Cómo diseñar y construir un filtro divisor (crossover) para altavoces: Guía DIY con diagramas

Nota: Como no pretende ser un artículo avanzado, no cubriré aspectos técnicos como impedancia de bobina móvil, respuesta de fase, respuesta fuera de eje de onda sonora, desplazamiento de fase, u opciones de diseño de 4º orden.

¿Cómo funciona un crossover pasivo? (Guía breve para principiantes)

Un filtro crossover pasivo difiere de uno activo (usado en diseños de audio electrónico, amplificadores y preamplificadores, etc.) en que usa componentes pasivos sin alimentación para filtrar un rango de frecuencias antes de que llegue a un altavoz o altavoces. En términos prácticos, "bloquean" efectivamente las frecuencias de sonido no deseadas de llegar a un driver de altavoz reduciendo enormemente, o atenuando, la señal de entrada desde un estéreo o amplificador.

Esto es posible gracias a una propiedad de condensadores e inductores llamada reactancia. La reactancia es una oposición al flujo de corriente eléctrica y cambia con la frecuencia de la señal de audio. Esto crea una impedancia a la señal que controla cuánto nivel de señal (voltaje a nivel de altavoz) está presente en los terminales del altavoz.

El papel de condensadores e inductores en el diseño de redes crossover

• Un condensador aumenta su oposición al flujo de corriente en frecuencias por debajo del punto de crossover. Esto significa que actúa como filtro pasa-altos cuando se conecta en serie con una carga de altavoz (carga en Ohmios).
• Un inductance aumenta su oposición al flujo de electricidad más en frecuencias por encima del punto de crossover. Esto significa que actúa como filtro pasa-bajos cuando se conecta en serie con un altavoz.

Los usos reales de estos son extremadamente importantes en sistemas de altavoces de audio para casa o coche:

• Podemos usar el condensador de valor correcto (medido en Faradios) para impedir que sonido de baja frecuencia llegue a un tweeter, lo que causaría distorsión ¡o incluso daño!
• Podemos usar un inductor de valor correcto (medido en Henrios) para impedir que señales musicales de alta frecuencia lleguen a un woofer, lo que sonaría muy mal o áspero.

Condensadores e inductores pueden usarse solos (crossover de una sola etapa, también llamado 1er orden) o combinados para hacer un filtro aún más efectivo con distintas características. Los crossovers de 1er orden tienen una pendiente de crossover, o empinamiento/efectividad del filtrado, que cae a una tasa de 6 dB por octava.

Los crossovers de 2º orden, que tienen dos secciones de condensador o inductor, caen su salida a 12 dB por octava. Los diseños de 2º orden son de los más usados para crossovers pasivos ya que son un buen compromiso entre complejidad, coste, empinamiento de pendiente y calidad de sonido.

En el mundo de la ingeniería usamos Decibelios (dB) para medir niveles de salida de altavoz o valores de señal de crossover porque ambos son no lineales. Esto significa que para audio aumentan o disminuyen basándose en potencias de 10 (son logarítmicos).

Un signo negativo delante indica reducción; signo positivo o ninguno indica ganancia.

Ej.: Un crossover con pendiente de -6 dB/octava tendrá una salida reducida en 6 dB por cada octava (duplicación o mitad de frecuencia: 400 Hz, 800 Hz, 1.600 Hz, etc.) pasado la frecuencia de corte.

¿Qué es un punto de crossover de altavoz?

Un punto de crossover de altavoz suele llamarse frecuencia de crossover y a veces se escribe como "Fc" para representar la "frecuencia de corte". Un punto de crossover de altavoz es la frecuencia de corte más allá de la cual las frecuencias de audio se reducen enormemente para que no lleguen a los altavoces, bloqueándolas efectivamente.

En términos técnicos, se basa en el punto donde la salida del crossover tiene una pérdida de 3 dB. En términos de potencia eléctrica, el punto -3 dB es la frecuencia a la que la potencia al altavoz se reduce a la mitad.

Conforme nos alejamos más de la frecuencia de crossover (el punto -3 dB), la salida disminuirá más hasta ser esencialmente cero. Por ejemplo, para un crossover de tweeter de -6 dB/octava con corte a 1 kHz:

• El tweeter tendrá salida de -3 dB a 1 kHz.
• A una octava de distancia (500 Hz), la salida será -6 dB.
• En frecuencias aún más lejanas, la salida será casi 0 decibelios.

Elegir tu tipo de diseño de crossover y detalles relacionados

Elegir tipo de crossover y pendiente

Aquí tienes recomendaciones para la mejor pendiente y tipos de orden de crossover según tu sistema de altavoces. Son generalmente los más populares y funcionan para la mayoría de casos.

• Para un crossover simple de tweeter (pasa-altos, para agudos) o woofer/medio (para pasar señal de baja frecuencia), un tipo de 1er orden, 6 dB/octava suele bastar. Diseños de 2º orden, 12 dB/octava son opcionales si quieres filtrar frecuencias no deseadas aún más agresivamente.
• Para sistemas de altavoces de 2 vías, un Linkwitz-Riley de 2º orden es a menudo el mejor compromiso entre calidad de sonido y rendimiento. Aunque el 1er orden es simple y fácil de construir, no es ideal a menos que tengas razón específica. Otro beneficio: proporcionan salida de altavoz en fase cuando se usan correctamente (lo cubriré luego).
• Para diseños de 3 vías, un tipo de 2º orden está bien y también evita problemas de fase y otras complejidades.

Linkwitz-Riley vs Butterworth y otros tipos de 2º orden

Los diseños Linkwitz-Riley son, sin duda, de los más usados por varias razones —la principal es su respuesta plana donde se solapan las salidas del punto de crossover de woofer y tweeter. Otros diseños como Butterworth, Chebychev y Bessel no ofrecen la misma respuesta de frecuencia aunque sí varios niveles de ganancia útiles para objetivos de diseño específicos.

El crossover Linkwitz-Riley (L-R) es una excelente elección para construir un diseño estándar de altavoz con su pendiente de -12 dB por octava y buena salida (plana).

El crossover L-R de segundo orden es una configuración de todo-paso que suma a una magnitud plana…

La respuesta de magnitud plana, baja sensibilidad al offset, y resonancias de driver en banda han hecho del L-R una opción popular entre fabricantes. — Vance Dickason, The Speaker Design Cookbook (7ª ed.)

Aunque es tema aparte, el crossover L-R no es sensible a la resonancia del driver, otro beneficio. Si te interesa aprender más, te animo a conseguir una copia de The Loudspeaker Design Cookbook de Vance Dickason.

Cómo encontrar tus valores de frecuencia de crossover

La buena noticia es que hay varias formas de saber qué frecuencia de crossover elegir para diseñar y construir el tuyo:

1. Recomendaciones del fabricante.
2. La respuesta en frecuencia del driver si se proporciona esa especificación. (¡No siempre está disponible, desafortunadamente!)
3. Reglas generales basadas en el tipo y tamaño de los altavoces que tienes (tweeters vs woofers, cono pequeño vs cono grande, etc.).

Probablemente acabes usando 2 o más de lo anterior para mejores resultados.

Nota: También cubriré altavoces de 3 vías por separado ya que son un caso especial. Ver abajo.

1. Recomendaciones del fabricante

Si tienes suerte, tu fabricante de altavoces habrá proporcionado un buen rango de frecuencia para uso. En el ejemplo de arriba, elegirías una frecuencia de crossover de al menos 3,5 kHz, que resulta ser una muy común.

2. Gráfico de respuesta en frecuencia o especificaciones del driver

Si tienes la suerte de tener un gráfico de respuesta en frecuencia con los altavoces que quieres usar, puedes ver las áreas donde tienen mala salida y usarlas como guía. Esas son las áreas que querrás evitar.

Para ello, elige una frecuencia de crossover alejada de ese rango. Al usar configuraciones de 2 o 3 vías, esto debería ser idealmente el punto donde el otro driver o drivers también puedan producir sonido. La idea es encontrar un "punto medio" que ambos puedan producir hasta ese punto sin hueco, o rango de salida significativamente más débil.

Del ejemplo arriba, vemos que el tweeter mostrado tiene buena salida hasta algo por debajo de 2 kiloHercios (2 kHz). Sabiendo eso, querrremos elegir una frecuencia de crossover de al menos 2 kHz o superior.

3. Tamaño y tipo de altavoz

Para elegir el corte necesario basado en el tamaño y tipo de tu driver, estas reglas generales ayudan:

• Los tweeters usan un driver pequeño que no puede manejar graves o medios en muchos casos. La mayoría producen sonido desde unos 3 kHz en adelante, así que un corte pasa-altos de 3 kHz o 3,5 kHz suele ser excelente elección.
• Un driver de medios usado en diseño de 2 vías suele ser bueno también hasta 3 kHz-3,5 kHz. [Para driver de medios en diseño de 3 vías ver mis notas más abajo.]
• Woofers que producen algunos medios-graves o frecuencias medias a menudo necesitan un pasa-bajos alrededor de 120 a 250 Hz.
• Los subwoofers funcionan mal con algo que no sea un rango de frecuencia muy limitado, así que 80-100 Hz suelen ser lo mejor. 120 Hz aplica en algunos casos también.

Notas sobre frecuencias de crossover de 3 vías

Aunque no parezca, los crossovers de 3 vías no son solo una simple extensión de un diseño de 2 vías. La idea aquí es usar un diseño de crossover de todo-paso (APC) con un rango de frecuencia grande entre la frecuencia de pasa-altos y la de pasa-bajos.

Eso es por interacciones indeseables que pueden pasar si están muy juntos. Puedes usar mi tabla abajo o esta regla general basada en la razón entre el corte de pasa-altos (Fh) y el de pasa-bajos (Fl):

Buena razón para crossover de 3 vías: Fh/Fl = 8 o superior.

Algunas buenas frecuencias de crossover de 3 vías para usar son:

• 3 kHz / 375 Hz
• 5 kHz / 625 Hz
• 6 kHz / 750 Hz

Para usar la razón 1:8 arriba, elige la frecuencia superior y divide por 8 para obtener la 2ª. Igualmente, puedes elegir una frecuencia inferior y multiplicar por 8 para obtener un buen corte superior.

Ten en cuenta que los diseños de 3 vías tienen una salida de medios con nivel dB más alto o bajo. En este caso, el diseño de 3 vías tiene 2,45 dB de ganancia comparado con salidas de tweeter y woofer, que es bastante pequeño.

En general, cuanto más separados estén los dos puntos de corte, mejor será la respuesta combinada de los drivers (tres octavas es buen punto de partida).

Puntos de corte más cercanos que el ideal de tres octavas sufrirán patrones de interferencia indeseables complicados. — Vance Dickason

Diseñar el circuito del crossover y encontrar valores de componentes

Una vez tienes lo siguiente:

• El tipo de crossover que necesitas.
• Las frecuencias de crossover.
• Tus altavoces y su impedancia (valor en Ohmios).

…¡puedes ponerte a trabajar! La buena noticia es que no será muy difícil — no tienes que hacer las matemáticas tú mismo a menos que prefieras. Puedes usar mi calculadora de crossover para altavoces para obtener los valores de componentes que necesitas.

Usando una calculadora de crossover

Es bastante autoexplicativa pero no te preocupes, he proporcionado instrucciones en la página de la calculadora. Introduce tus valores y selecciones para:

• El tipo de crossover (se mostrará un diagrama para clarificarlo).
• Las impedancias de altavoz usadas.
• La(s) frecuencia(s) de crossover según necesites.

Apunta o guarda los valores, ya sea en los esquemáticos abajo o donde los encuentres.

DIAGRAMAS — Esquemáticos de red crossover para imprimir y usar

Haz clic aquí para ver o imprimir los esquemáticos de crossover proporcionados para construir tu crossover DIY. En la impresión hay espacio para anotar tus valores calculados si quieres.

Conseguir tus piezas

Comprando componentes de crossover

Necesitarás al menos los siguientes tipos de componentes:

• Condensadores electrolíticos no polarizados (bipolares) con tensión nominal suficiente. Generalmente unos 48 V o más.
• Inductores de núcleo de aire, aunque los de bobina de ferrita (núcleo de ferrita) también valen pero no son obligatorios.

Los condensadores se miden en Faradios y suelen venderse en "microFaradios", a veces escrito con símbolo griego Mu (µF, 1/1.000.000 de Faradio) o con "u" pequeña (uF). Los inductores se miden en Henrios y suelen venderse en miliHenrios (1/1.000 de Henrios) escrito como "mH".

Condensadores bipolares vs polarizados

Los condensadores polarizados son el tipo más común pero NO funcionan para audio — DEBES usar tipos no polarizados. Porque 1) no soportan voltaje alterno (AC) que invierte y 2) pueden distorsionar el sonido e incluso fallar. Los condensadores no polarizados dejan pasar la señal musical eléctrica sin problemas.

Los bipolares ("BP", no polarizados) suelen estar marcados como tales, mientras que los polarizados tienen una banda en un lado marcando la conexión negativa.

Tensiones nominales de condensadores

Los condensadores no aguantan voltaje aplicado sobre su máximo. 48 V o más es buena regla, aunque puedes calcular el mínimo tú mismo usando la ley de Ohm si sabes la potencia RMS del amplificador:

V (voltios) = raíz cuadrada (Potencia × ohmios del altavoz)

Por ejemplo, un amplificador con 50 W por canal a altavoz de 8 ohmios tendrá voltaje de salida de unos raíz cuadrada (50 × 8) = 20 V. Una tensión nominal mayor estaría bien pero no queremos bajar de 20 V. Usaríamos la pieza con la siguiente tensión nominal más grande que encontremos o superior.

Tolerancias de valores de componentes (por qué no buscar valores "perfectos")

Los condensadores electrolíticos e inductores de núcleo de aire tienen tolerancia de unos ±20% de su valor nominal. Piezas más caras pueden tener 10% o menos, lo cual está bien pero no es realmente necesario.

Digo esto para que quede claro que:

• Ningún condensador o inductor tendrá un valor perfecto — varían ligeramente de su valor nominal.
• No necesitas un valor exacto, sino bastante cerca del que necesitas.
• Inductores, condensadores y resistencias se venden en valores estandarizados y casi nunca encontrarás el valor EXACTO. En muchos casos no lo tiene el proveedor y no vale la pena perder tiempo buscándolo.

Por ejemplo, un condensador etiquetado como 4,7 µF puede tener un real de 3,76 a 5,64 µF medido con equipo de prueba. (Probablemente esté entre 4 y 5 µF, pero ves la idea). Lo mismo para inductores.

En ese caso, comprarías uno de 4,7 µF si es fácil de conseguir, pero si no, la buena noticia es que hay otra forma.

TRUCO: Cómo obtener los valores que necesitas si no los encuentras

Hay una forma simple de manejar no encontrar los valores exactos. El truco es usar múltiples componentes de crossover de forma que sumen cerca de lo que buscas.

• La inductancia suma cuando se conectan en serie y divide cuando se cablean en paralelo.
• La capacitancia suma (se suman) cuando se cablean en paralelo. La capacitancia total divide cuando se conectan en serie.

¡Esto significa que puedes usar piezas de repuesto o comprar otras de distintos valores que sí estén disponibles para lograr lo mismo!

Piezas varias que necesitarás

No puedo recomendar lo suficiente estar preparado. Aquí tienes una lista general de lo que necesitas para construir y encerrar tus crossovers pasivos:

• Caja de proyecto (si no se monta directo dentro de caja de altavoz), idealmente de plástico ABS.
• [Opcional] Protoboard u otro material plano para superficie de montaje.
• Cable de altavoz o cable diverso para conectar componentes entre sí y bornes.
• Papel de lija o lima para quitar esmalte aislante de extremos de hilo de inductores.
• Bornes de cable: uso tira de bornes en línea de doble fila porque son relativamente fáciles de conseguir, no caros, y se montan con tornillos.
• Adhesivo para montar piezas: adhesivo general, adhesivo silicona, o barra de pegamento caliente y pistola (aunque no recomendado para zonas calientes).
• [Opcional] Etiquetas: cinta Scotch transparente o cinta de embalaje y papel blanco + rotulador permanente o impresora blanco y negro.
• Herramientas manuales típicas: alicates de corte o punta fina, destornillador Phillips, y otros según necesites.

CONSEJO: Al comprar caja de proyecto, ten en cuenta que las columnas de tornillos ocupan espacio interno. Puede que necesites tamaño ligeramente mayor si el espacio queda muy justo.

Recomiendo siempre comprobar cuánto espacio necesitas basado en el tamaño de tus condensadores e inductores.

DIAGRAMA — Cómo construir tu crossover de altavoz

Preparar el circuito y componentes para montaje

Una vez tienes las piezas y el esquemático, ¡es hora de empezar! Para construir tus crossovers, recomiendo:

• Coloca condensadores e inductores en la caja de proyecto para averiguar la mejor colocación antes de empezar a construir. A veces el espacio es justo y no quieres problemas cuando ya estás a medio construir.
• Si usas placa de montaje o perfboard, mide entre las columnas de tornillos de la tapa. Es importante porque muchas cajas de proyecto plásticas tienen bases de tornillo que ocupan espacio por dentro. Corta tu placa según necesites para encajar en esta área.
• Aunque es posible encontrar tira de bornes de una fila, son difíciles de conseguir. Recomiendo usar tira de doble fila porque son asequibles y mucho más fáciles de encontrar.
• Con la tapa puesta, coloca la tira de bornes ligeramente por debajo del borde superior para dejar espacio para que el cableado salga por debajo de la tapa cuando esté puesta. Con rotulador permanente o cuchillo, marca el área encima y recorta esa sección de plástico.

Montar y conectar tus componentes

• Recomiendo usar adhesivo no permanente como pegamento caliente y pistola, sellador silicona, adhesivo de contacto, Gorilla Glue, etc. para montar las piezas. Así podrás quitarlas luego si necesitas modificar el diseño o reutilizar piezas.
• Para temperaturas cálidas el pegamento caliente no es tan bueno. El pegamento caliente puede desprenderse de la superficie de montaje en temperaturas cálidas y no pega bien a superficies lisas como plástico ABS. Por eso no lo recomiendo en la mayoría de casos.
• Los inductores usan hilo tipo imán con aislante de esmalte que tendrás que quitar con papel de lija grueso, lima o herramienta Dremel. Para soldar los extremos del hilo, necesitas exponer la superficie del hilo y dar buena zona de contacto limpio.
• Puedes usar cable de altavoz de repuesto o cable multifilar diverso para conectar los componentes entre sí.

También puedes usar conectores de crimpado en lugar de soldador y estaño, aunque personalmente recomiendo soldar para la mejor conexión posible.

Siguiendo el esquemático del crossover, conecta cada sección a la siguiente y verifica tu trabajo.

Colocación correcta de inductores

Los inductores, como ya sabrás, funcionan aumentando la fuerza del campo magnético usando bucles de hilo. Por esto, es posible que uno cause acoplamiento magnético (interferencia) que induzca señal o distorsión en otro.

Para evitar esto, si es posible múntalos a 90° de diferencia como muestra el diagrama de arriba o a un mínimo de unos 7,5 cm (3 pulgadas). Yo empiezo colocándolos en esquinas opuestas de la caja cuando construyo los míos.

Meterlo en caja de proyecto

Una vez tienes el circuito del crossover construido, coloca todo el conjunto en la caja y usa un poco de adhesivo para sujetarlo dentro si quieres (opcional). Conecta el cableado del lado del amplificador, el lado negativo, y los cables de salida de altavoz a la tira de bornes en la fila superior.

Esto dejará la fila inferior libre para conexiones de altavoz.

Bornes de altavoz y polaridad del tweeter

Las redes de 2º orden tienen diferencia de fase de salida de 180 grados. Afortunadamente, a diferencia de diseños de orden impar (1er o 3er orden), podemos conseguir una salida perfectamente en fase (0° diferencia) fácilmente.

Para hacerlo con redes de 2º orden:

• Sistemas de altavoz de 2 vías: invierte las conexiones de salida del crossover del tweeter en los bornes y conecta el tweeter como normalmente harías. Esto pone el tweeter de nuevo en fase con el woofer / driver de graves.
• Sistemas de 3 vías: invierte la polaridad del medio en los bornes para el crossover.

[Opcional] Añadir etiquetas de cableado de altavoz

¿Quieres dar un toque extra? Puedes hacer fácilmente tus propias etiquetas para conexiones de altavoz e entrada de amplificador. Personalmente recomiendo:

• Usando papel de copiadora o impresora, escribe tus notas de etiqueta con rotulador permanente Sharpie. Opcionalmente puedes imprimir con impresora blanco y negro (aunque es más difícil alinear el texto perfectamente).
• Recorta las etiquetas con tijeras.
• Usando cinta transparente como cinta de embalaje grande, pon la cinta sobre la etiqueta y recorta con tijeras si hace falta.
• Aplica la etiqueta a la caja de proyecto.

Ejemplo de crossover DIY para altavoz terminado

Aquí tienes un ejemplo de uno mío — uno de mis primeros proyectos DIY de crossovers que construí yo mismo. Como ves no tiene que ser perfecto — pero sí bien conectado, con las piezas correctas, y montado de forma práctica para uso diario.

Ten en cuenta que si lo instalas directamente en una caja de altavoz no es necesario usar caja de proyecto, pero el resto de pasos sí deben aplicarse.

Espero que hayas encontrado útil mi guía. ¡A disfrutar del buen sonido a tu manera — y demostrando que tú puedes hacerlo tú mismo!

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