Как снизить фон и наводки: «звезда», экранирование и развязка
Даже при правильном блоке питания и аккуратной разводке накала ламповый усилитель может фонить, «гудеть» или самовозбуждаться. Частая причина — ошибки в заземлении и монтаже: общая шина и шасси становятся путём для паразитных связей между каскадами и источниками помех. В этой статье собраны практические правила заземления, экранирования и разводки по материалам книг и журналов.
Паразитная наводка — это передача напряжения или тока из одной части устройства в другую по путям, не предусмотренным схемой: через общие провода, через ёмкость и индуктивность монтажа, через магнитные поля. В усилителе это проявляется как:
• фон переменного тока 50/100 Гц в динамиках;
• взаимное влияние каналов в стерео;
• просачивание помех из сети и от трансформаторов;
• самовозбуждение или нестабильная работа.
Чем выше усиление и чем чувствительнее входной каскад, тем критичнее правильная «земля», развязка по питанию и экранирование.
Классическая рекомендация: все элементы, подлежащие заземлению, сводить в одну общую точку, а не размазывать по корпусу или длинной шине.
Почему это работает: любой провод «земли» имеет омическое сопротивление и паразитную индуктивность. По ним текут токи всех каскадов. Падение напряжения на участке общей шины попадает в контур сопряжения каскадов и воспринимается как помеха. Если каждый узел заземлён в своей ближайшей точке, но все эти точки соединены через один и тот же отрезок шины, то токи складываются, и помеха на входе растёт.
Правило: нулевые провода и оплётки экранов лучше сводить в одну точку (например, около панели первой лампы или у входа усилителя). Точку часто подбирают экспериментально по минимуму фона на выходе. В тюнерах и магнитофонах при повышенном фоне помогает перенести точку заземления: например, соединение делителей напряжения или вывода регулятора громкости вести не к прежней общей шине, а к шасси в непосредственной близости от выходных гнёзд. В другой конструкции фон снизили изоляцией поворотной рамки с платами от общего провода и выбором другой точки заземления вывода переменного резистора громкости.
«Для уменьшения уровня фона переменного тока все провода, соединенные с корпусом приставки, отпаивают от него и заземляют в одной точке около панели лампы Л1. Соединения магнитных головок с усилителями записи и воспроизведения выполняют экранированными проводами, оплетки которых также соединяют с корпусом в одной точке, найденной опытным путем.» (Радио)
При размещении деталей «общий» провод должен быть соединен с шасси только в одной точке, таким же способом должно быть выполнено заземление экранирующих оплеток проводов. Выпрямитель и силовой трансформатор отделяют от усилителя алюминиевой перегородкой — это уменьшает наводки магнитного поля и помехи по питанию.
Для предотвращения фона и наводок все металлические детали корпуса приставки должны быть соединены между собой и подключены к общему проводу в одной точке.
Важно: внутри экранированного блока (регулятора громкости или тембра) детали не должны заземляться прямо на шасси или кожух. Их нулевые выводы соединяют с отдельной изолированной от корпуса шиной, а уже эта шина одной точкой связывается с общей «землёй» усилителя. Иначе в контур сигнала попадает участок корпуса и снова возникает паразитная связь.
В усилителе НЧ под «землёй» понимают общий провод схемы (шасси, минус питания, нулевой потенциал). Реальное подключение к заземлению здания нужно для безопасности и часто помогает от наводок от сети.
• «Висящая» общая шина: если шасси никуда не подключено, на нём наводится помеха 50 Гц от сети и паразитных ёмкостей. Компенсации нет — в высокоомных входных цепях паразитные ёмкости действуют иначе, поэтому появляется фон. Нередко фон усиливается при касании рукой корпуса.
• Заземлённое шасси разрывает такой контур и снижает наводку. Но провод защитного заземления (PE) имеет сопротивление — помеха может просачиваться и через него. Важно: PE не должен входить в сигнальный контур; связь сигнальной «земли» с PE делают в одной точке (в бытовой аппаратуре часто напрямую, но осознанно; в продвинутых схемах иногда через RC или диодную развязку).
• В приёмниках: если «землю» антенны сделать изолированной от шасси и вывести на отдельную клемму (или на противовес), помехи по сети меньше попадают во вход. В роли противовеса может выступать металлическая крыша, ограждение балкона и т.п., но не провод защитного заземления электроустановок.
Напряжение сигнала всегда имеет два полюса. Если один полюс выхода предыдущего каскада и один полюс входа следующего соединять через длинный общий провод, в контур сопряжения попадает падение напряжения на этом проводе — это и есть помеха.
Правильно: оба полюса выхода источника сигнала соединять напрямую с обоими полюсами входа приёмника. Связь с общей шиной — только в одной точке, без разрыва контура между «плюсом» и «минусом» сигнала.
Типичная ошибка: развязывающий конденсатор по питанию припаян к общей шине рядом с каскадом-источником. Тогда контур «нагрузка первого каскада — вход второго» разрывается, и помеха с шины попадает во вход. Правильно: подключать развязку так, чтобы контур сопряжения не включал лишний участок шины — со стороны каскада-приёмника, между полюсами нагрузки.
Для каскада на триоде с большой анодной нагрузкой выходное напряжение по переменному току действует между анодом и катодом. Развязка по питанию в таком случае в первую очередь дополнительно фильтрует питание; полной защиты от помехи по «земле» она не даёт. Для пентода выходное напряжение снимается с выводов нагрузки — здесь правильное включение развязки критично.
В ламповой аппаратуре часто используют массивное металлическое шасси не только для экранировки, но и как общий провод с минимальной индуктивностью. У замкнутой проводящей полости индуктивность можно считать нулевой, поэтому шасси даёт очень «жёсткую» землю.
Практический вывод: каждый элемент присоединяют к шасси отдельно, в ближайшей точке. Тянуть все земли в одну физическую точку через длинные провода — плохо; шасси может работать как «звезда», только если токораспределение продумано: силовые токи (выпрямитель, выходные каскады) и сигнальные возвратные токи не должны течь по одним и тем же зонам; связь между «грязной» и «чистой» землёй — в одной точке. Тонкое шасси или длинные участки при случайном монтаже («паять куда ближе») превращают его в распределённую шину — и фон возвращается.
Желательно так же продумать шину анодного питания: она не должна быть тонкой и длинной, иначе падение напряжения и помеха по питанию попадут в чувствительные каскады.
Зачем: ослабить ёмкостные и индуктивные связи между узлами и с внешними полями. Металлический корпус (шасси, экран) уменьшает влияние внешнего электрического поля; если экран замкнут и заземлён, точки внутри него оказываются под нулевым потенциалом по переменному току относительно внешних цепей.
В ламповом УЗЧ основные источники наводок:
1. Цепи накала — по проводам течёт ток до единиц и десятков ампер, вокруг них магнитное поле 50 Гц и наводки на входные и слаботочные цепи.
2. Выходные трансформаторы — большие токи и широкий спектр частот, сильное магнитное поле.
3. Силовой трансформатор — сеть 50 Гц и гармоники.
Поэтому:
• Провода накала — скручивать в пару (витая пара), вести подальше от входных гнёзд и первой лампы; по возможности использовать отдельную накальную обмотку для входного каскада.
• Входной каскад — размещать вдали от силового и выходного трансформаторов и дросселей; при необходимости экранировать блок первой лампы.
• Регулятор громкости — часто помещают в отдельный экран, чтобы уменьшить наводки на входную цепь и паразитные связи с регуляторами тембра.
Экранированные провода: сигнальные межкаскадные и входные соединения выполняют экранированным кабелем. Оплётку соединяют с корпусом в одной выбранной точке (как часть «звезды»). Для входного кабеля допустимо заземлять оплётку только со стороны источника сигнала — так в контур не попадает участок оплётки с протекающим по нему током. Внутри оплётки — два провода: сигнальный и нулевой (заземляемый); заземлять только нулевой, а не «всё подряд» на корпус по пути. Для ламповых схем с высокоомными входами заметную роль играет ёмкость кабеля: она растёт с длиной и с уменьшением расстояния от жилы до оплётки. Не стоит использовать слишком тонкие и длинные экранированные провода — лучше короче и с нормальным зазором жила–оплётка.
Цветовая маркировка: нулевые провода — чёрные, толстые; плюс выпрямителя — красный; сигнальные по каналам — например зелёный и синий; цепи накала — белые или серые.
Помеха может попадать в каскады не только по «земле», но и по цепи анодного питания — через внутреннее сопротивление источника и общую шину. Развязывающие RC-звенья (резистор + конденсатор) между питанием и каждым каскадом снижают эту связь и дополнительно сглаживают пульсации.
Правило: развязку (Rф, Cф) ставят перед каждым каскадом; Rф — порядка нескольких кОм, Cф — 10–50 мкФ (для входных каскадов лучше ближе к верхнему пределу ёмкости; для пентодов и экранных сеток — отдельные RC-звенья). Заземление выполняют по схеме «звезда», чтобы паразитные связи через общий провод были минимальны.
(Кратко; подробнее — в посте «Накал: переменный и постоянный ток».)
• Магнитное поле тока накала отклоняет электронный поток; при переменном токе получается модуляция анодного тока и фон 50/100 Гц. Меры: скрутка проводов накала, удаление их от входных цепей, для входного каскада — питание накала постоянным током.
• Ёмкость подогреватель–катод: переменное напряжение накала через неё попадает в катодную и сеточную цепи. Помогает искусственная средняя точка накала: два резистора равного номинала между выводами подогревателя, их середина соединяется по переменному току с общим проводом через конденсатор. Цепь накала часто смещают относительно «нуля» положительным потенциалом (например +60 В от делителя). Общий провод этой цепи подключают к «нулевой» точке блока питания: при мостовом выпрямителе — к минусу моста, при двухполупериодном со средней точкой — к средней точке анодной обмотки трансформатора.
• Утечка подогреватель–катод: между нитью накала и катодом есть сопротивление утечки. Вместе с резистором автосмещения образуется паразитный путь, по которому часть напряжения накала (50 Гц) оказывается на катоде и усиливается. Надёжный приём: подать на подогреватель положительный потенциал относительно катода (например +15…+40 В по рекомендациям RCA, часто достаточно +10 В), чтобы «запереть» этот паразитный диод. Нельзя превышать допустимое U подогреватель–катод из паспорта лампы.
• Единственный способ полностью убрать фон от накала — питать подогреватели постоянным током, особенно для первой лампы.
Дроссели в сеточных цепях экранируют, а провода накала шунтируют конденсатором у самой ламповой панели — так пульсации и наводки по накалу меньше проникают в высокоомные цепи.
• Выходные трансформаторы создают сильное магнитное поле в полосе звуковых частот. Оно наводит э.д.с. в проводах и петлях монтажа. Входные каскады и проводка — подальше от выходных трансформаторов; тщательное экранирование и рациональное взаимное расположение узлов.
• Силовой трансформатор — источник поля 50 Гц и гармоник. Его иногда размещают под подобранным углом к выходным трансформаторам. Экранирование трансформатора и при необходимости дросселей снижает наводки на входные цепи.
• Помехи из сети: первичную обмотку трансформатора питания шунтируют конденсаторами, а точку соединения этих конденсаторов подключают к общему проводу приёмника.
• В высокочастотных приёмниках: тщательно экранировать подвал шасси (металлический поддон, экран на передней панели из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита).
• В стереоусилителе выпрямитель с силовым трансформатором отделён от усилителя перегородкой из алюминия.
Три основные причины: недостаточное сглаживание выпрямленного напряжения, паразитные связи между каскадами через цепи питания или общий провод, замыкание или утечка подогреватель–катод в одной из ламп.
Если отключение «подозрительного» узла (например лампы кадровой развёртки) убирает фон — источник в паразитной связи с усилителем НЧ по питанию; проверяют конденсаторы развязывающих фильтров анодов и экранирующих сеток. Если при переводе регулятора громкости в минимум фон остаётся — вероятно плохая фильтрация выпрямителя; если фон исчезает — неисправность во входных или предварительных каскадах. Полезно экранировать узлы формирования импульсов и ставить развязывающие конденсаторы в цепях питания рядом с чувствительными каскадами.
1. Заземление: одна точка «звезды» для нулевых проводов и оплёток; внутри экранированных блоков — своя изолированная шина, одна точка связи с общей землёй; при фоне — пробовать другую точку заземления и изоляцию рамок/кронштейнов от общей шины. Токи выпрямителя — самый «грязный» участок земли; не смешивать их с возвратными токами входных каскадов.
2. Контур сопряжения: не разрывать лишними участками общей шины; оба полюса сигнала вести от выхода к входу без «петель» через корпус.
3. Развязка по питанию: RфCф перед каждым каскадом (для входа — большая ёмкость; для пентодов и экранных сеток — отдельные RC); включение развязки — так, чтобы не вносить помеху в контур сопряжения.
4. Накал: скрутка проводов, средняя точка или потенциометр, подальше от входа; для первой лампы — по возможности DC накал и/или положительный потенциал подогревателя относительно катода.
5. Экранирование: сигнальные цепи — экранированным проводом с одной точкой заземления оплётки (на входе — оплётку можно заземлять только со стороны источника); вход и первая лампа — вдали от трансформаторов и накальных проводов; при необходимости — экран вокруг регулятора громкости и блока первой лампы.
6. Шасси: использовать как «жёсткую» землю только при продуманном токораспределении (силовые и сигнальные токи — раздельно, связь в одной точке); PE не должен входить в сигнальный контур; при необходимости заземлить шасси на контур защитного заземления в одной точке.
ИСТОЧНИКИ
Гаврилов С. Искусство ламповой схемотехники.
Гендин Г.С. Высококачественные ламповые усилители звуковой частоты.
Волин М.Л. Подавление внешних паразитных связей в усилителях. — М.: Энергия, 1976.
Морган Джонс. Ламповые усилители.
Журнал «Радио» (1974 № 9, 12; 1975 № 1, 2, 4; 1969 № 12; 1979 № 1, 10, 12; 2015 № 4).