Всем привет! Спасибо, что заскочили на мой канал, посвященный аудиотехнике!
Если хотите принять участие в наших сходках аудиофилов или нужна бесплатная помощь в выборе аудиотехники, то можете написать мне: https://t.me/RA_Fayzullin
Чат в телеграм: https://t.me/WeirdMetalistChannel
Канал на ютуб: https://www.youtube.com/@Каналнеадекватногометалиста2.0
Дзен канал: https://dzen.ru/weirdmetalistchannel
Аудиотехника любимых российских мастеров: https://audio-tube.ru
Отдельно отмечаем, что мнение канала может не совпадать с мнением автора статьи. Статья не направлена на то, чтобы кого-то обидеть.
Поехали!
Хорошо жить на Южном полюсе — экологический оазис. Ни шумов, ни помех. Если прихватить с собой в путешествие граммофон, то можно получить массу удовольствия — праздник меломана-эколога.
Но как только появляется электричество, возникают электромагнитные излучения. Иногда — нужные, полезные, а иногда — вредные, то есть помехи.
Чего-чего, а электромагнитных помех в окружающей среде достаточно. Большая часть бытовой техники “светит” в пространство. Кофемолка, пылесос, холодильник, компьютер — все эти приборы создают помехи.
Существуют, кстати, нормы на излучение, и практически вся новая техника, особенно импортируемая в Россию, проходит жесткий контроль на электромагнитную совместимость (ЭМС).
В широком диапазоне частот проверяют величину излучений, и если окажется, что прибор излучает больше, чем следует, то даже ввезти в страну его будет очень сложно.
И торговать радиоаппаратурой, не имеющей сертификата ЭМС, ни одна уважающая себя фирма не станет. Но сколько еще работает старых пылесосов!
Особенно большие помехи создает система зажигания автомобиля. Один “ЗИЛ-130”, прогревающий двигатель, способен полностью удовлетворить потребность в помехах небольшого поселка.
В городах трамваи, троллейбусы, электрички по мере сил помогают автомобилям засорять эфир.
В крупных городах еще хуже: работают радио- и телевизионные передатчики. В то время как десятки и сотни киловатт излучаемой мощности радуют нас картинками на голубом экране, в районе расположения передающих центров уровень электромагнитных помех просто колоссальный.
Диапазон частот помех очень широк. Например, система зажигания автомобиля или коллекторный двигатель кухонного комбайна создают относительно низкочастотные помехи, спектр которых лежит в пределах от звуковых частот до единиц мегагерц.
Примерно в той же полосе частот лежат помехи от блоков строчной и кадровой развертки телевизоров.
Очень мощные радиопередатчики (сотни киловатт) работают в диапазоне длинных и средних волн, то есть на частотах от 0,15 до 0,3 и от 0,5 до 1,6 МГц. Диапазон частот телевизионных передатчиков простирается примерно от 40 до 800 МГц.
Мощные радиовещательные передатчики заполнили диапазон 64-75 МГц и 100-108 МГц, сейчас осваивают “окошко” между телевизионными каналами: от 90 до 92 МГц.
Не случайно названы диапазоны частот, в которых электромагнитное поле имеет большую интенсивность. Излучение становится помехой только тогда, когда начинает чему-то мешать. Чтобы помешать, скажем, усилителю, помеха должна в него попасть.
Обычный путь — через соединительные провода. Однако взаимодействие с проводами у сигналов разных частот разное. Для сигнала с частотой строчной развертки телевизора (15625 Гц) межблочный соединительный кабель является именно проводом.
А вот для сигнала радиостанции с частотой 100 МГц это уже не просто провод, а длинная линия. Иначе говоря, подав на вход кабеля сигнал с частотой 10 кГц, на его выходе мы получим то же самое, что и на входе, да и в любой точке проводника сигнал будет одним и тем же.
А если на кабель длиной, например, 1 м подать сигнал с частотой 100 МГц, то в разных точках проводника мы увидим разные сигналы.
В одной точке амплитуда напряжения окажется больше, в другой — меньше; это называется стоячими волнами. Чем короче длина волны (выше частота сигнала), тем ярче проявляются волновые эффекты в этом кабеле.
Кроме того, даже на относительно низких частотах, когда волновых эффектов еще нет, сказывается наличие емкости между проводниками и их собственной индуктивности.
Существуют методы, позволяющие описать взаимодействие между источником помех и их потребителем на любой частоте. Но гораздо проще поделить спектр помех на части.
Низкими частотами будем считать диапазон, в котором можно пренебречь собственной индуктивностью проводников, это касается частот ниже 20 кГц, то есть частот звукового диапазона.
Высокие частоты
Высокие частоты начинаются примерно с 30 МГЦ, на этом участке спектра длина волны меньше 10 м, то есть сравнима с длиной соединительных проводов, и относиться к этим сигналам следует уже как к волнам.
Средние частоты
Средние частоты лежат, естественно, между высокими и низкими. В этом участке спектра следует учитывать и волновые эффекты, и влияние элементов с сосредоточенными параметрами.
Помехи на низких частотах
Емкостная связь
Если около электрической соединительной линии окажется провод, на котором присутствует напряжение "Е" (естественно, переменное), то оно через межпроводную емкость "С1" попадет в сигнальную цепь.
Чем больше емкость "С1", чем выше частота, тем больше помех окажется в сигнальной цепи. Для тока помехи i(э) есть два пути: через входную цепь приемника полезного сигнала и через выходную цепь источника.
Величина тока помехи определяется значением напряжения помехи и сопротивлением емкости "С1", которое обычно во много раз больше, чем сопротивления входного и выходного сопротивлений.
Узнать, что имеет место наведение низкочастотной помехи через паразитную емкость, достаточно просто: величина такой помехи зависит от сопротивлений в сигнальной цепи.
Если замкнуть накоротко соединительный кабель на выходе источника, то ток помехи весь потечет через это замыкание и на входе приемника сигналов помеха исчезнет.
И наоборот, если отключить кабель от источника сигнала, то весь ток помехи потечет через входное сопротивление R(вх) приемника, и уровень помех в звуковом тракте резко возрастет.
Основным источником низкочастотных помех, воздействующих через паразитные емкости, служит осветительная сеть.
Наиболее чувствительны к таким помехам несимметричные линии, соединяющие устройства с высокими импедансами, например усилитель и проигрыватель пластинок с пьезоэлектрической головкой.
К счастью, устройства с высокоомными входами и выходами практически не используются для высококачественного звуковоспроизведения.
Для уменьшения помех такого рода можно использовать экранированный провод. Ток помехи в этом случае проходит через экранирующую оплетку кабеля, а не через сигнальную цепь.
Индуктивная связь
Если рядом с соединительной линией окажется проводник с током, то создаваемое этим током магнитное поле наведет в линии помеху.
Величина помехи будет тем больше, чем больше напряженность магнитного поля и чем больше его силовых линий пересекает петлю, образованную соединительной линией. Идентифицировать помеху, вызванную индуктивной связью, можно по реакции на разрыв цепи.
При отключении источника сигнала петля разрывается, и напряжение помехи уже не попадает на выход усилителя, - помеха исчезает.
Помехи могут передаваться через индуктивную связь от осветительной сети, трансформаторов питания, строчной и кадровой развертки телевизоров или компьютерных мониторов.
Иногда помехи проникают в звуковую аппаратуру и от других источников, например, от проводов, идущих к акустическим системам. Уровень "магнитной" помехи обычно слабо зависит от входного и выходного сопротивлений.
Для уменьшения помех, проникающих за счет индуктивной связи, следует уменьшать площадь петли, образуемой соединительной линией, и держать сигнальные провода подальше от сетевых.
Индуктивная связь значительно уменьшается при перпендикулярном расположении проводов, что важно учитывать при их размещении.
Эффективным средством защиты является скручивание проводов, по которым передается сигнал. В этом случае в соседних участках кабеля наводятся противофазные помехи, которые взаимно компенсируются.
Источник помех
Лучшие результаты в смысле защиты от низкочастотных помех получаются при использовании кабеля с двумя свитыми внутренними жилами и экраном. Экранирующую оплетку следует соединить только с корпусом приемника сигнала.
На низких частотах хорошую помехозащищенность имеют симметричные соединительные линии, когда ни один из проводов не замыкается на корпус.
Следует помнить еще одно простое правило коммутации: корпус не может быть “нулем” сигнальных цепей; этой цели служат отдельные провода. Их можно соединять только в одной точке, вблизи самого чувствительного каскада устройства.
Однако это вопросы конструкторские, которые отчасти выходят за тематические рамки нашего журнала, и подробно их рассматривать мы пока не будем.
Прямая связь
От осветительной сети могут возникать помехи не только за счет емкостных или индуктивных связей. Аудиоаппаратура соединяется с сетью также проводами питания. Существует два основных типа подключения к однофазной сети переменного тока: двухпроводный и трехпроводный.
В случае двухпроводного подключения по квартире проложены два провода, между которыми напряжение равно 220 В, по крайней мере теоретически.
Где-то между квартирой и электростанцией один из этих проводов заземлен (см. рис. 5). Но по участку между заземлением и электророзеткой течет ток, потребляемый аппаратурой, которая подключена к этой фазе сети.
Даже при хорошей проводке падение напряжения на “нулевом” проводе заметно, поскольку токи текут значительные.
Если же вместо нормальных использованы случайные провода, к тому же соединенные кое-как, то падение напряжения на “нулевом” проводе может быть и 5, и 10 В, и даже больше.
Это означает, что “нулевой” сетевой провод нельзя использовать в качестве заземляющего.
В трехпроводной сети предусмотрен дополнительный заземляющий провод. По нему не текут рабочие токи; он служит именно для заземления.
На подключение к такой трехпроводной сети рассчитана часть аппаратуры, в том числе и аудио. Такую аппаратуру легко узнать по специальной вилке, в которой имеется дополнительный контакт — так называемой “евровилке”.
Третий контакт может выполнять разные функции, чаще всего он заземляет корпус аппарата. Если у аппарата есть евровилка с заземлителем, то возможно, что на корпусе окажется напряжение сети (или его часть).
Например, в устройствах с импульсным источником питания (компьютер) для подавления помех, которые могут попасть из источника питания в сеть, установлен фильтр.
В сетевом фильтре (см. рис. 6) сетевые провода соединяются через конденсаторы с корпусом. В результате на корпусе может оказаться половина сетевого напряжения.
Ток, который потечет через провод, соединяющий корпус аппарата с “землей”, невелик — всего несколько миллиампер, но если такой аппарат “на ходу” соединить с другим (заземленным) проводом с разъемом RCA, то могут возникнуть неприятности.
У обычного RCA есть один недостаток: сначала соединяются сигнальные провода, а только потом присоединяется “земля”. И эти 110 В подаются прямо на вход. Вполне хватает, чтобы сжечь входные, а иногда и выходные каскады.
Если у аппарата есть евровилка, а нормальной евророзетки под руками нет, то нужно быть очень внимательным. Сначала следует выяснить, имеется ли связь корпуса с проводами сети.
Для этого вилку исследуемого аппарата вставляют в сеть (не подключая к нему ничего!) и включают тумблер питания.
Измерение переменного напряжения
С помощью обычного стрелочного тестера можно измерить переменное напряжение между корпусом аппарата и каждым из проводов сети.
Прибор может показать напряжение от 50-100 В, а не ровно половину сетевого, потому что входное сопротивление тестера соизмеримо с сопротивлением конденсаторов, которые соединяют провода сети и корпус.
Полезно проделать еще одно измерение: измерить ток, который протекает по заземляющему проводнику. Прежде всего нужно в режиме измерения напряжения переключить предел измерения вольтметра (с 300 В на 100 В, например).
Если при таком переключении положение стрелки, как и должно быть, изменится мало, это будет означать, что ток через тестер ограничен теми самыми конденсаторами, и прямого контакта между корпусом и сетью нет.
Если измеряемое напряжение остается постоянным при переключении пределов, то ток может оказаться ограничен только мощностью электростанции и сопротивлением проводов.
Когда установлено отсутствие замыканий между корпусом и проводами сети, можно переключить тестер в режим измерения тока. Вероятный результат приблизительно 1 мА.
Обратите внимание, измерение тестером сопротивления между проводами сетевого питания и корпусом не даст никакой информации. Тестер измеряет сопротивление на постоянном токе, а постоянный ток через фильтрующие конденсаторы не течет.
Самый простой и правильный способ защиты от сетевых помех, проникающих через сетевой фильтр, использовать нормальное заземление.
Но этот способ пока труднореализуем. В любом случае следует соединить корпуса аппаратов, требующие заземления, друг с другом и с корпусом одного из незаземляемых аппаратов (см. рис. 7), например усилителя.
Проделывать все эти коммутации следует очень тщательно, обязательно отключив аппарат от сети. Чтобы изменить что-нибудь в соединениях, скажем, подключить новый источник программ, необходимо отключить все сетевые провода.
Для выравнивания потенциалов корпусов не следует использовать "звуковые" провода. Даже самый хороший провод имеет ненулевое сопротивление, свою долю вносят и контакты в разъёмах.
Уравнивание потенциалов корпусов аппаратов
Для уравнивания потенциалов корпусов аппаратов следует использовать дополнительный провод, а не оплетку звукового кабеля.
Протекание "мешающих" токов по оплетке звукового кабеля вызывает помехи.
Уравнивающий ток создает падение напряжения на самом "звуковом" проводе, и это напряжение подключено последовательно с источником сигнала.
Телевизоры с импульсными источниками питания
Телевизоры с импульсными источниками питания обычно имеют вилки без заземлителя, но "условный" корпус телевизора связан с сетью через конденсаторы значительной емкости.
Если соединить "корпус" телевизора с настоящей "землей", может потечь значительный ток, более 10 мА, что при подключении к аудиокомплексу может создать трудноустраняемые помехи.
Помехи на средних и высоких частотах
На низких частотах использование витой пары в экране может быть достаточным решением.
Однако на средних и высоких частотах, где проявляется реактивность проводников, индуктивная и емкостная связи начинают взаимодействовать, что усложняет защиту от помех.
Высокочастотные помехи
Если не углубляться в научные детали, то ситуация с высокочастотными помехами выглядит следующим образом: сигнал, излучаемый антеннами телевизионного центра, наводит во всех окружающих проводах токи и напряжения.
Наведенная помеха уже не стекает бесследно по экранирующей оплетке кабеля. За счет собственной индуктивности оплетки на ней возникает разность потенциалов. То есть на одном конце ноль, а на другом — уже не ноль, а некоторое остаточное напряжение.
На небольшом расстоянии от антенны мощного телевизионного передатчика это "некоторое" может достигать нескольких вольт и даже более.
Потенциал от одной части экранирующей оплетки через емкости между проводами и оплеткой попадает в сигнальную цепь и создает помехи.
Можно попробовать соединить с корпусом источника сигналов один конец экранирующей оплетки, что приведет к изменению распределения токов помех в проводах.
Проникновение ВЧ-помех в аудиоустройство иногда не влечет за собой никаких последствий. Сигнал с частотой 100 МГц акустической системой не воспроизводится, мощность его обычно мала и не выводит детали из строя.
Однако если на пути ВЧ-помехи встретится нелинейность, например, в транзисторе, лампе, конденсаторе или даже обычном контакте разъема, на этом нелинейном элементе сигнал детектируется, и появляются "продукты" в звуковой полосе частот.
ВЧ-помехи могут вызвать разные процессы в усилителе, следствием которых становятся либо помехи в звуковой полосе, либо увеличение нелинейных искажений звуковых сигналов. Может быть, даже спровоцировано самовозбуждение усилителя.
Разные устройства реагируют на ВЧ-помехи по-разному. В Магнитофоне возможны биения сигнала помех и тока подмагничивания.
В цифровых устройствах тоже появляются продукты интерференции помехи и внутренних высокочастотных сигналов цифровых цепей.
Все на борьбу с помехами!
Диагностика
Сначала нужно понять, какого рода у вас помехи и откуда они взялись.
Источник помех иногда удается идентифицировать по времени их появления.
Включают в соседней квартире пылесос или на ближайшем заводе какую-нибудь технологическую установку — появляются помехи, выключают — помехи исчезают.
Если нет помех в дни праздников или общих выходных, значит, источник помех, скорее всего, промышленное оборудование.
Телевидение и радиовещание тоже работают не всегда. Есть перерывы в вещании (например, ночью), бывают дни профилактических работ, когда передачи тоже не ведутся.
Проследите, возникают ли помехи в вашем тракте в такие периоды.
Характерные особенности есть у “телевизионных” помех. Ясно слышен рокот (50 Гц и гармоники) от кадровой развертки и стрекот (15,625 кГц) — от строчной.
Именно дополнение в виде стрекота и позволяет различить помехи от телевещания (или телевизора) и простой сетевой фон.
Помехи от передатчиков, работающих с амплитудной модуляцией (диапазоны ДВ, СВ и КВ), проявляются обычно в виде продетектированного сигнала, то есть в дополнение к желаемой программе слышна еще одна передача.
Лечение
Когда удалось определить, какого именно свойства помехи преобладают, можно взяться за их уменьшение или даже устранение.
Для уменьшения помех от сети нужно прежде всего разобраться с заземлением. Общее правило: “нули” сигнальных проводников соединяются отдельно, корпуса аппаратов — отдельно.
И только в одной точке, у входа самого чувствительного устройства, следует соединить сигнальный “ноль” с корпусом. В этом случае помехи с корпуса аппарата не попадут по паразитной емкости С1 в усилитель (см. рис. 10).
Поскольку на обеих обкладках паразитной емкости С1 потенциалы одинаковые, ток помехи в усилитель не течет.
Если в аудиосистеме часть аппаратов требует заземления корпусов, а часть нет, то корпуса аппаратов первой группы следует соединить друг с другом и полученный таким образом шлейф замкнуть (в одной точке) с “нулевым” проводом сигнальной цепи, например, с корпусом разъема RCA.
Соединение должно быть надежным, в противном случае при переключении соединительных кабелей аппаратура может выйти из строя.
Чаще всего это происходит при подключении разных мультимедийных устройств, расположенных в компьютере, к внешним усилителям или источникам сигналов.
Причем выходят из строя именно звуковые карты. А вот при подключении к телевизорам страдают почему-то внешние устройства.
Обычно аккуратное соединение корпусов аппаратов и “нулевого” провода сигнальной цепи позволяет ослабить сетевые помехи до приемлемой величины.
Если удалось справиться с помехами от сети, но что-то все же мешает спокойно слушать, следует продолжить курс лечения и заняться высокочастотными помехами.
Манипуляции по соединению корпусов в этом случае практически бесполезны, более того, они могут даже ухудшить ситуацию. Для низкочастотной (сетевой) помехи соединительный провод длиной 0.5 м представляет собой короткое замыкание.
Этот же провод для сигнала телевизионного передатчика дециметрового диапазона выступает как замечательная антенна, а для радиовещательного — просто как хорошая.
Опутывание аудиокомплекса заземляющими проводами может заметно повысить эффективность такой неожиданной антенны и увеличить уровень помех.
От ВЧ-помех следует защитить прежде всего активные устройства входные цепи усилителей.
Как это сделать, показано на рис. 11. В цепь сигнала (в качестве примера изображен симметричный вход) включаются дополнительные дроссели (L1, L2) с индуктивностью 10-100 мкГн и емкости (C1, C2). Я ставлю обычно 100 или 270 пФ — следует использовать высокочастотные конденсаторы: КТ, КД, КМ.
Эти элементы образуют ФНЧ с частотой среза около 1 МГц, защищающий усилитель от ВЧ-помех, которые проникают по кабелю, как по антенне. Иногда удается обойтись и без установки дополнительных элементов.
В качестве дросселей (L1, L2) удобно использовать индуктивность самого кабеля, намотав несколько (2-5) витков на кольцо из высокочастотного феррита.
Кольцо с намотанным на него кабелем следует расположить как можно ближе к входу приемника сигнала (усилителя). Таким образом в сигнальной цепи создается синфазный фильтр.
Токи звукового сигнала в прямом и обратном проводе кабеля текут в противоположных направлениях, и их магнитные поля компенсируются. Отсутствие взаимодействия с материалом кольца феррита исключает его влияние на звуковой сигнал.
А для помехи, наведенной на оба проводника кабеля, как на антенну, намотанный на кольцо кабель выступает в качестве индуктивности, защищающей входные каскады усилителя.
Такой же синфазный фильтр бывает полезен и на сетевом проводе. Он подавляет наведенные на провода сети высокочастотные помехи и практически никак не сказывается на работе самого устройства.
Вблизи от радиопередающего центра уровень помех настолько высок, что возможно ухудшение звучания, вызываемое ВЧ-помехой, которая попадает на выход мощного усилителя. В этом случае тоже полезно использовать синфазный фильтр.
Для изготовления такого фильтра следует несколько раз пропустить через кольцо из высокочастотного феррита кабель подходящего размера, ведущий к АС.
На звуковой сигнал (дифференциальные токи в проводах текут в противоположных направлениях) этот фильтр не оказывает никакого влияния.
А синфазную помеху (токи в обоих проводниках текут в одном направлении) он эффективно подавляет - если провода в кабеле имеют одинаковое направление, то синфазный фильтр заметно их ослабляет.
С профилактической целью можно установить синфазный фильтр еще и на кабель от головных телефонов — расходы на эксперименты ничтожны, а польза бывает большая.
Если и эти меры не помогают избавиться от помех, все же не отчаивайтесь. Специально для критических случаев выпускают кабель с двойным экраном. На рис. 12 показано, как его подключить.
Советы выздоравливающему
Борьба с помехами — это поиск компромисса. Защита от ВЧ-помех, например, может ухудшить звук, ведь всякие дополнительные элементы, включаемые в сигнальные цепи, воздействуют не только на ВЧ-помеху, но и на полезный сигнал.
С ортодоксальным аудиофилом может случиться инфаркт от одного только предложения намотать звуковой кабель на ферритовое кольцо.
Так что если помехи не мешают, то и наматывать ничего не надо. А уж если припекло, то приходится выбирать: либо терпеть помехи, либо мириться с влиянием элементов защиты от помех.
Можно, конечно, не трогать звуковую аппаратуру, а заняться тотальным экранированием всего помещения. Но и здесь есть свои подводные камни. Самое важное — как раз определить, что мешает больше всего, и бороться именно с этим.
И в заключение, несколько простейших правил аудиогигиены:
- Не следует использовать экран кабеля в качестве токоведущего проводника.
- С корпусом экран кабеля соединяют только с одной стороны у входа приемника сигнала.
- “Ноль” сигнальной цепи и корпус соединяют только в одной точке — у входа усилителя.
- Короткий кабель лучше длинного.
- Лучше вообще убрать заземление, чем прицепить провод неизвестно к чему.
- Синфазный фильтр звуку не помеха.
- Совсем не чувствует помех только сломанный усилитель.
Невозможно в одной статье рассказать обо всех аспектах защиты от помех; совершенно незатронутыми оказались, в частности, вопросы защиты от помех некоторых узлов аппаратуры.
Так получилось не потому, что это не важно, а по другой причине: исправить огрехи экранирования, скажем, головки кассетного магнитофона в домашних условиях очень трудно.
Навести порядок в соединениях и заземлениях гораздо проще, а эффективность этих процедур оказывается высокой.
В моей практике бывали случаи, когда “причесывание” межблочных соединений и установка синфазных фильтров (продевание кабеля в ферритовое кольцо) уменьшало уровень фона на 30-40 дБ.