveća za 1,4 puta pri uključenju polarizacijskog napona. U praksi, površinska napetost membrane nije kritična za stabilan rad. Membrane paralelopipednog oblika uvijek imaju izražene višestruke rezonancije u radnom području. Međutim pri radu one se ne mogu detektirati sluhom. Više o tome pogledajte u članku faza. Najkraće, u prostoriji će rezonancije prostorije prikriti rezonancije membrane, a ako je membrana nedovoljno prenapregnuta, moguće je smanjiti napon polarizacije.Elektrostatski zvučnik je najjednostavniji zvučni pretvarač koji postoji. Sastoji se od samo četiri osnovna dijela. To su dva statora sa odstojnicima, membrana, audio transformator i visokonaponsko napajanje. Međutim, u proteklih 80 godina pri konstrukciji zvučnika javljale su se neki izraženi problemi, koji su mnogi konstruktori uspješno riješili, ali ta rješenja zadržali su kao tajnu. Svi materijali za izradu zvučnika u samogradnji su u potpunosti dostupni ali ono što čini dobar zvuk pojedinih elektrostatskih zvučnika su tajne struke koje nisu otkrivene. Analizirati ćemo neke od izraženijih problema. U prvom redu to je zaštita od električnog izbijanja. Kada vrlo jaki audio signal snažno pobudi membranu elektrostatskog zvučnika, ona se približi statoru na udaljenost koju zrak kao izolator više ne može izdržati, pa dolazi do električnog proboja. Električna iskra preskače sa statora na membranu, ili kroz membranu na drugi stator pri čemu se membrana oštećuje ili izgara. Ovaj problem nastoji se riješiti izolacijom statora visokonaponskim izolatorima u vidu premaza, a u tome se i uspjelo. Drugi problem je membrana koja treba biti zanemarive mase i zbog toga izuzetno tanka. Istovremeno treba biti nategnuta na okviru kako ne bi došla u doticaj sa statorima, ali krutost ne smije biti prevelika kako bi mogla oscilirati u ritmu glazbenog signala. Membrana ne smije biti izolator, ali ni vodič nego treba imati vrlo visok otpor, kako bi na sebi mogla zadržati električni naboj što omogućava rad bez izraženih izobličenja. Pravu vrijednost površinskog otpora gotovo je nemoguće točno odrediti, nego ona ovisi o mnogim faktorima (udaljenost statora i membrane, frekvencijsko područje, snaga, maksimalni naponi,...itd.) Istovremeno način realizacije površinskog otpora prilično je kompliciran i postoje razne metode kojima se to može postići. Te metode uključuju postupke naparivanja i metalizacije pri proizvodnji folije, do premazivanja sapunom, deterdžentom, grafitnim prahom i posebnim emulzijama.Treći problem je realizacija vrlo visokog napona, koji realizira potrebno električno polje između statora i membrane. Polje treba biti u potpunosti simetrično. Velika površina membrane i statora čine elektrostatski zvučnik kondenzatorom vrlo velike kapacitivnosti koju je skoro nemoguće pobuđivati običnim pojačalom snage. Pobuđujemo li elektrostatski zvučnik preko audio transformatora koji podiže izlazni napon pojačala 50 do 100 puta i dovodi ga na veliki kapacitet elektrostatskih zvučnika, nastaju značajni fazni pomaci. U takvim situacijama najbolje je koristiti cijevna pojačala bez izlaznih transformatora tzv. OTL tipove. Ako elektrostatski zvučnik nije tzv. "full range" nego recimo od 500 Hz i naviše, može dobro poslužiti i obično bipolarno pojačalo. Za dobro napravljeni elektrostatski zvučnik može se kazati da je zvučnik sa najnižim mogućim izobličenjima, reda veličine izobličenja pojačala snage, kao i da ima najbolji impulsni odziv. To se odnosi posebno na tzv. "full range" elektrostatske sustave koji prijenose cijeli frekvencijski pojas. Sa stajališta "uradi sam" pristupa dobro je znati da se ESL zvučnici mogu vrlo lako napraviti u kućnoj radinosti. Međutim, nabrojeni problemi dovode do nedostataka pri testiranju izrađenog zvučnika, što rezultira nedovoljnom efikasnosti, nelinearnim izobličenjima, nepouzdanosti pri radu, slabljenje karakteristika starenjem ili oštećenjem sustava pri višim radnim režimima. Mnogim ljudima elektrostatski zvučnici izgledaju čudno, u prvom redu zbog toga što nemaju kutije, nego su tanki, plosnati, otvoreni sprijeda i straga te su potpuno prozirni. Visoki napon, potreban realizaciji električnog polja, neke ljude plaši, ali riječ je o električnim poljima koje srećemo svakog dana, kao npr. pri skidanju sintetičke majice, pri otvaranju vrata automobila ili pri hodanju sintetičkim sagom. Konstrukcija Elektrostatski zvučnik najčešće se sastoji od tzv. "full range" linijskog dipolnog sustava koji emitira sve frekvencije; ili je konstrukcijski podijeljen u nekoliko panela, od kojih svaki emitira dio spektra. Pri tome je najčešće visokofrekvencijski dipolni planar u sredini sustava, lijevo i desno od njega su postavljeni srednjefrekvencijski dipolni planari, a opet lijevo i desno od te konstrukcije veliki bas planari. Takva konstrukcija omogućava jednoliko širenje zvuka jer se površina zvučnika smanjuje porastom frekvencije. Između statora i membrane nalazi se tzv. elektrostatički teret - električno polje koje tvori visoki napon od nekoliko 1000V. Na statore preko transformatora ili putem visokonaponskog OTL cijevnog pojačala dolazi audio signal vrlo visokog napona. Ako koristimo klasična pojačala koristi se audio transformator reda 1:100 što pri punoj snazi 100W pojačala na 8 oma daje napon od 28V, na izlazu transformatora oko 2800 volti. Ako je OTL cijevno pojačalo koriste se visokonaponske izlazne cijevi.
Pri konstrukciji protutaktnog elektrostatskog zvučnika temeljna analitička pretpostavka je tzv. Walkerova jednadžba iz 1965. koja glasi. P = Isig Vpol / 2 pi c r d gdje je P zvučni tlak u N/m2 na udaljenosti r (m), pri struji pobude Isig (A), naponu polarizacije Vpol (V). c je brzina zvuka, r udaljenost na kojoj vršimo mjerenje, a d udaljenost membrane od statora u (m). Kao što smo naveli, elektrostatski zvučnik u principu je vrlo jednostavne konstrukcije i sastoji se od: statora membrane (za visoke, srednje i niske tonove) odstojnika audio transformatora visokonaponskog napajanja okvir Materijali Svi materijali koji se koriste pri izradi elektrostatskog zvučnika su uobičajeni i mnogi se mogu lako nabaviti. Statori se izrađuju od običnog elektroinstalacijskog jednožilnog kabela ili perforiranih metalnih ploča. Membranu je od tankog plastičnog filma. Odstojnik statora i membrane najčešće od pertinaksa, stakla ili pleksiglas ili sličnih materijala. Prilagodni audio transformator elektrostatskih zvučnika je transformator cijevnih izlaznih pojačala manje snage s odnosom 1:75 ili 1:100. Ako se koristi OTL pojačalo, transformator nije potreban. Visokonaponsko napajanje sustava realizira se pomoću RC kaskade ili DC-DC pretvarača. Okvir zvučnika, koji spaja sve sastavne dijelove izrađuje se najčešće od punog drva, iverice ili plastificiranog metala. Pojačalo snage Vrlo bitan dio elektrostatskog zvučnika, a najpoznatije konstrukcije OTL pojačala su Futterman i Acoustat. Potonji je specijaliziran za napajanje elektrostatskih panela i shema mu je lako dobavljiva na webu (obratite pozornost ne greške) kao i nadomjesne izlazne cijevi (Siemens, Philips) suvremene konstrukcije, možda bolje od izvornih. Zašto su bipolarna pojačala lošija za pobudu elektrostatskih zvučnika. Pretpostavite da imate bipolarno pojačalo izlazne snage 300W na 8 ohma. Priključite li 4 omske zvučnike pojačalo ima izlaznu snagu od 600W. Međutim, što se događa ako priključite 30 omske zvučnike? Pitat će te gdje postoje 30 omski zvučnici? To su npr. elektrostatici. Dakle, na 30 oma, snaga će biti višestruko manja. OTL pojačalo dati će konstantnu i daleko linearniju izlaznu snagu, bez obzira na impedanciju elektrostatskog zvučnika. Stator Stator elektrostatskog zvučnika izrađuje se od perforiranog aluminija ili čelika ili od žice. Najčešće je potpuno ravan, ali kompletna konstrukcija zvučnika može se nakon izrade zakriviti, kako bi se povećala disperzija zvuka u horizontalnoj ravnini. Ovdje je problem odrediti dimenzije i raspored otvora. Pored detaljne matematičke analize, kolike trebaju biti rupe na statoru, postoje i empirijska pravila koja govore kako nije preporučljivo koristiti rupe veće od 6mm. Aluminij je lakši za obradu od čelika, ali je skuplji.Valna dužina zvuka na 20 kHz iznosi približno 17mm, pa ako se želi vrlo visoki kvalitet zvuka na visokim frekvencijama, mreža statora mora biti izuzetno fina. Pored toga stator treba biti izoliran, kako bi se spriječili strujni udari ali i kako ne bi došlo do oštećenja membrane pri radu. Membrana Membrane elektrostatskih zvučnika su kritičan dio i o njima ovisi zvuk dovršenog sustava. Pri konstrukciji nastaju četiri osnovna problema:
Odabir tipa i premaza membrane su od vitalne važnosti za kvalitetu zvuka. Visoka otpornost membrana omogućava dobrom elektrostatskom zvučniku najlinearniji rad u režimu konstantnog nabaja što rezultira niskim izobličenjima i kvalitetnim zvukom. Premaz visoke vrijednosti otpora sprječava migraciju naboja površinom membrane dok se membrana približava i udaljava od statora. Vrijednost otpora treba biti takva da naboj ne "bježi" pri reprodukciji najnižih frekvencija, ali ne toliko visoka da se zvučnik elektrostatski nabija s predugačkom vremenskom konstantom. Međutim, ispitivanja su pokazala kako zvučnici sa vrlo visokim otporom membrane, koji uzrokuju vremenske konstante od nekoliko (desetaka) minuta, ipak zvuče najbolje. Trik koji se u tom slučaju primjenjuje je taj da se zvučnici drže stalno priključeni na visoki napon polarizacije, koji praktički ne vuče nikakvu struju ili se polarizacija uključe nekoliko desetaka minutu prije nego ih započnemo slušati.Pored navedenih problema, važno je znati da premaz visoke otpornosti koji se nanosi na membranu mora biti točno određenog tipa za određenu membranu i za određeni radni napon. Usklađenost svih faktora (tip premaza, tip materijala membrane, točna sila natezanja i točan napon za zadanu kombinaciju) daje vrhunski elektrostatski zvučnik. Naravno, te kombinacije su tajne struke i nijedan uspješan proizvođač neće ih otkriti. Za najbolji impulsn i odziv zvučnika poželjno je koristiti najtanji plastični film. Za najbolju srednjetonsko/visokotonsku sekciju uobičajeno se koristi Mylar debljine 0...3um, a isti materijal moguće je koristiti i za bas sekciju. Taj materijal daje čvrst bas.U samogradnji su moguće različiti premazi membrane npr. sapun, grafit, ljepilo za zidne tapete, antistatični sprejevi…, ali su moguće i posebno pripremljene otopine koje ćemo prikazati. U principu, bilo koji materijal koji je moguće premazati po membrani može se koristiti kao premaz membrane elektrostatskog zvučnika. Međutim, za vrhunski zvuk potrebno je poznavati princip rada i trikove struke.Premazi grafitnom masti bez problema se mogu koristiti s membranama elektrostatskih zvučnika, međutim premazima grafitnom masti ne mogu se postići vrlo visoke vrijednosti otpora, što dodatno opterećuje sustav visokonaponskog dijela zvučnika. Originalni premazi vrhunskih elektrostatskih zvučnika, danas više nisu tajna i znamo da su to bile otopine Nylona. Tom otopinom "bojale" su se membrane elektrostatskih zvučnika. Početni otpor membrane realizirao se u području od 10 10 do 1014 ohma po kvadratu. Površinski otpor izražava se u omima po kvadratu i ovisan je o debljini premaza prema slijedećoj relaciji:R(površine) = R(zapremnine) / d gdje je d debljina premaza. U prvom redu, pri praktičnom radu, potrebno je razumjeti pojam statičkog elektriciteta na elektrostatičkom zvučniku. Uvest ćemo pojam "odvajanje naboja", budući da taj izraz bolje opisuje bit fizičke pojave. Naboj na membrani ne smije se kretati (migrirati) jer to unosi promjene kapacitivnosti sustava i uzrok je nelinearnog rada. Neki materijali prikladni za membrane zvučnika zahtijevaju više pozitivnog naboja, neke više negativnog naboja za pravilan rad. Prema potrebi za specifičnom vrstom naboja materijale možemo podijeliti na one koje zahtijevaju više pozitivnog ili više negativnog naboja te električki neutralne. Materijali koji zahtijevaju više pozitivnog naboja su Staklo, Mica, Nylon, Svila. Pamuk je neutralan, a Guma, MYLAR, Rayon, Celuloid, Orlon, Acryl, Saran, Polyurethan, Polyethylen, Polypropylen, Polivinilklorid, Teflon i Silikon zahtijevaju više negativnog naboja. U čemu je značaj permeabilnosti ovih materijala? U principu elektroni napuštaju Nylon (jer on ima višak elektrona), a Mylar prima slobodne elektrone (jer ima manjak). Ova pojava stvorit će negativni naboj Nylona, a pozitivni kod Mylara. Bliski kontakt Nylona i Mylara, npr. pri premazu Mylar membrane otopinom Nylona, uvjetovat će zadržavanje elektrona u neposrednoj blizini Mylara, odnosno na strani Mylara u odnosu na spoj. Poznati proizvođači zvučnika premazuju membrane s obje strane. Površina Nylona je pozitivna, a površina Mylara je negativna, dakle, neće nastati struja pomaka. To se naziva "odvajanje naboja". Migracija naboja po površini membrane je onda izuzetno spora, tako da se može praktički zanemariti te zvučnik uvijek radi s "konstantnim nabojem". Dakle, trik nije u nanošenju vodljivog premaza na membranu, nego je trik u izboru materijala koji je električki pozitivniji u odnosu na materijal membrane, čime se postiže najpoželjniji elektrostatički efekt. Premazi kao što su grafit mogu dati zadovoljavajuće rezultate, ali će takav premaz, obzirom na potrebnu struju, postaviti velike zahtjeve visokonaponskom dijelu zvučnika. Može doći do brujanja, što se sprječava postavljanjem visokonaponskih otpornika velike vrijednosti otpora na izlazu visokonaponskog dijela. Realizacija membrane vrlo visokog otpora je jedini ispravan način rješenja ovog problema. Tim načinom ekstremno visoki otpor je u seriji sa svakim individualnim kapacitetom svakog panela elektrostatskog zvučnika. Istovremeno to omogućava konstruktoru smanjenje udaljenosti između statora i membrane što može povisiti efikasnost zvučnika. Iako se praktički svaki materijal može koristiti za premaz membrane, izbor predstavlja veliki problem pri realizaciji vrlo visokog električnog otpora? Jedan recept kojeg sam pronašao na webu sastoji se u otapanju najlona u mješavini fenola i vode ili fenola i metanola. POSTUPAK Potrebno je nabaviti25 grama Phenola (bijeli kristali, poznatiji kao Karbolna kiselina ili lizol), 150 ml destilirane vode i cca. 5 grama Nylona. Phenol je starije sredstvo za dezinfekciju, a najlon možete naći u trgovini ribolovnih alata u vidu najlonske niti za udicu. Zagrije se 1,5 dl destilirane vode na oko 50 stupnjeva. Postupno uspite kristale Phenola u vruću vodu, stalno miješajući sve dok se potpuno ne otope. Zatim, izrežite 5 grama Nylona i postupno uspite u smjesu. Miješajte 15 - 20 minuta dok se sav najlon potpuno ne otopi. Stavite otopinu da se ohladi na sobnu temperaturu. Nakon nekog vremena uočit će te da se otopina podijelila u dva sloja od kojih je jedan rjeđi, a drugi gušći. Spremite otopinu u staklenku sa plastičnim ili staklenim čepom. Nylon je u donjem sloju otopine i što je sloj deblji to znači da je u otopini više nylona. Dakle, prije i za vrijeme uporabe potrebno je otopinu dobro promućkati. Mućkanje otopine stvorit će otopinu phenola i nylona u vodi u obliku malih kapljica. Phenol može izazvati korozij, a opasan je i za zdravlje. Osim opisane otopine, moguće je vodu zamijeniti s metilnim alkoholom, pa dobiti otopinu koja daleko brže isparava. Otapala na bazi nylona lako nagrizaju poliester pa ih se ne smije nanositi odjednom u velikoj količini. Pri aplikaciji otopine na membranu elektrostatskog zvučnika obvezno radite s gumenim rukavicama i maskom u prostoru s dobrom ventilacijom. Dobro protresite posudu s pripremljenom otopinom dok ne nastane ujednačena mliječno bijela tekućina. Namočite komadić kuhinjske salvete u otopinu pa prebrišite membranu tako da na njoj ostane sloj otopine. Osim kuhinjske salvete moguće je koristiti kist ili valjak, ali prethodno treba utvrditi da li će ga otopina rastopiti. Preporučljivo je koristiti kožni valjak. Otopina se ne razvlači jednoliko po membrani nego ostaje u vidu nejednolikih pruga. S količinom ne treba pretjerati. Bas panele premažite dva puta, a visokofrekvencijske panele dovoljno je premazati samo jednom. Nakon sušenja, prirodnom cirkulacijom zraka ili zagrijavanjem prostorije nylonski premaz ostat će na membrani u vidu bjeličasto prošaranih tragova. Nakon potpunog sušenja, moguće je postupak još jednom ponoviti. Obvezno premažite obje strane membrane. Neposredni nakon izrade paneli imaju izuzetno jak miris karbolne kiseline (lizola) pa ih je poželjno ostaviti nekoliko dana na zraku dok miris ne oslabi. Ovako pripremljena membrana ima izuzetno visok otpor, pa je visokofrekvencijskom dijelu elektrostatskog zvučnika potrebno i nekoliko minuta da nabije zvučnik na puni potencijal. Nakon prve uporabe dobro ih je ostaviti stalno uključene jer su eventualno primjetna poboljšanja zvuka, što je navodno u vezi s jednolikom distribucijom naboja na membrani. Za razliku od onih membrana pripremljenih sapunom, grafitom ili ljepilom za zidne tapete, ove membrane mogu trajati i više od 20 godina. Tipične impedancije membrana u ovisnosti o primijenjenom premazu i načinu primjene pokazuju slijedeće vrije dnosti, u ovisnosti o materijalu i postupku:Grafit mehaničkim poliranjem 10 5 - 107 ohma/kvadratuGrafit mehaničko poliranje i prebrisivanje alkoholom 10 8 - 1010 ohma/kvadratusapun utrljavanje 107 - 109 ohma/kvadratu Nylon otopina 1010 - 1014 ohma/kvadratu Vrlo je važno ne samo postizanje visoke vrijednosti otpora nego i pravilan izbor materijala tj. električne razlike u stupnju polarizacije primijenjenih materijala. Ako se želi smanjiti vrijednost površinskog otpora u pripremljenu membranu mogu se dodati aditivi, kao npr. sapun. Osim Mylara, postoje podaci da se dobre i trajne membrane mogu napraviti i primjenom Hostaphana. Podatke o nabavi i cijeni Hostaphana možete vidjeti ovdje.Otpor membrane Potrebna otpornost membrane može se izračunati iz kapaciteta elektrostatske membrane i vremena potrebnog za potpuno nabijanje kapaciteta zvučnika. Za potpuno siguran rad vremenska konstanta treba biti 10 puta duža od najniže reproducirane frekvencije. Ako zvučnik reproducira do 30 Hz, za dodatni faktor sigurnosti uzet ćemo 3 puta nižu frekvenciju npr. 10 Hz, jer se takve frekvencije ipak mogu naći u audio signalu, bez obzira da li ih zvučnik reproducira. Sigurnosna granica uz frek venciju od 10 Hz je 1.4 x 1010 Ohm. ako je površinski otpor 10 Moma/kvadratu to je ujedno i objašnjenje dinamičkih ograničenja pri radu elektrostatskog zvučnika.Mjerenje površinskog otpora Električna svojstva vrlo tanke elektrode, kao što je membrana, uglavnom se opisuje površinskim otporom, Rs, koji izražava odnos istosmjernog napona narinutog na dvije elektrode uzorka prema struji koja teče među njima. Budući da su efekti zapremninskog otpora zanemarivi, oni se ni ne obrađuju pri analizi otpora tankih membrana. Površinska vodljivost je recipročna (inverzna) vrijednost površinskog otpora. Površinska otpornost, r s, je otpor površine, Rs, pomnožen sa odnosom dimenzija površine uzorka (širina dvije paralelne elektrode koje definiraju putanju struje, podijeljenom sa udaljenošću među njima). To izmjerenu vrijednost otpornosti pretvara u vrijednost, koja bi se dobila, kada bi elektrode formirale dvije nasuprotne vrijednosti kvadrata. Ta vrijednost specifičnog površinskog otpora izražava se u "omima po kvadratu". U tom slučaju veličina "kvadrata" je bez dimenzije. Uporabit ćemo relaciju: r s = Rs x D / L r : površinska otpornost (grčko slovo ro)Rs: otpor površine D: dužina svake elektrode L: udaljenost među elektrodama Struja teče od jedne elektrode prema drugoj, pa ako pretpostavimo da je Rs 80 oma, a L = 2D, bit će: r s = Rs x D/ L = 80 ohm x D / 2 D = 80 ohm / 2 = 40 ohm. Izmjerimo li ovu vrijednost u suprotnom smijeru Rs = 20 . Budući da znamo da je r s odnos dužine elektrode prema međusobnoj udaljenosti elektroda (odnos je u ovom slučaju D = 2L) možemo ponovno izračunati površinsku otpornost Ps = Rs x D / L = 20 ohm x 2 L / L = 20 ohm x 2 = 40 ohm (uočite kako se dimenzije za L i D poništavaju, bez obzira na dimenzije uzorka, i jedinca je u omima/kvadratu) Lijepljenje membrane Osnovni izvor svih problema elektrostatskih zvučnika je tip primijenjenog ljepila. Sunčeva svjetlost otapa ljepila pa membrana uslijed gubitka čvrstog spoja može doći u direktni kontakt sa statorom što ima za posljedicu kvar. Od svih ljepila najbolja su se pokazala cyanoakrilatni tipovi ili dvokomponentna ljepila. Međutim najbolji savjet koji možemo dati onima koji namjeravaju napraviti elektrostatski zvučnike je taj da ga naprave na način koji omogućava vrlo laganu i brzu demontažu. Audio transformatori Mnogi proizvođači proizvode audio transformatore za rad s elektrostatskim zvučnicima. To su transformatori slični onima koji se koriste na izlazu cijevnih pojačala. Međutim, transformator možete izraditi i sami ili ih možete dati napraviti po vašem proračunu specijaliziranim poduzećima. Brojni su proizvođači audio transformatora koje možete dobiti Internet tražilicama npr. Amplino, Audio 4, Audio transformers Radio Twente, Lundahl, Magnequest, Peerless, RCK Consulting, Sowter, Tamura, Tango…, ali vam preporučujem da ih potražite kod domaćih proizvođača, jer će vam ih i oni znati brzo i povoljno napraviti po vašem zahtjevu. U prosjeku računajte da će vas 100W trafo za veliki tzv. "full range" sustav koštati cca. 500 Kn. Najbolji rezultati se postižu sa OTL modelima cijevnih pojačala s visokonaponskim cijevima na izlazu. U tom slučaju nisu potrebni audio transformatori jer OTL pojačalo već na izlazu daje potreban napon. Međutim, ako želite koristiti obično pojačalo i zvučnik snage 30 - 100W dovoljno je koristiti audio transformator 1:50 do 1:100. Cijena transformatora je daleko manja za manju snagu (npr. 30W, 4-8 W primar, 8-20 KW sekundar, 20 Hz-20kHz) ili ako elektrostatski zvučnik koristite samo od srednjih frekvencija (npr. 300 Hz do 20000 Hz).Visokonaponski dio Elektrostatski zvučnici za rad trebaju istosmjerno visokonaponsko napajanje reda veličine od 1000 do 8000 V. Struje koje teku su zanemarive jer ih ograničava ekstremno visoki otpor membrane. Najopćenitije govoreći, što je napon napajanja viši to će osjetljivost zvučnika biti viša, međutim postoji granica do koje možemo ići s naponom zvučnika. U svakom slučaju preporučujemo izolirane statore (plastifikacija metala i li premazi posebnim bojama). Ako statori nisu izolirani najviši napon je oko 1500V, bez obzira na udaljenost između membrane i statora. Viši naponi imati će za posljedicu električno pražnjenje u obliku korone i poznati zavijajući visokofrekvencijski ton. Za udaljenost do 8 mm između plastificiranog statora i membrane dopušten je napon polarizacije do 5000V. Visoki napon polarizacije u elektrostatskom zvučniku realizira se visokonaponskim transformatorom, ispravljanjem i naponskim množiteljem. Komponente koje se koriste za ovaj sklop moraju izdržati vrlo visoke napone koje moraju biti deklarirane za svaki primijenjeni element. Postoje posebni visokonaponski otpornici, koji se obvezno moraju koristiti. Svaki zvučnik obično ima svoj vlastiti visokonaponski sklop, ali moguće je napajati dva zvučnika i sa jednim. U tom slučaju, posebnu pozornost moramo posvetiti izolaciji vodiča koji vode visoki napon od jednog do drugog zvučnika. Pri nabavi materijala potrebno je posvetiti pozornost da struje praktički uopće ne teku ovim sklopovima, te su dovoljni elementi fizički najmanjih dimenzija za zanemarive struje. Ako ne možete naći odgovarajući visokonaponski transformator, naponskim množilom možete bez problema realizirati bilo koju potrebnu vrijednost. Osim visokonaponskim transformatorima i kaskadama, najelegantnije i električki najsigurnije rješenje je DC-DC konverter, kojeg možemo napraviti sami ili kupiti gotovog. Tada s tronožnim regulatorom sa regulacijom napona npr. od 3-15V možemo na izlazu DC-DC konvertora regulirati visoki napon u vrlo širokim granicama. Ne zaboravite, najkvalitetniji uređaji, imaju primijenjena izuzetno jednostavna i relativno jeftina rješenja. Preporučavam da proučite i dostupne sheme mnogih vrhunskih elektrostatskih zvučnika. Ni u kojem slučaju ne zaboravite izlazne otpornike u visokonaponskom ispravljaču. Njihova svrha je ograničavanje izlazne struje ispravljača, pomažu zvučniku pri radu s konstantnim nabojem i konačno, pomažu pri minimiziranju štete koja može nastati ako membrana dodirne stator elektrostatskog zvučnika. Dobro je znati da zrak (ovisno o relativnoj vlažnosti) može izdržati približno 3kV/mm. Visoki napon na elektrostatskom zvučniku, čija je membrana udaljena od statora 2 mm je 2x1.5kV=3kV. Pri konstrukciji odredit će te da li želite pobuditi vaš zvučnik do granice elektrostatskog proboja ili će te os taviti rezervu.Kapacitet Kapacitet elektrostatskog zvučnika jedan je od najvažnijih parametara u odnosu na pravilan rad audio transformatora kojim se pobuđuje zvučnik signalom izlaznog pojačala. Kapacitet zvučnika je C = 8854 x A / d C = kapacitet zvučnika u pF (piko Farad)A = površina membrane u m2 d = udaljenost među statorima u mm Na dobivenu vrijednost obićno se doda 15 - 25% zbog parazitnih rasipnih kapacitivnosti. Visokonaponski dio Najčešće se izvodi kao kaskada sa slijedećim sastavnim dijelovima: transformator 220/12V u kućištu s mrežnim utikačem, transformator za montažu na tiskanu pločicu (220/12 V) kondenzatori 0.1 uf / 630 V dioda 1N5408 (1000 V) visokonaponski otpornici cca. 1-10 M Ohm ili više vrijednosti. Transformatori u kučištu s ispravljačem izuzetno su jeftini i omogućavaju realizaciju visokonaponskog ispravljača koji galvanski dvostruko odvaja mrežni napon od elektrostatskog zvučnika. Transformator može biti najmanje snage koju nađete. Istovremeno primjenom transformatora u kućištu s utikačem spriječavamo dovođenje mrežnog napona u elektrostatski zvučnik, a istovremeno spojni vodovi potrebni za rad napajanja vode vrlo niski napon od 12V.
Shema sustava za polarizaciju kaskadom i DC-DC konvertorom - klikni na sliku za detaljni prikaz Na tiskanoj pločici visokonaponskog ispravljača sa transformatorima na pločici vraćamo napon sa 12 na 220V i prema slijedećoj shemi pravimo kaskadu za potreban napon. Pri izradi pločice potrebno se pridržavati pravila za vrlo visoke napone i dovoljno udaljiti elemente vodljivog lika. Ponavljanjem elemenata kaskade možemo postići napon po volji. Drugi način konstrukcije visokonaponskog dijela Nešto jednostavniji, ali skuplji i sigurniji, način konstrukcije visokonaponskog dijela je primjena DC-DC konvertera. Ovaj konverter možemo napraviti sami ili što je jednostavnije, ali skuplje, možemo kupiti i gotovi. Za pravilan rad DC-DC konvertera potreban je samo tronožni regulator s regulacijom, kojeg možemo napraviti pomoću npr. LM317T ili bilo kojeg drugog regulatora. Tako realiziranom sklopu, izlazni napon može se podešavati unutar vrlo širokih granica. Dodatna sigurnost sustava je ta što se obično vrlo mali mrežni transformator nalazi u posebnom kućištu s utičnicom, pa su opasni mrežni naponi potpuno udaljeni od zvučničkog sustava. DC-DC konverter potpuno je zatvoren u kućištu sa ulaznim i izlaznim stezaljkama i pinovima za montažu na tiskanu pločicu. Vrlo veliki izbor modula možete naći ovdje. Jedan od preporučljivih modula ima izlazni napon od 4000V uz struju 250 uA, uz ulazni napon 15V/100mA. Izlaz je proporcionalan ulazu i može se mijenjati u području od 500 do 4000V, što je izuzetno korisno, pri podešavanju tek napravljenog elektrostatskog zvučnika.Ponovit ćemo, kako je nužno postaviti izlazne otpornike 1 - 50 Mohma koji moraju biti visokonaponskog tipa, a koji nisu iste konstrukcije kao uobičajeni metal film ili ugljeni otpornici. Otpornici standardne izvedbe mogu se vrlo lako razoriti naponima višim od 500V. Kako napraviti elektrostatski zvučnik Do sada je u tisku ili na Internetu objavljen veliki broj priloga o samogradnji elektrostatskih zvučnika, a čitanjem ovog članka i vi ste dobili nužna saznanja o toj temi. Međutim, prije bilo kojeg rada s elektrostatskim zvučnicima u samogradnji, potrebno se pridržavati nekih predostrožnosti. Nužno je potrebno da statori budu izolirani. Izolirani statori primaju mnogo više napone što rezultira daleko većom osjetljivošću sustava. Istovremeno smanjuju se mogućnosti izbijanja, kao i elektrošokova korisnicima. ako statori nisu izolirani, potrebno ih je premazati prikladnom zaštitom. Jedna od najboljih i najjeftinijih su uobičajeni poliuretanski premazi koji trpe visoke napone. Osim toga moguće je primijeniti i posebne premaze za zaštitu od visokih napona, ali njih je malo teže nabaviti. Razmak membrane i statora od 2mm dovoljan je za reprodukciju najniže frekvencije od oko 80 Hz. Za oktavu dublji ton neophodne je napraviti razmak bar 50% širi tj. 3mm. Međutim, za glasnu reprodukciju najniže oktave potrebno je imati veliku površinu membrane, veću od 1m2, veliku udaljenost od membrane do statora, membranu s vrlo niskom rezonancijom, ekstremno visoki površinski otpor i konačno vrlo visoki omjer primara i sekundara, prilagodnog transformatora ili OTL pojačalo s vrlo velikim izlaznim naponom, reda kV. U svim slučajevima, reprodukcija najnižih frekvencija može se poboljšati filterom na frekvenciji rezonancije. To će potisnuti velike pomake membrane, omogućiti realizaciju većih glasnoća. Međutim, primjena posebnog subwoofera i ograničenje rada full range elektrostatika u najdubljoj oktavi, povećava glasnoću sustava više od 10 dB. To je i razlog zašto ćemo u ovom članku početnicima preporučiti samogradnju samo srednjetonskog ili visokofrekvencijskog elektrostatskog zvučnika. Svi problemi su višestruko manji, a kvaliteta zvuka elektrostatika ostaje. Primjeri ovakvih sustava su Martin Logan s dinamičkim kompresijskim zvučnikom ili QUAD 63 sa dipolnim subwooferom. Za izradu elektrostatskog zvučnika potrebno je nabaviti: Prilagodni transformator, jedan ili dva po svakom panelu. Najbolje je koristiti transformatore sa izlaza cijevnih pojačala s omjerom primar 4 - 8 oma / sekundar 8K do 20Koma. Dovoljna snaga je oko 20W na 30 Hz za full range elektrostatski zvučnik. Ako radite srednjetonsko-visokotonski zvučnik, transformator može imati manju snagu na donjoj rezonancijskoj frekvenciji panela - tj. transformator će biti višestruko manji i jeftiniji.Plastična folija za izradu membrane tip Mylar, Poliester, Hostaphan ili slični, debljine 3-6 mikrona. Materijal za premaz membrane; grafitni prah, antistatik sprej ili posebne otopine Nylona. Grafitna mast se vrlo lako primjenjuju ali tako preparirane membrane ne mogu dugotrajno zadržavati svoje karakteristike u usporedbi s onima od Nylona. Istovremeno otopine imaju najviši mogući otpor. Perforirani aluminij, čelik ili jednožilni kabel za izradu statora. Ploče trebaju biti perforirane cca. 60% sa dimenzijama otvora 3 - 6 mm. Rupe ne smiju biti veće od cca. 7mm. Pripazite na rubove pri perforiranju koji mogu biti oštri pa oštetiti membranu pri montaži. To mi se dogodilo pri motaži prvog panela kada sam slučajno zaparao već montiranu membranu rubom statora. Akril, fiberglas ili pleksi staklo za okvir membrane. Manji zvučnici mogu se izraditi s okvirom od štampane pločice. Fiberglas se teško reže primjenom posebnih alata, a piljevina je otrovna, međutim, epoxi ljepila drže je vrlo dobro. Akrili i pleksiglas lakše se obrađuju, ali ljepila ne drže, jer im je površina "masna". Ljepila ne prodiru u membranu i bolje je koristiti vrlo kvalitetne ljepljive trake. Njihovom primjenom ujedno je jednostavnija i demontaža.Visokonaponski ispravljač od 1000-5000V koji se najčešće izrađuje kao naponsko množilo - kaskada. Projektiranje sustava Odlučite se za tip zvučnika i dimenzije. Savjet: ako ste početnik odlučite se za manje dimenzije i izradite za početak samo jedan manji zvučnik. Ako ste zadovoljni rezultatom, lako će te dodati bas panele. Prvo napravite okvire i izolatore. Ostavite prostora za spojne kablove - 3 po zvučniku. Ako nemate prethodnog iskustva i mjernih sustava držite se empirijskih vrijednosti. Za visokotonski ili srednjetonski panel izaberite površinu oko 18dm2, napon polarizacije cca. 1500V i udaljenost membrane od statora oko 1 - 2 mm. Za sustav koji reproducira čitavi frekvencijski sustav izaberite površinu oko 36 dm2, napon 3000 - 5000 V i udaljenost oko 5 - 8 mm. Debljina izolatora je u funkciji mnogih parametara. Za reprodukciju najnižih frekvencija do cca. 30Hz udaljenost treba biti oko 8mm i najviši mogući napon polarizacije. Također je potrebno podijeliti panele unutar zvučnika pa su za kvalitetu zvuka potrebna dva ili više prilagodnih transformatora. Međutim, postoje i zvučnici sa samo jednim panelom za reprodukciju cijelog spektra. Elektrostatske sile privlačenja i odbijanja naboja na membrani i statoru mijenjaju se sa kvadratom udaljenosti. To znači da će za podvostručenje debljine odstojnih izolatora biti potrebna četverostruka vrijednost napona za istu glasnoću. Nije lako konstruirati elektrostatički sustav za reprodukciju čitavog frekvencijskog pojasa. Za dovoljno nizak i glasan bas površina membrane treba biti vrlo velika, međutim to povećava kapacitet zvučnika i limitira visokofrekvencijski odziv. Za visokofrekvencijske elektrostatske zvučnike prikladno je koristiti kao odstojnike tiskane pločice debljine cca. 1 - 1.5 mm. Ta udaljenost je dovoljna da se uz točan napon polarizacije i pobude realiziraju vrhunski rezultati i visoki zvučni tlakovi u frekvencijskom području od 300 - 20000 Hz.Empirijska pravila o konstrukciji elektrostatskog zvučnika govore o odnosu dimenzija zvučnika prema debljini izolatora. Pravilo govori da membranu treba poduprijeti na svakoj stostrukoj udaljenosti debljine okvira. Poduprijeti znači postaviti izolacijsku traku među statorima na koje se naslanja membrana. Pogledate li uspješne tvornički izrađene elekt rostatske zvučnike primijetit će te kako su trake izolatora koji podupiru membranu postavljeni svakih 10 do 15 cm, te se nepravilno raspoređeni, kako bi rezonancija svake sekcije bila na različitoj frekvenciji. Ako je membrana relativno manja, izolacijske trake nisu potrebne.Jedan od težih tehničkih problema je realizacija električnih spojeva sa elektrostatskim zvučnicima. Sa statorima problem i nije tako izražen jer se prikladni električni vodovi relativno lako mogu spojiti na metalne ploče. Međutim, sa izuzetno tankom membranom problemi su nešto izraženiji. Praksa pokazuje nekoliko prikladnih načina na koje sto to može napraviti, međutim problem se sastoji, ne samo u mehaničkom spajanju, nego i zadržavanju visokog električnog potencijala među metalnim statorima i membranom. Svaka nečistoća, (suvišak grafitne masti ili premaz otopine) skrenut će visoki napon i pripadajuće polje prema masi. Dakle prije bilo kojeg spajanja potrebno je zadržati besprijekornu čistoću svih površina. Električni kontakt s membranom najčešće se realizira sa bakrenom ili aluminijskom metalnom trakom. Pri spajanju visokonaponskog napajanja obvezno se spaja minus ispravljača na zvučničku membranu, a + ispravljača na srednji izvod prilagodnog transformatora što sprječava oksidaciju spojeva. Vrlo je veliki problem točno odrediti prenapregnutost membrane. Zatezanje je postupak uravnoteženja debljine odstojnika, napona polarizacije i frekvencijskog područja u kojemu će raditi zvučnik. Zvučnik uvijek radi iznad rezonancijske frekvencije membrane. Za rad u cijelom frekvencijskom opsegu osnovna rezonancijska frekvencija zvučnika mora biti ispod 100 Hz. Niska osnovna rezonancijska frekvencija znači slabo zatezanje membrane. Međutim, slabo zategnuta membrana ima veliki pomak što znači da će eventualno doći u kontakt sa statorom. To uzrokuje potrebu za niskim naponom polarizacije. Međutim, u praksi iznos površinske napetosti membrane nije kritičan. Zvučno najbolje su se pokazale više vrijednosti površinske napetosti, međutim takvi sustavi nemaju dovoljno nisku donju graničnu frekvenciju. Već smo opisali neke premaze i njihovu pripremu. Dakle ako ste se odlučili za grafitnu mast pamučnom krpicom grafit kružnim pokretima utrljate u membranu. Nakon što ste utrljali grafit novom čistom krpicom nastavite utrljavanje i skidanje svih viškova. Po završetku postupka, kada vidite da na čistoj krpici više ne ostaje trag, moguće je površinu ispolirati alkoholom. Pri ovom postupku potrebna je zadržati besprijekornu čistoću svih ostalih dijelova sustava. Drugi i bolji i dugotrajniji postupak je premazivanje membrane otopljenim nylonom. Pri ljepljenju membrane, premaže se odstojnik ljepilom i položi na prepariranu membranu. Za odstojnike koriste se pertinax, fiberglas, ili materijal za izradu tiskanih pločica. Pleksiglas je jedan od najboljih materijala jer ima vrlo visoku dielektričnost i nije težak za obradu. Manjem zvučniku, okvir je najbolje napraviti od pertinaksa. Statore je obvezno izolirati bojanjem ili plastifikacijom. Nakon što je konstrukcija montirana potrebno je električno povezati sustav.
Evo kako izgleda rastavljen visokotonsko- srednjetonski elektrostatski sustav u samogradnji Sada znate sve što vam je potrebno da sami izradite svoj prvi elektrostatski zvučnik. Međutim, zapamtite, ako ste zadovoljni sa zvukom svojih sadašnjih zvučnika, prepustite izradu drugima. | ||||||||||||||||||||||||||||||||
