Глава 2. Шум.
Электрический шум, за исключением шума, вызванного действиями молний, полностью на совести электрических и электронных устройств, созданных человеком, включая те, что наполняют наше жилище. Аудио системы — не исключение, и тоже шумят. Каждый компонент воздействует производимым шумом сам на себя и на все остальные компоненты в системе. Существует два пути распространения шума: распространение в пространстве (наводки) или проникновение по проводам в аудио устройство или в соединение между устройствами.
Мы представляем себе напряжение в электрической розетке, как идеальную синусоиду напряжением 120 В 60 Гц (или 230 В 50 Гц), но в реальности она неидеальна и содержит множество составляющих: постоянный ток**, гармоники частоты напряжения питания, паразитный мусор, простирающийся до мегагерцовых частот. Весь этот шум может проникать в аудио цепи и приводить к хорошо слышимым помехам в виде гула или звона, или искажений звука, что без сомнения портит его.
** - о фильтрации постоянной составляющей сетевого напряжения питания можно прочитать здесь.
Шум — явление двунаправленное: шум из электрической розетки проникает в блок питания, а шум от блока питания проникает в электрическую розетку. Оба этих шума проникают в шасси и, соответственно, в систему заземления. Данный вопрос в деталях проработан Eric Juaneda здесь и Bill Whitlock из Jensen в статье AN‐004.
Шум, проникающий из электрической розетки, бывает двух видов: дифференциальный и синфазный.
Дифференциальный шум можно представить источником (шумового) напряжения, подключенным к двум линиям — фазе и нулю.
Синфазный шум не имеет разности потенциалов между линиями электропитания, импровизированный источник шумового напряжения подключается между защитным заземлением (глобальной землёй) и обеими линиями питания.
Итак, что мы можем сделать, чтобы улучшить шумовые характеристики линии электропитания?
1. Очистить линию электропитания.
Любое электрическое устройство в доме, содержащее импульсный блок питания вываливает массу электрического мусора в линии электропитания и защитного заземления. Наибольшее внимание стоит уделить телевизорам и DVD-плейерам, которые соединены непосредственно с аудиосистемой или подключены в ту же самую розетку или группу розеток. В одном из сообщений на форуме Audio Asylum здесь Charles Hansen указывает на эту проблему и рекомендует отключать все компоненты такого рода (от аудио входов коммутатора) и выдёргивать их вилки из розеток. Просто выключение этих компонентов (без отключения от входов и розеток) не спасает от производимого ими шума: Вы думаете, что они выключены, а их блоки питания остаются включёнными (речь, скорее всего, идёт о дежурных блоках питания — прим. переводчика), продолжая делать своё чёрное дело по загрязнению системы электропитания. Проблема не ограничивается телевизорами и DVD-плейерами, компьютеры и микроволновые печи, работающие где-либо в доме, особенно в той же самой цепи электрических розеток, что и аудио система, тоже виновны в полной мере.
2. Очистить защитное заземление.
Защитное заземление на самом деле — оборотная сторона линий электропитания, поскольку является для них опорным потенциалом. Невозможно очистить одно, не очистив другого. Несмотря на то, что защитное заземление подключено к глобальной земле, это подключение представляет собой длинный провод, проходящий по дому и собирающий все виды электрического шума, действуя наподобие антенны. Некоторые форумчане советуют провести для аудио системы отдельное защитное заземление, другие считают, что такое выделенное подключение может в действительности не улучшить, а ухудшить ситуацию. Выделенная линия защитного заземления, использующаяся с выделенным подключением электрической розетки исключительно для аудиосистемы, представляется хорошей идеей, однако дорогостоящей, поскольку требует установки лицензированным электрическим специалистом. Практически такого же результата можно добиться выделением одной из групп розеток, подключенных к одной и той же линии (от электрощитка) для вашей аудиосистемы. В идеале, в оставшиеся розетки не стоит ничего включать, по крайней мере того, что не относится к употребляемому мной термину «хорошей нагрузки». Примерами такой нагрузки могут быть обычные лампы накаливания без регуляторов яркости. Доскональное объяснение «технической земли» приведено в статье Jim Brown о заземлении здесь. Устройства Class 2 (это устройства, не имеющие соединения с глобальной землёй — прим. переводчика) не имеют проблем с шумным защитным заземлением, поскольку у них его нет, однако стоит заметить, что проблема решается только тогда, когда все подключенные в систему устройства являются устройствами Class 2. Иначе говоря, во всех устройствах аудиосистемы, включая внешние подключенные компоненты, отсутствует соединение с глобальной землёй. Например, компьютер гальванически не изолирован, поэтому не является устройством Class 2. Особенности соединения устройств Class 2 (без защитного заземления) и устройств Class 1 (с защитным заземлением) показаны на рисунке 5 в статье Juaneda здесь и детально рассмотрены Jensen в статье AN‐004.
3. Исключить постоянное напряжение в линии электропитания.
Обычно мы представляем себе шум, как некий процесс, вызывающий переменный ток, однако постоянное напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора питания — это тоже шум. Полноценное обсуждение проблем и их решений представлено в статье Rod Elliott здесь.
Также о фильтрации постоянной составляющей сетевого напряжения питания можно прочитать здесь.
4. Выбрать правильную полярность включения вилки в розетку для каждого компонента.
Шум из линии электропитания в форме переменного тока утечки будет передан в сердечник и крепление трансформатора питания через паразитные ёмкости, показанные в статье Juaneda. Особенности конструкции трансформатора приводят к появлению различных паразитных ёмкостей по отношению к его выводам. Поскольку нулевой провод подключен непосредственно к защитному заземлению, а фазный — нет, количество шума на линиях отличается. Эти два фактора, взятые вместе, приводят к тому, что токи утечки будут разными в зависимости от полярности подключения линий электропитания к трансформатору. Соответственно будут разниться и напряжения (по отношению к глобальной земле), появляющиеся на шасси. Скорее всего, напряжения, появляющиеся из таких источников в разных компонентах аудиосистемы, будут разными. Когда мы соединяем эти шасси вместе, разность напряжений создаёт ток, протекающий по соединительным проводам. Данный вопрос обсуждается Charles Hanses на форуме AudioAsylum здесь, а способ проверки полярности включения показан здесь.
Запомните, что окончательное изменение полярности включения должно осуществляться непосредственно на трансформаторе, поскольку необходимо, чтобы включатель питания и предохранитель всегда находились в цепи фазы.
Примечательно, что данная проблема не зависит от класса устройства (Class 1 или 2). За подробностями — снова к Jensen в статье AN‐004.
5. Использовать фильтр питания в разрабатываемом оборудовании. Наилучшей разновидностью фильтра является встроенный во входную силовую розетку. К несчастью, фильтр питания — обоюдоострый меч. Он, конечно, устраняет шум, однако, для этого ему приходится сбрасывать синфазный шум в защитное заземление (которое мы чуть выше договорились очищать).
Дополнительно про фильтрацию сетевого питания для аудиоаппаратуры вы можете прочитать здесь.
6. Использовать кондиционер питания.
Кондиционер питания предназначен для изоляции подключаемых компонентов от линии электропитания. Кондиционер может использоваться двояко: во-первых, для изоляции чувствительных аудио устройств от шумной питающей линии, во-вторых, для изоляции «шумных» устройств, содержащих импульсные блоки питания, от попадания их шума в линию питания. Само собой разумеется, что аудио устройства и «шумящие» устройства не должны быть подключены к одному кондиционеру питания. Несмотря на то, что кондиционер питания выполняет хорошую работу по очистке линий питания, защитное заземление проходит через кондиционер без какого-либо фильтра, поэтому обсуждаемая выше очистка защитного заземления может принести определённую пользу.
Стоит отметить, что современные фильтры сетевого питания для аудиоаппаратуры имеют цепи развязки шин заземления, которые препятствуют проникновению шума по шине заземления из одной розетки в другую, но при этом не нарушают требования электробезопасности для оборудования Класса 1.
7. Использовать экранированный трансформатор питания.
В экранированном трансформаторе имеется экран, устраняющий паразитные ёмкости между первичной и вторичной обмотками, тем самым исключая переменный ток утечки между этими обмотками. Экранированный трансформатор требуется нечасто, но стоит помнить, что и такая мера существует в тех редких случаях, когда без этого не обойтись.
Вместе с подавлением шума, проникающего из линий электропитания важно уменьшать шум, исходящий от самого компонента (и проникающий обратно в линию электропитания). Необходимость этого будет рассмотрена позже, когда будут обсуждаться вопросы соединения компонентов.
Шум источника питания может быть снижен тщательной проработкой схемотехники блока питания. Особое внимание нужно уделять выбору выпрямителей, демпфирующих цепей, фильтров.
Что можно сделать для уменьшения шума от источника питания, возвращаемого обратно в линию электропитания?
1. Не применяйте импульсные блоки питания в своих устройствах.
2. Обеспечьте как можно более постоянную нагрузку.
Аудио устройства, для которых разрабатываются блоки питания, потребляют ток не как обычный резистор, обычно имеется некоторое изменение тока потребления в процессе работы. Такие изменения нагрузки, в виде изменяемого тока потребления по линиям электропитания, также являются шумом. Некоторые ухищрения, которые помогают уменьшить такое влияние: стабилизированные блоки питания (особенно — параллельные (шунт) стабилизаторы, прим. перев.), использование активных цепей в классе «А», LC (дроссельные) фильтры и блоки питания с минимальными реактивностями.
3. Используйте выпрямители с минимальным шумом (переключения). Разные типы выпрямителей придают разный характер звука тем аудио цепям, которые получают через них питание. Некоторые «звучат» лучше для одних схем и хуже — для других. Что бы ни приходилось выбирать для конкретной схемы, одним из факторов выбора обязательно должен быть — малая шумность. Хороший выбор — это ламповые выпрямители (кенотроны), диоды Шоттки, быстровосстанавливающиеся эпитаксиальные диоды (Fast Recovery Epitaxial Diodes (FRED)).
Комбинированный кенотронный блок питания (анодный, накальный) для предусилителя/фонокорректора
Простой анодный выпрямитель на кенотроне 5Ц4С/5AR4/GZ34 для лампового аудиоустройства. Часть 2.
4. Используйте демпферы на выпрямителях, если необходимо.
5. Используйте фильтры питания в разрабатываемом оборудовании. Поскольку шум распространяется в обоих направлениях, фильтр поможет его уменьшить для любой стороны его распространения.
6. Экранированный трансформатор питания.
Повторюсь: не всегда нужен, но хорошо, что есть такая возможность.
Мы обсудили электрический шум и что можно сделать, чтобы его уменьшить. Весь электрический шум мира неважен до тех пор, пока он не воздействует на сигнал. С другой стороны, даже слабый шум может привести к беде, если он появится в неправильном месте. Для того чтобы шум смог воздействовать на сигнал, он должен распространяться таким образом, чтобы была возможность взаимодействовать с сигналом.
Бездумное смешение и соединение земель — самая частая причина слышимого ухудшения музыкального сигнала в аудиосистеме.
Посмотрим, как это действует.
Чтобы понять, что может быть сделано не так, мы должны понять одну вещь, называемую «соединение через общее сопротивление». Самое простое определение соединения через общее сопротивление — это путь, используя который шум смешивается с сигналом. Такое смешение может происходить двумя путями: первый — токовое соединение, когда ток двух цепей протекает по одному и тому же элементу; второй — наведённое соединение, когда шум из одной цепи наводится на другую цепь, по которой распространяется полезный сигнал. [12]
Пример, изображённый слева на Рисунке 2.1, показывает две замкнутых цепи: одна — с сигналом, другая — с шумом. Полное сопротивление Z1 представляет собой подверженную шуму точку каскада, например, шину сигнальной земли, которая оказывается общим местом обеих замкнутых цепей. Оба тока: I1, инициированный сигналом, и I2, образуемый шумом, проходят через Z1, создавая на этом общем элементе падение напряжения, равное произведению значения этого импеданса на сумму двух токов. Пример справа также содержит две замкнутых цепи: с сигналом и с шумом. В этом случае, подверженная шуму точка с полным сопротивлением Z2 не входит в цепь шума, но расположение этих двух замкнутых цепей таково, что между ними возникает ёмкостная или индуктивная связь, по которой шум из цепи с источником шума проникает в цепь с сигналом. Образующийся ток снова будет являться неким объединением тока шума и тока сигнала, создавая на Z2 падение напряжения в соответствии с этим суммарным током. На примерах показаны два замкнутых контура, однако в реальности всегда есть несколько контуров с различными сигналами и шумами, соединёнными по току или с помощью наводок или и тем и другим способом одновременно.
Примером наведённого способа передачи шума является влияние положения трансформаторов в ламповых усилителях. В зависимости от того, как установлены трансформаторы друг относительно друга, выходной трансформатор может улавливать магнитное поле трансформатора питания, приводя к слышимому гудению. Простого поворота одного из трансформаторов может быть достаточно для устранения этой проблемы. Иногда приходится увеличивать между ними расстояние.
Непродуманное или неверно выбранное расположение соединительных проводов внутри устройства также может привести к проблемам наводок. Важно проводить цепи накала туго скрученным проводом, расположенным как можно ближе к шасси. Провода низкоуровневых сигналов должны быть удалены как можно дальше от проводов питания накала. Часто сигнальные провода тоже скручивают (сигнальный провод с соответствующей сигнальной землёй), что также является хорошим средством от наводок. В местах пересечения сигнального провода с проводами питания или накала, их пересечение должно происходить под правильным углом.