Come dimensionare la lampadina a protezione per un tweeter o driver

[Angelodj]

Salve a tutti, vorrei capire se esiste una formula o un metodo per dimensionare queste lampadine, ho notato che su molte casse pro, ad esempio DAS si usano in serie due lampadine 12v 21w, su un'altra cassa invece è presente una sola ma da 24v 21w, su altre sempre 24v ma da 18w.
In delle casse Yamaha la lampadina è alogena invece che ad incandescenza!
So che il principio di funzionamento dovrebbe essere quello che quando Google ha determinata cosa intende questa lampada inizia a scaldarsi e a produrre luce diminuendo la corrente al driver, e questo avviene soprattutto quando arriva una dannosissima corrente continua!

Grazie mille per tutte le info!

[stereosound]

Se il diffusore è per uso hi-fi domestico ti sconsiglio vivamente l'uso di una lampadina come protezione. Magari un fusibile rapido corretamente dimesionato è da preferirsi (non avresti nessuna compressione dinamica a causa della lampadina).
https://www.thomann.de/it/monacor_pl2418.htm
https://www.ebay.co.uk/itm/165584775333
Il dimensionamento andrebbe fatto tenendo presente la corrente massima rms che può circolare nella bobina mobile di un driver: per un tweeter standard questo valore è compreso tra 0.5A e 0.75A.
Il discorso cambia se il diffusore è di tipo pro da utilizzare per grossi ambienti; in questo caso puoi ricorrere ad una lampadina ,da dimensionare in base alle caratteristiche del driver da proteggere. (Le lampadine hanno una R del filamento che varia con la temperatura e quindi con la tensione applicata ai suoi capi, ma il suo valore non è lineare e pertanto è da reputarsi una soluzione poco vantaggiosa ai fini qualitativi). Dicasi lo stesso con un PTC.
https://www.rgsound.it/cb-40-ptc-protez ... 23536.html
Andrebbero bene anche due zener in antiserie collegati in parallelo al driver dimensionati per non superare la massima tensione rms del driver, oppure una coppia di transil o con un trisil (che è bidirezionale).
Come alternativa un fusibile autoripristinante tipo PPTC ,opportunamente collegato (dovrebbe prevedere anche una R parallela per evitare di spegnere il driver durante la fase di protezione).
Si può anche prevedere un circuito specifico che possa leggere (anche) una certa distorsione con valore medio di tensione che eguagli o superi appena il livello max di accettazione del componente.
Qualcosa di pronto lo trovi qui:
https://it.aliexpress.com/item/32997965 ... nuqDntsVRj

[drpaolo]

Le mie casse ElectroVoice hanno questo circuito qui a protezione del tweeter, che ritengo geniale, nella sua semplicità.

Per quanto riguarda l'uso di una lampadina è pur vero che, collegata in parallelo, può fungere da espansore di dinamica per altoparlanti a larga banda (ricordo i consigli di CQElettronica degli anni '60).

Collegata in serie, invece, il fenomeno di compressione (potenzialmente sempre presente) potrebbe ridursi ed essere ininfluente per queste ragioni che di seguito espongo.

Cominciamo innanzitutto a definire i due concetti chiave: resistività e coefficiente di temperatura.

La resistività (o resistenza specifica) è la resistenza caratteristica che presentano i vari materiali conduttori ed è descritta dalla resistenza di un conduttore avente una sezione di 1 mmq e una lunghezza di 1 m alla temperatura di 20 °C

Il coefficiente di temperatura indica la variazione di resistenza per una resistenza di 1 Ohm, quando la sua temperatura varia di 1 °C

La resistività del tungsteno (filamento della lampadina) è di circa tre volte superiore a quella del rame e di circa due volte superiore a quella dell'alluminio (materiali che possono comporre gli avvolgimenti delle bobine mobili dell'altoparlante), mentre il coefficiente di temperatura dei tre metalli è all'incirca uguale ed è positivo, cioè all'aumentare della loro temperatura aumenta la loro resistenza.

In soldoni, quando una corrente attraversa un conduttore questo si scalda e -nei casi da me considerati- aumenta la sua resistenza (coefficiente di temperatura positivo o PTC come ti ha già detto Stereosound).
I due conduttori (filamento della lampadina e bobina mobile dell'altoparlante) sono collegati in serie al generatore (l'amplificatore) e sono quindi attraversati dalla stessa corrente.
Per Effetto Joule (Effetto termico della corrente) la corrente li fa riscaldare in maniera proporzionale alla sua intensità.

Se i due conduttori (tungsteno e rame o tungsteno e alluminio) fossero entrambi all'aria aperta, la stessa intensità di corrente farebbe variare maggiormente la resistenza del filamento in tungsteno e quindi al punto centrale del partitore resistivo, costituito dal filamento e dalla bobina mobile della maglia circuitale si avrebbe una riduzione della tensione disponibile ai capi del tweeter e quindi una compressione, legata dinamicamente al regime termico.

Si dà però il caso che la lampadina sia “in aria libera” all'interno della cassa, mentre l'avvolgimento della bobina mobile è confinato all'interno del traferro, dove la circolazione dell'aria è fortemente limitata.
Dunque è assai possibile che la resistenza della bobina mobile, a maggiore temperatura (diciamo 100 °C) possa raggiungere un valore che riequilibra quello del filamento e quindi mantenga “invariato” il rapporto di partizione e riduca al minimo il fenomeno della compressione.

Ecco perchè si usano le lampadine senza grossi problemi, nelle casse pro. L'uso di un fusibile, seppure possibile, interromperebbe il funzionamento del sistema e ciò, per il pro, è un male.

Passiamo ora a quello che ti interessa: il dimensionamento della lampadina.

Putroppo non è possibile dare formule esatte, perchè il regime termico all'interno della cassa è ignoto, come è ignoto il fattore di cresta del segnale che alimenta il driver, anche se si ipotizza che esso sia piuttosto basso (autooscillazioni del finale o eccessiva distorsione armonica) quando la protezione deve intervenire.
Il funzionamento del circuito dipende da fattori che devono essere testati in laboratorio, tipo l'inerzia temica di quella particolare lampadina o la legge della variazione della resistenza in un bulbo di tipo commerciale (stessa cosa vale per l'uso dei resistori PTC).

Supponiamo di avere un driver commerciale (CIARE NDA-1, ad esempio) che è già un driver semi-pro a giudicare dalle specifiche.
La sua impedenza caratteristica è di 8 Ohm e la potenza nominale è di 50 W, secondo le raccomandazioni AES (non esistono norme specifiche, nel campo, credo).

Uno dice: “50 W sono un sacco di potenza, la lampadina non serve”.

Vediamo cosa dicono le raccomandazioni AES (AES2-1984 -r2003):

• la potenza è misurata con un segnale avente un fattore di cresta di 2;

• l'altoparlante in misura deve essere sospeso in aria libera (e la compressione termica ?);

• l'altoparlante deve potersi raffreddare prima di passare ad un livello di potenza superiore nel corso della prova (si, come nò !?).

Diciamo che con queste specifiche si può ridimensionare la potenza massima effettiva in funzionamento continuo a 10 W RMS, che sono già tanti, per un driver sensibile !

Ecco, direi che le lampade che hai citato tu (24 V 21 W) possono essere adeguate, in linea di massima, a proteggere un driver con tali specifiche.

Questo secondo il mio personale parere, dato che non sono un grande esperto di altoparlanti (e neppure mi interessa esserlo )

[UnixMan]

Si dà però il caso che la lampadina sia “in aria libera” all'interno della cassa,

ehm... la lampadina è in aria libera, ma non il suo filamento. Che al contrario è racchiuso in un bulbo di vetro riempito di gas inerte (banalmente azoto, se non è una alogena), per cui lo scambio termico è molto più limitato che non se fosse direttamente in aria. Specie nei tipi di lampadine in questione, che hanno bulbi piccoli, i moti convettivi all'interno sono fortemente limitati. Lo scambio termico tra il filamento e l'esterno avviene principalmente per irraggiamento (molto poco efficace, specie alle basse temperature del caso in questione...) e per conduzione attraverso i terminali (che presumibilmente è il meccanismo prevalente in questo caso).

Il raffreddamento è lento, mentre il riscaldamento localizzato per effetto Joule nella piccola massa del sottile filamento è molto più rapido. Per cui, "a naso", l'effetto di compressione mi pare piuttosto probabile. Bisognerebbe fare delle misure per verificare e quantificare.

P.S.: negli altoparlanti da PA della cosa se ne fregano allegramente... per quel tipo di impiego l'importante è che possano produrre pressioni sonore elevate, non si rompano e continuino a suonare ininterrottamente. La qualità "HiFi" è l'ultima delle preoccupazioni (non per caso tipicamente il suono dei "live" amplificati fa schifo, ancorché non sia certo questa la causa principale).

[drpaolo]

ehm... la lampadina è in aria libera, ma non il suo filamento.

Questo è vero, ma...
...la lampadina (il filamento) nel funzionamento normale, non raggiunge mai temperature significativamente differenti da quelle per cui è stato calcolato il rapporto del partitore resistivo di protezione, che comunque è calcolato in via empirica, come ho ricordato nel mio scritto.
Ricordo inoltre che la lampadina protegge la via degli acuti; il fattore di cresta di questa parte del programma musicale è piuttosto alto, solitamente, cosicchè l'inerzia termica del sistema filamento/bulbo entra poco in gioco, sia per il riscaldamento che per il raffreddamento.
Ritengo molto difficile che un picco dovuto -che so- ad un colpo di piatto che dura pochi millisecondi, pur causando un passaggio istantaneo di corrente efficace molto alto, possa variare in maniera significativa la resistenza interna della lampadina, vincendo la sua inerzia termica.
L'effetto Joule, cioè l'energia elettrica trasformata in calore all'interno del filamento è proporzionale alla sua resistenza, alla corrente che lo attraversa, ma anche alla durata del picco di corrente che attraversa il filamento stesso.

Comunque lo scopo di una lampadina in serie all'altoparlante è proprio quello di esercitare una compressione del programma musicale, ma solo nei momenti in cui il sovraccarico è eccessivo, cioè nel caso di comparsa di prodotti di distorsione in quantità notevole o di autooscillazioni al limite superiore della banda audio.
In questo caso, come ho detto, il fattore di cresta del segnale della via acuta si abbassa considerevolmente e quindi lo scambio termico diventa un fattore significativo nel determinare la compressione, che comunque è voluta e auspicata dal progettista.

Diverso è il caso della compressione -udibilissima- che si verifica nei sistemi di altoparlanti a bassa efficienza e a bassa sensibilità, sulla via delle note basse (woofer). In questo caso ritengo che il diverso regime termico dell'induttore di crossover e della bobina mobile del woofer, che si realizza col meccanismo che ho citato prima (aria libera contro spazio costretto e poco ventilato) causi questo problema, che è facilmente rilevabile in tutti i sistemi di altoparlanti che richiedono una notevole potenza elettrica per muovere l'altoparlante delle note basse.

Questo secondo la mia personale opinione, ovviamente.

E' certo che i puristi dell'hi-fi non useranno mai una lampadina per proteggere i tweeter delle loro casse, ma piuttosto un circuito simile a quello che ho mostrato all'inizio del mio primo post...

[stereosound]

Una protezione di tipo parallelo,almeno per i puritsi dell'hi-fi, è la scelta migliore dato che non introduce nessun elemento estraneo sul percorso del segnale che pilota l'altoparlante.
La lampadina non è certamente la soluzione migliore ma rimane pur sempre una scelta di semplice applicazione specie nei sistemi PA in quanto non spegne del tutto il componente eccetto in quei casi di eccessivo e continuativo pilotaggio (ma questa è una condizione da evitare assolutamente).

[Angelodj]

Ma superata la potenza di 10w (dopo il filtro) si dovrebbe rompere la lampadina, non il driver il mio de 16 si è rotto di nuovo, ma la lampada funziona ancora... Cassa pro 8" + 1" filtrato attivo 250hz e driver a 5.5khz filtro 12db

[UnixMan]

Una protezione di tipo parallelo,

e come la faresti una protezione in parallelo, per un altoparlante?

Lo metti in corto (con un relè), col risultato di mettere in corto l'uscita dell'ampli? non mi parrebbe una buona idea...

[drpaolo]

...il mio de 16 si è rotto di nuovo, ma la lampada funziona ancora... Cassa pro 8" + 1" filtrato attivo 250hz e driver a 5.5khz filtro 12db

Non riesco a capire se tu alimenti le casse con filtro attivo a monte e amplificatori dedicati oppure passando attraverso il loro crossover passivo.
La lampadina è parte integrante del filtro passivo; se si bypassa il filtro passivo, la lampadina non ha effetto.

[drpaolo]

...e come la faresti una protezione in parallelo, per un altoparlante?

Forse intendeva dire che l'elemento sensore che attiva la protezione (in serie) è in parallelo all'altoparlante.

[stereosound]

Forse intendeva dire che l'elemento sensore che attiva la protezione (in serie) è in parallelo all'altoparlante.

Esatto!
Intendevo questo! Simile alla protezione Klipsch postata ad inizio thread.

Lo metti in corto (con un relè), col risultato di mettere in corto l'uscita dell'ampli? non mi parrebbe una buona idea...

Certamente non così!!!
In maniera più esplicita intendevo dire che una protezione di tipo "parallelo" non comporta nessun utilizzo di componenti serie al segnale ma solo un circuitino,alimentato dallo stesso segnale, che legga la tensione di pilotaggio del driver per determinarne quel valore medio "critico" che possa pilotare un circuito che stacchi lo stesso driver durante tutta la fase di protezione.
Per diffusori domestici si può usare tranquillamente qualcosa di simile come circuito di protezione: è sufficiente predisporre una rettifica del segnale di pilotaggio con opportuna limitazione;la regolazione temporizzata andrebbe fatta simulando le condizioni limite di utilizzo avendo ben a mente le caratteristiche del tweeter da proteggere.
https://it.aliexpress.com/item/32954598 ... Redirect=y
In passato ho usato varie volte questo sistema anche in ambito "pro" ma con accorgimenti diversi.

[UnixMan]

Forse intendeva dire che l'elemento sensore che attiva la protezione (in serie) è in parallelo all'altoparlante.

Esatto!
Intendevo questo! Simile alla protezione Klipsch postata ad inizio thread.

Ah, ok... ma in tal caso non si parla di protezione in parallelo. La protezione (cioè, l'elemento che svolge materialmente tale funzione, come ad es. il contatto del relè nell'esempio citato) è in serie al segnale.

(e va da sé che ci sarà sempre qualche "purista" che dirà che anche quello è deleterio... )