Latar Belakang
Perkenalan pertama saya dengan crossover aktif dimana saya mendapat kesan yang sangat mendalam mengenai crossover aktif adalah ketika saya mendengar suara yang keluar dari speaker aktif Meridian DSP8000, yaitu sekitar tahun 2007. Saat itu salah satu customer saya baru saja membeli speaker tersebut dengar harga sekitar GBP35000. DSP8000 adalah speaker aktif 3 1/2 way, dengan total 5 buah amplifier dalam tiap unit speaker. DSP8000 tersusun dari 2 modul yaitu modul bass yang berisi 6 buah driver dan modul mid high yang berisi mid dan tweeter. Untuk informasi lengkap mengenai DSP8000 anda bisa ke web Meridian di link berikut http://www.meridian.co.uk Apa yang saya dengar dari DSP8000 adalah sebuah speaker dengan suara yang sangat natural, dimensional, separasi yang baik antara masing masing driver dan tentunya bass yang sangat terkontrol. Boleh dikata saya jatuh cinta pada pendengaran pertama kepada system aktif, dan ahirnya pengalaman dengar ini menginspirasi saya untuk membangun sebuah system yang berbasis speaker aktif. Namun karena kesibukan kerja saya pada saat itu barulah setelah 4 tahun berlalu saya baru bisa mulai merealisasikan impian untuk membangun system speaker aktif.
Ada 3 bagian utama yang harus saya buat dalam merealisasikan impian saya Untuk memiliki system speaker aktif ini yaitu :
1. Crossover Aktif
2. Power Amplifier
3. Pemilihan driver speaker dan pembuatan cabinet
Sebagai langkah awal dari perjalanan saya menuju impian ini yang akan saya lakukan adalah membuat crossover aktif

Apa yang dimaksud dengan Crossover
Telinga manusia mampu mendengar frekuensi dalam rentangan 20Hz sampai dengan 20 kHz, namun pada kenyataanya tidak ada driver/speaker yang bisa menyalurkan dengan baik seluruh frekuensi suara dalam rentangan tersebut.

Ada driver yang hanya bagus dalam mereproduksi suara mulai dari frekuensi 20Hz sampai frekuensi sekitar 500Hz, driver ini disebut woofer, dalam sebuah speaker woofer dapat diidentifikasi dengan ukurannya yang paling besar.

Ada driver yang hanya bagus dalam mereproduksi suara mulai dari frekuensi 3kHz sampai frekuensi 20kHz atau bahkan lebih, driver ini disebut tweeter, dalam sebuah speaker, tweeter dapat diidentifikasi dengan ukurannya yang paling kecil. Ada driver yang hanya bagus dalam mereproduksi suara mulai dari frekuensi sekitar 300Hz sampai frekuensi sekitar 3kHz, driver ini disebut midrage, dalam sebuah speaker midrange dapat diidentifikasi dengan ukurannya yang relative sedang dibandingkan dengan woofer dan tweeter.

Ada driver yang hanya bagus dalam mereproduksi suara mulai dari frekuensi sekitar 20Hz sampai frekuensi sekitar 3kHz, driver ini disebut mid-bass, dalam sebuah speaker midbass dapat diidentifikasi dengan ukurannya yang tidak sebesar woofer namun lebih besar dibandingkan mid-range.

Agar supaya sebuah system speaker bisa menampilkan dengan utuh seluruh frekuensi mulai dari 20Hz sampai dengan 20kHz, maka driver driver tersebut Harus ditampilkan secara bersamaan dengan berbagai kombinasi sesuai dengan karakter dan kebutuhan yang diinginkan. Dalam aplikasinya semua driver dalam sebuah speaker tidak bisa langsung disambung secara langsung dengan power amplifier, karena hal ini akan mengakibatkan driver mereproduksi rentangan frekuensi yang bukan berada dalam rentangan frekuensi dimana driver tersebut bisa bekerja dengan baik, selain juga akan ada frekuensi yang direproduksi secara bersama sama oleh driver tersebut. Agar masing masing driver hanya mereproduksi frekuensi yang sesuai dengan kemampuannya maka diperlukankan sebuah alat yang bisa mendistribusikan frekuensi suara ke masing2 driver, dan alat inilah yang disebut “Crossover”. Dalam aplikasi audio ada dua jenis crossover yaitu crossover aktif dan pasif. Disebut crossover pasif karena hanya tersusun atas komponen elektronika pasif yaitu resistor, capacitor dan inductor, sebaliknya disebut crossover aktif, karena menggunakan komponen elektronik aktif yaitu transistor atau tube sebagai jantungnya selain juga dibantu oleh komponen pasif seperti resistor dan capacitor.

Mengapa harus system aktif
Setiap kali saya mendengar suara dari speaker pasif, walau yang berkualitas sangat bagus sekalipun, saya selalu mendengar sepertinya ada sesuatu yang menghambat transfer energi dari amplifier menuju driver. Pada speaker pasif seringkali saya mendengar ketika musik menampilkan suara yang tidak terlalu kompleks dengan nada bass yang relative sedikit, maka suara mid dan high sangat rapih dan bagus, separasi suara, staging, dan depth terdengar sangatlah bagus. Namun ketika system menampilkan suara bass yang agak dominan, selalu saja ada keadaan dimana suara mid dan high dari speaker terganggu oleh kemunculan suara bass yang agak dominan, sehingga clarity, separasi dan staging menjadi terganggu secara tiba tiba. Pada system aktif kelemahan seperti yang saya sebutkan di atas tidaklah terjadi, walaupun system sedang memainkan musik yang rumit, clarity, separasi, staging dan dept tetaplah terjaga dengan baik.

Menurut pendapat saya setidaknya ada 4 hal yang menyebabkan crossover pasif menampilkan kelemahan seperti yang saya sebutkan di atas.
1.Arus balik dari woofer
Ketika arus listrik yang mewakili sinyal masuk ke dalam coil dari woofer, maka kemudian akan terjadi interaksi antara arus listrik tersebut dengan magnet yang kemudianberakibat bergeraknya membran speaker. Gerakan membrane speaker ini kemudian akan mengakibatkan coil pada speaker berinteraksi dengan magnet speaker yang mengakibatkan mengalirnya arus balik dari dari coil speaker menuju midrange, tweeter dan amplifier dan arus balik ini mengganggu kerja midrange, tweeter, maupun amplifier. Proses terjadinya arus balik ini adalah mirip dengan prinsip kerja dari microphone dan situasi ini tentunya akan menggangu kerja dari tweeter dan midrange sehingga kualitas suara juga akan terganggu. Hal yang sama sebenarnya juga terjadi pada tweeter dan midrange, namun karena ukuran coil dan membrane dari tweeter dan midrange tidak sebesar woofer maka gangguan yang diberikan oleh tweeter dan midrange tidak separah dibanding gangguan yang dari woofer, karena besarnya arus balik pada tweeter dan midarange jauh lebih kecil. Ada sebuah cara yang sangat mudah untuk memahami terjadinya arus balik dari woofer, lihatlah Gambar 1 berikut ini


Hubungkan sebuah woofer dengan multimeter pada posisi voltmeter, set posisi ukur multimeter pada skala yang terkecil, kemudian tekan dan lepas membran speaker berulang ulang sambil memperhatikan gerakan jarum pada voltmeter, tekanan dan lepas ini berutujuan untuk mensimulasikan gerakan woofer setelah menerima arus listrik dari amplifier. Akan terlihat bahwa jarum pada voltmeter bergerak maju mundur sebagai pertanda adanya tegangan pada dari woofer, dan tegangan inilah yang ahirnya akan menghasilkan arus balik dari woofer. Jika arus balik ini masuk ke tweeter dan midrange, maka kualitas suara yang diproduksi oleh midrange dan tweeter juga akan terganggu.

2. Rugi rugi komponen pasif L, C dan R pada Crossover pasif
Komponen pasif yang terdiri inductor, kapasitor dan resistor adalah komponen dasar yang membangun sebuah crossover pasif, di dunia ini tidak ada komponen yang spesifikasinya sempurna dan tidak memiliki rugi rugi, sehingga dimanapun komponen seperti R L C ada di rangkaian audio, pasti akan menimbulkan rugi rugi, akan tetapi pada crossover pasif rugi yang ditimbulkan oleh komponen pasif R L C adalah yang paling besar dibandingkan dengan kerugian oleh komponen pasif ini pada pemakaian di tempat lain dalam rangkaian elektronika audio, ada dua factor yang menyebabkan besarnya rugi rugi yaitu :
a) Dalam sebuah system audio arus pembawa sinyal musik terbesar adalah yang berasal dari amplifier dan menuju ke speaker melewati crossover.      
    Sebagai illustrasi ; arus listrik sebesar 1 A yg keluar dari amplifier menuju speaker 8 ohm akan menghasilkan daya sebesar 8W, sedangkan arus
    sebesar 1mili ampere yang keluar dari preamp menuju ke input dari amplifier dengan impedansi 1kohm akan menghasilkan tegangan sebesar 1 volt,
    jika amplifiernya memiliki gain 10x (20db) maka pada output amplifier akan keluar tegangan sebesar 10V, tegangan sebesar 10V ini kalau diberikan
    pada  beban 8 ohm maka akan menghasilkan daya sebesar 12.5W yang lebih besar daripada daya 8W yang diberikan oleh arus sebesar 1A mengalir
    dari  amplifier menuju beban speaker 8 ohm. Padahal 1 ampere adalah 1 mili ampere dikali seribu .
    Makin besar arus melewati suatu penghantar ataupun komponen, maka akan semakin besar pula kemungkinan rugi rugi yang akan terjadi karena drop
    tegangan pada penghantar ataupun pada komponen adalah berbanding lurus dengan besarnya arus, hal ini bisa dijelaskan dengan hukum Ohm sbb :
    V = I x R
    Dimana V = tegangan drop, I = arus listrik yg mengalir dan R= resistansi
b) Keharusan menggunakan inductor dengan inti udara, dan capacitor non polar pada ahirnya akan mengharuskan perancang crossover menggunakan  
    kapasitor ataupun inductor dengan ukuran fisik yang relative besar. Semakin besar ukuran fisik dari inductor dan capacitor maupun resistor akan
    diikuti oleh rugi rugi komponen yang semakin besar pula. Kapasitor dengan ukuran besar cenderung memiliki ESR dan ESL yang lebih besar Inductor
    dengan ukuran besar cenderung memiliki Q factor yang buruk Resistor berdaya besar cenderung bersifat induktif.

3.Ketidaklinieran perbedaan fasa karena ketidakstabilan impedansi speaker
Ketika seorang perancang speaker pasif menghitung nilai L dan C untuk crossover pasif, maka nilai L dan C tersebut sesungguhnya hanya berlaku untuk satu nilai impedansi tertentu saja yang konstan, namun dalam kenyataannya tidak ada speaker yang impedansinya konstan dalam rentangan frekuensi audio, sehingga delay ataupun pergesaran fase yang sebelumnya sudah diperhitungkan dengan akurat,  namun karena ketidak linieran impedansi ini kemudian menjadi tidak akurat,  dan keadaan ini bisa menggangu kalkulasi lainnya sperti misalnya time alligment antara tweeter dan driver lainnya. Pada crossover aktif hal ini tidak perlu dikhawatirkan karena dalam perancangan filter aktif yang menjadi beban adalah resistansi murni dan stabil.

4. Kompromi Akurasi Karena Ketersediaan Komponen
Dalam proses perancangan rangkaian elektronika yang menggunakan komponen aktif maupun pasif, selalu akan ada keadaan dimana nilai komponen yang didapat dari perhitungan tidak sesuai dengan nilai standar yang ada di pasaran. Dalam proses perancangan crossover pasif perbedaan nilai C antara perhitungan dengan nilai standar yang tersedia, umumnya menjadi sebuah kendala dalam mendapatkan perhitungan yang akurat. Kalau ingin memaksakan mendapatkan nilai C yang akurat maka harus memparalel berbagai C dengan nilai berbeda dan membuat bentuk crossovernya menjadi lebih besar, situasi ini sering membuat perancang melakukan kompromi terhadap akurasi perhitungan. Dalam perancangan crossover aktif, kesulitan seperti di atas jauh lebih mudah diatasi, karena dalam perancangan crossover aktif hanya menggunakan C dengan ukuran yang kecil dan resistor, cukup dengan memilih nilai C standar, kemudian tinggal menghitung nilai R yang diinginkan, kalaupun nilai R yang didapat dari perhitungan tidak ada dalam standar adjustment bisa dilakukan dengan cara menserikan atau memparalalel beberapa R, dan cara ini jauh lebih mudah dan murah daripada harus memparalel C berukuran besar pada crossover pasif.

Crossover aktif sekalipun bukanlah 100% sempurna kalau dibandingkan dengan crossover pasif karena crossover aktif sekalipun masih memiliki rugi rugi yang ditimbulkan komponen seperti OP Amp/Transistor, resistor dan kapasitor. Namun rugi rugi pada crossover aktif jauh lebih kecil dikarenakan hal sbb :
1. Sinyal pada crossver aktif baik input ataupun output berada pada level preamp atau umumnya disebut line level yang mengalirkan arus dalam jumlah    
    sangat kecil dibandingkan arus dari power amp ke speaker via crossover pasif (Illustrasi pada point a di atas)
2. Tidak perlu menggunakan inductor, karena crossover aktif umumnya hanya tersusun atas capacitor kecil, resistor dan Op Amp
3. Kalaupun perlu menggunakan kapasitor, maka kapasitor yang diperlukan umumnya yang berurukuran kecil, sehingga rugi rugi nya pun jauh lebih kecil.
4. Akurasi perhitungan bisa diupayakan maksimal dengan cara memodifikasi nilai R, dimana cara ini jauh lebih mudah dan murah daripada mengupayakan    
    akurasi maksimal dengan mendapatkan nilai C yang akurat pada perancangan crossover pasif.

Ilustrasi rugi rugi pada kapasitor dan inductor
Untuk membayangkan seberapa besar rugi rugi yang bisa ditimbulkan oleh kapasitor dan inductor yang umumnya digunakan dalam crossover pasif saya menyiapkan sebuah kapasitor dan inductor dengan ukuran yang umumnya digunakan dalam sebuah crossover pasif.
Pada gambar 2 berikut ini adalah sebuah kapasitor non polar dengan ukuran 3,3uF/450V, kapasitor dengan nilai ini umumnya digunakan dalam crossover pasif, dan kapasitor ini berasal dari merek yang juga banyak digunakan oleh pabrikan speaker dalam membuat crossover pasif, namun untuk alas an etika lapisan terluar dari kapasitor ini sudah saya lepas karena tercantum merek dari kapasitor ini. 


Setelah kapasitor siap maka saya mulai mengelupas lapisan pertama dari kapasitor sample tsb dan bisa anda lihat pada gambar 3 berikut ini.


Kemudian proses pengelupasan kapasitor sampel saya lakukan sampai semua elektroda kapasitor habis terlepas, dan hasilnya bisa dilihat pada gambar 4 berikut :

Yang membuat saya terkejut adalah bahwa panjang total dari elektroda kapasitor sample ini adalah sekitar 20 meter !!! Bisa anda bayangkan berapa banyak rugi rugi yang terjadi ketika sinyal musik dari amplifier bergerak melewati seluruh elektroda dari kapasitor sample ini. Jika anda seorang DIY yang pernah merakit speaker atau amplifier, mungkin ada sudah pernah menemukan bahwa memasang kabel berlebih sekitar 10 cm saja sudah bisa berpengaruh buruk pada kualitas suara, apalagi kalau kelebihannya sampai 20 meter. Langkah serupa juga saya lakukan pada inductor sample untuk membayangkan rugi rugi yang mungkin diberikan oleh inductor pada kapasitor aktif. Gambar dari inductor sample bisa anda lihat pada gambar 5 berikut ini :

Induktor sample ini menggunakan inti udara dengan diameter kawat 1.5mm/AWG16 dengan nilai sekitar 1mH, umumnya inductor senilai ini digunakan untuk membuat low pass filter pada crossover pasif. Kemudian inductor sample ini saya uraikan kawat nya sehingga habis semua dan hasilnya bisa dilihat di gambar 6 berikut ini.


Setelah semua kawat terurai saya mengukur total panjang dari kawat tersebut adalah sekitar 15 meter. Bagi anda yang pernah mencoba gonta ganti kabel speaker, mungkin anda pernah menemukan bahwa perbedaan panjang sebesar 1 meter pada kabel speaker sudah bisa memberikan perbedaan kualitas suara, apalagi kalau sampai 15 meter. Bisa dibayangkan berapa banya peningkatan damping rasio dari system kalau sekirannya system yang menggunakan crossover pasif diubah menjadi crossover aktif, karena sinyal musik dari amplifier sudah tidak perlu lagi melewati kawat yang sedemikian panjang dan menimbulkan banyak rugi.

Discreet Op Amp
Sebagai jantung dari crossover aktif yang saya bangun saya menggunakan discreete Op Amp yang merupakan rancangan asli saya sendiri dan tidak menggunakan Op Amp jadi ataupun skema jiplakan perancang lain. Skema dari discreet Op Amp yang akan saya gunakan dalam proyek ini bisa dilihat pada gambar 7 berikut ini.



Seperti yang terlihat pada skema di atas, Discreet Op Amp (DOA) tersusun atas 2 gain stage saja yaitu differential input yang dibentuk dari JFET 2SK30 dan VAS single ended yang tersusun dari transistor komplementer 2SA970 dan 2SC2240, semua JFET dan Bipolar tersebut adalah berasal dari type Low Noise. Sebagai CCS dari dua stage yang ada dalam DOA ini saya menggunakan Cascode CCS. CCS untuk differential dibentuk oleh 2SK246 yang juga di cascode dengan 2SK246, sedangkan untuk VAS, CCS yang digunakan adalah LM317 yang di cascode dengan SC2240. Dengan hanya tersusun atas dua gain stage maka pewarnaan yang diakibatkan oleh komponen menjadi lebih kecil dan rangkaian bersuara lebih natural. Dengan VAS single ended maka output dari DOA dipastikan bekerja dalam kelas A, berbeda dengan IC OP Amp yang bekerja dalam kelas B ataupun AB serta tersusun atas 3 gain stage.

Konstruksi Crossover Aktif Orde 2


 Konstruksi dari crossover aktif bisa dilihat pada gambar 8 di atas. Crossover ini adalah crossover aktif 2way dan tersusun atas tiga buah bagian yaitu buffer yang juga berfungsi sebagai line stage pre amp dan dilengkapi dengan volume control, LPF dan HPF. Untuk HPF dan LPF nya masing2 menggunakan topology Unity Gain Sallen Key, topologi ini adalah Non Inverting, dan gain nya 1 (0 dB). Umumnya crossover aktif mendapat supply signal dari line stage preamp terpisah, namun karena saya ingin meminimalkan jumlah penguat dalam system saya memfungsikan buffer juga sebagai line stage preamp dengan menambahkan volume control di depan buffer line stage tsb, dan rencana ke depan saya juga ingin menempatkan relay selector di depan line stage, sehingga crossover ini juga bisa dihubungkan dengan berbagai sumber. Line stage preamp ini saya rancang untuk memiliki gain sebesar 2x (6db) Crossover aktif ini saya rancang dengan mengikuti karakter Linkwitz-Riley active filter orde 2, atau yang umum disebut LR2.
 Sebenarnya ada beberapa type aktif filter yang umumnya digunakan dalam bidang elektronika audio seperti Butterworth, Bessel dan Chebysef. Linkwitz-Riley saya pilih dengan pertimbangan sbb.
1. Linkwitz-Riley topologi adalah yang umum digunakan dalam bidang audio professional, dan bisa dikatakan sebagai standarnya audio pro.
2. Cara perhitungan pada topologi Linkwitz-Riley relative mudah karena nilai C dan R pada topologi ini adalah sama baik pada LPF dan HPF,
    hanya posisinya saja yang berbeda
3. Linkwitz-Riley memiliki respon amplitude yang flat dibanding topologi lainnya. Penjelasannya bisa dilihat pada gambar 9 berikut ini.


Pada gambar 9 di atas terlihat bahwa Linkwitz Riley memiliki respon magnitude yang flat, sedangkan pada butterworth ada sedikit peak tepat di frekuensi cutt off crossover nya. Cutt off frekuensi dari crossover rancangan saya ini adalah 2500Hz, nilai ini saya pilih berdasarkan saran dari pabrikan driver yang akan saya gunakan yaitu Visaton. Driver Unit Driver yang rencananya akan saya gunakan ialah Visaton G20SC tweeter dan Visaton W170SC untuk mid-bass, dan kedua driver ini saya beli dari rekan saya Mr. Malion. Mid Bass W170SC menangani frekuensi di bawah 2500Hz. Tweeter G20SC akan menangani frekuensi diatas 2500Hz sampai 20kHz, tweeter ini saya pilih karena selain cocok dengan selera saya setelah saya melakukan uji dengar dengan salah unit produk Mr. Malion yang sudah jadi, driver ini juga memiliki respon frekuensi dan impedansi yang sangat flat, bisa dilihat di gambar 10 berikut respon frekuensi dan impedansi dari Visaton G20SC tweeter.

Pada uji dengar yang sudah pernah saya lakukan dengan speaker 2 way pasif yang menggunakan G20SC dan W170SC, saya menemukan bahwa G20SC mampu menampilkan karakter yang cepat, dimensional, dan sangat natural, tidak ada coloration sedikitpun. Walaupun system saya belum lengkap namun saya punya keyakinan bahwa system 2way aktif saya akan bersuara luar biasa karena pasifnya saja dimana sinyal masih melewati L dan C sudah bagus, apalagi kalau sudah tidak melewati L dan C. Jika anda menginginkan tweeter dengan karakter yang natural, gesit dan jujur G20SC bisa menjadi pilihan yang tepat. Tapi sebaliknya jangan pilih tweeter ini jika telingga anda sudah terbiasa ditipu oleh suara dari single driver, atau driver lain yang suaranya tebal tapi tidak natural. Sedangkan grafik respon frekuensi dan impedansi dari Visaton W170SC bisa dilihat pada gambar 11 berikut.







Gambar PCB PCB Crossover aktif bisa dilihat pada gambar 13 berikut ini. Unit ini memang belum dicoba untuk menerima sinyal musik sungguhan, namun dari pengukuran dengan generator sinus dan osiloskop sudah menunjukkan bahwa unit ini sudah bekerja dengan baik dan sesuai dengan spesfikasi yang saya inginkan.