Электро-магнитная совместимость цифрового источника сигнала с аналоговыми компонентами аудио комплекса
Проблема электро-магнитной совместимости (В дальнейшем ЭМС) цифрового источника сигнала с аналоговыми компонентами аудио комплекса представляет собой задачу, которой часто не уделяется должного внимания. А зря. Ибо, все достоинства отдельных частей аудио комплекса могут быть сведены на нет отрицательным влиянием высокочастотных (в дальнейшем ВЧ) помех исходящих от аппаратной части цифрового источника аудио сигнала.
Рассмотрим типовую конфигурацию современного аудио комплекса, состоящего из компьютера, внешнего цифро-аналогового преобразователя (в дальнейшем ЦАП), стерео усилителя низкой (звуковой) частоты (в дальнейшем УНЧ) и двух акустических систем (в дальнейшем АС).
Влияние ВЧ помех на аналоговую часть аудио комплекса, которая чаще всего состоит из предварительного и оконечного (усилитель мощности) УНЧ, состоит в следующем. Типовой полупроводниковый усилитель мощности НЧ представляет собой двух, трех каскадной устройство с непосредственной связью между каскадами, охваченный петлей общей отрицательной обратной связи (в дальнейшем ООС) глубиной не менее 40 дБ. Причем, полоса пропускания УНЧ с разомкнутой петлей ООС как правило составляет не более 20 кГц со спадом в области ВЧ 20 дБ/дек. Проникшие, в электрические цепи с активными усилительными элементами, ВЧ помехи, из-за нелинейности передаточных характеристик транзисторов или радиоламп, начинают взаимодействовать с аудио сигналом. При этом продукты этого взаимодействия попадают в область слышимых частот вызывая искажения. Почему это происходит? Дело в том, что усилительные цепи НЧ, как правило, не рассчитаны на работу в области ВЧ. УНЧ имеющий выдающиеся параметры в области звуковых частот может совершенно "рассыпаться" при попадании в его электрические цепи ВЧ составляющих, частотой от 1 мГц и выше, даже относительно малой амплитуды. Особенно катастрофична будет ситуация, если ВЧ составляющие попали в цепь ООС, вызывая ошибки в ее работе. Разные УНЧ не одинаково реагируют на проникшие в электрические цепи ВЧ помехи. Например ламповые УНЧ, не охваченные общей петлей ООС, менее чувствительны к наличию в своих электрических цепях ВЧ составляющих. Но тут тоже возможны варианты.
Как бороться, с пагубным для звука, проникновением ВЧ составляющих в НЧ цепи? Ответ очевиден. Надо исключить возможность их попадания в аналоговый аудиотракт. Как это сделать будет написано ниже. Для примера возьмем аудио комплекс который я в настоящее время использую, состоящий из компьютера, внешнего ЦАП Teac-U301, лампового СЧ-ВЧ стерео усилителя "Триоль-РР" и активного сабвуфера с полупроводниковым усилителем мощности класса D. Естественно результаты проделанной работы должны оцениваться с помощью инструментальных средств объективного контроля электрических параметров.
Итак начнем. Прежде всего необходимо наладить адекватную методику измерений. В качестве основного регистрирующего инструмента обычно используется звуковая карта компьютера. Ее целесообразно протестировать источником сигнала заведомо лишенным ВЧ помех. В качестве такового я использовал звуковой генератор Г3-118.
Если Вы убедились, что все нормально, то можно двигаться дальше.
В начале надо протестировать на ЭМС внешний ЦАП. У меня основным ЦАПом является Teac-U301. Данные выводятся из компьютера по интерфейсу USB. При непосредственном соединении выхода ЦАП с входом звуковой карты стационарного компьтера выяснилось, что в полученном спектре выходного сигнала ЦАП творится черт знает что. Тогда я попробовал, в качестве источника аудио данных, взять ноутбук. Ситуация кардинально не изменилась. Причем достаточно было соприкаснуть "общие контакты" аналогового кабеля, подключенного к входу звуковой карты, и выходного разъема ЦАП, чтобы, при включении ЦАП, полученный спектр оказывался засоренным паразитными дискретными составляющими и "шумом". Тогда я поступил следующим образом. К входу звуковой карты подключил звуковой разделительный трансформатор, в качестве которого был использован "симметрирующий трансформатор" от милливольтметра В3-33, имеющий в своем составе RC ВЧ фильтр. Вход "симметрирующего трансформатора" необходимо подключить к проверяемой цепи, в данном случае к выходу ЦАП. Чтобы исключить распространение ВЧ помех от ЦАП по проводам сетевого кабеля ~220 В, в частности по "земляному проводу", я его доработал. С обоих концов сетевого кабеля, внутри вилки и розетки, на каждый из трех проводов одел ферритовые кольца с высокой магнитной проницаемостью (1500НМ К7х4х2, по два витка жилы сетевого кабеля). После проведенных мероприятий проверил выходной спектр, запустив в ЦАП синтезированный синусоидальный сигнал. Спектр оказался свободным от помех и не искаженный гармониками.
В результате проделанных измерений стало понятно, внешний ЦАП Teac-U301, на своем выходе, дает свободный от помех и искажений аудио сигнал. Теперь можно двигаться дальше.
Не буду утомлять читателей пространными рассуждениями, а сразу покажу схему соединений компонентов моего аудио комплекса (рис.1).
Рис.1
Что в схеме сразу бросается в глаза. Прежде всего это наличие, в цепи питания от "сети ~220 В", стабилизатора переменного напряжения и разделительного трансформатора на его выходе. Сразу оговорюсь, стабилизатор "сети ~220 В" применять не обязательно. В моем случае это вызвано необходимостью иметь более менее стабильное напряжение для питания лампового усилителя. А вот применение разделительного трансформатора желательно в любом случае. Разделительный трансформатор дает гальваническую развязку "корпусной земли" РА аудио комплекса от сетевого "Защитного заземления" РЕ. Такое решение называется схемой питания с изолированной нейтралью (рис 2).
Рис.2
При реализации схемы питания с изолированной нейтралью необходимо выполнить следующие условия:
- корпуса аудио комплекса должны быть соединены между собой для уравнивания потенциалов (подключены к изолированной нейтрали РА), и не иметь соединений с защитными проводниками и открытыми проводящими частями других других устройств корпуса которых подключены к "Защитному заземлению" РЕ "Первичной сети ~220 В";
- все штепсельные розетки должны иметь "защитный контакт", присоединенный к местной не заземленной системе уравнивания потенциалов (изолированной нейтрали РА).
Рассмотрим преимущества схемы питания с изолированной нейтралью.
Первое преимущество схемы питания с изолированной нейтралью состоит в том, что она обеспечивает практически полную электробезопасность. При пробое фазы напряжения "изолированной сети ~220 В" на корпус устройства, прикосновение нему человека не приведет к поражению электрическим током. Ведь фазы ~220 В изолированны от "Защитной земли" и поэтому ток не может потечь через человека (рис.3).
Второе, в нашем случае основное, преимущество состоит в следующем. Изоляция от "Защитной земли" и от проводов "Первичной сети ~220 В" препятствует проникновению разного рода электрических помех в цепи питания аудио комплекса. Механизм возможного проникновения помех через разделительный трансформатор показан на рис.3. Из рисунка видно, что помехи от проводов "Первичной сети ~220 В" и "Защитного заземления" могут попасть в провода "Изолированной сети ~220 В" через паразитную емкость между обмотками разделительного трансформатора, а также через паразитные емкости между проводником "Защитного заземления" РЕ "Первичной "сети ~220 В" и фазами "Изолированной сети ~220 В" . Поскольку эти емкости не велики, то проникновение помех через них легко минимизировать с помощью простейшего LC фильтра включенного в цепи "Изолированной сети ~220 В" (Рис.1). Элементы LC фильтра фильтра целесообразно смонтировать в многопозиционной "Евро-розетке", в которую будут включаться все кабели питания компонентов аудио комплекса. Если Вам не хочется заморачиваться с изготовлением "эксклюзива" то можно воспользоваться, да простят меня господа аудиофилы, разветвителем "PilotPro". Только лучше заменить на нем трех контактную вилку на двух контактную (нулевой провод должен быть никуда не подключен).
Еще одна важная тонкость. В качестве источника данных для внешнего ЦАП, в моем аудио комплексе, применен ноутбук. Применение ноутбука с питанием от "Первичной сети ~220 В" с помощью адаптера с двух проводным подключением позволяет изолировать цепи питания ноутбука от "Защитной земли" РА. Стационарный компьютер можно применить лишь в том случае, если интерфейс между ним и внешним ЦАП имеет гальваническую развязку, что является редкостью.
Важным моментом обеспечения ЭМС компонентов аудио комплекса является необходимость недопущения проникновения ВЧ помех по межблочному аудио кабелю от внешнего ЦАП до входной цепи УНЧ. Ведь мы ранее выяснили, что на аналоговой "Земле" ЦАП Teac-U301, ВЧ помехи присутствуют в изобилии. "Аудиофильские шнурки" тут не помогут, а скорее наоборот, навредят. У меня эта проблема решена следующим образом. В качестве межблочного аудио кабеля я применил два свитых между собой проводника на концы которых одеты ферритовые кольца с высокой магнитной проницаемостью (Рис 1, проводник необходимо продеть через ферритовое кольцо два раза).
Хотел бы рассказать еще об одном важном моменте, а именно о "Земляных петлях". Дело в том, что в ЦАП Teac-U301, да и не только в нем, "Аналоговая земля" имеет электрическую связь с корпусом и соответственно с нулевым контактом сетевой вилки. Если тоже самое сделано в УНЧ, тогда образуется "Земляная петля", наличие которой может привести к возникновению, слышимого в динамиках, фона с частотой 50 Гц. Не заземлять (или в данном случае не соединять с изолированной нейтралью) корпус УНЧ недопустимо по правилам техники безопасности и не только. Дело в том, что многие устройства имеют в первичной цепи питания "сети ~220 В" фильтр из двух, соединенных между собой, конденсаторов. Средняя точка такого емкостного фильтра соединена с корпусом, а крайние точки с фазами "сети ~220 В". Если корпус устройства "висит в воздухе", то при попытке перекоммутации частей включенного аудио комплекса с помощью межблочного кабеля, может наступить пробой аналогового выхода источника сигнала. В некоторых случаях может быть пробит и вход приемника. Чтобы обеспечить электробезопасность и добиться отсутствия "Земляной петли", в усилителе "Триоль РР" аналоговая земля и корпус не имеют непосредственной связи между собой. Эти цепи соединены с помощью параллельно включенных резистора и конденсатора. Конденсатор нужен для блокировки ВЧ помех. Цепи "Аналоговая земля" и "Корпус" выведены на отдельные клеммы, которые можно соединить или не соединять между собой. В случае, если аналоговая земля источника аудио сигнала соединена с корпусом, клеммы "Аналоговая земля" и "Корпус" УНЧ должны быть не соединены.
В заключении необходимо проверить чистоту спектра сигнала на выходе УНЧ. Для этого вход звуковой карты компьютера используемого для измерений (не ноутбука, входящего в состав аудио комплекса), через делитель напряжения и звуковой разделительный трансформатор ("симметрирующий трансформатор" от милливольтметра В3-33), нужно подключить к клеммам подключения АС УНЧ. Затем надо запустить в ЦАП синтезированный синусоидальный сигнал. Если спектр окажется свободным от помех и неискаженный гармониками, то все в порядке.
Надеюсь данный материал оказался полезен как разработчикам, так и пользователям аудио аппаратуры.
Сообщение от Игорь Тихомиров
Социальные закладки