Pętla mas i przydźwięk

 

1. Jak powstaje przydźwięk - trochę teorii o zasilaczach?

2. Przyczyny powstawania zakłóceń, drogi ich przedostawania się do toru fonicznego

1. Sposoby zasilania urządzeń elektronicznych

2. Pętle mas

3. Sposoby zapobiegania zakłóceniom

1. Ekranowanie

2. Uziemianie

3. Separacja

4. Transmisja symetryczna

5. Prowadzenie przewodów

4. Złote porady

5. Literatura

Jak powstaje przydźwięk - trochę teorii o zasilaczach?

Źródłem przydźwięku najczęściej są obwody zasilające. Wszyscy wiemy, że panuje tam 50Hz (przynajmniej w Polsce). Taka też częstotliwość indukuje się najczęściej w układzie przedwzmacniacza. Najmocniejszy przydźwięk powstaje w stopniach wejściowych, w których sygnał o bardzo niewielkiej amplitudzie zostaje wstępnie wzmacniany. Amplitudy są rzędu paru mV, tak więc niewiele oddalone przewody zasilające daje zazwyczaj słyszalny przydźwięk. Tak samo dzieje się, kiedy układ znajduje się blisko transformatora (nie ekranowanego), a w szczególności jeśli strumień magnetyczny ze rdzenia "celuje" w układ. Tak powstały przydźwięk ma dominującą częstotliwość 50Hz, albo100Hz.

O ile wiadomo skąd bierze się 50Hz, to nie zawsze wszyscy wiedzą skąd mamy te 100Hz. Trzeba jeszcze dodać, że przydźwięk może powstawać w wyniku źle odfiltrowanego napięcia zasilającego. Wyprostowane napięcie zasilające najczęściej uzyskiwane jest przez "przepuszczenie" zmiennego napięcia (po transformatorze) przez mostek tzw. Greatz'a. Jest to mostek prostujący dwupołówkowy.

Rys.1 Mostek Greatz'a cz uziemionym "minusem".

Jeśli teraz do wyjścia takiego mostka podłączymy oscyloskop, to zobaczymy prostowanie dwupołówkowe. Poglądowo można powiedzieć, że w okresie T zamiast jednego "szczytu" mamy je dwa (Rys. 2).

Rys.2 Na czerwono - po wyprostowaniu, na czarno - przed wyprostowaniem.

Jeśli dwupołówkowo wyprostowany sygnał poddać analizie FFT (analiza częstotliwościowa - szybka analiza Fourier'a), to okaże się, że dominującą składową będzie częstotliwość 100Hz (Rys. 3). Ale na tym się nie kończy. Mamy jeszcze inne wyższe harmoniczne, jednak o coraz słabszej amplitudzie.

Rys.3 Poglądowe przedstawienie charakterystyki częstotliwościowej prostownika dwupołówkowego.

Oczywiście samo prostowanie nie wystarczy. W zasilaczach stosuje się tzw. gładzenie. Najprostszym sposobem na wygładzenie przebiegu (wyprostowanego dwupołówkowego) jest równoległe dołączenie kondensatora, o odpowiednio dużej wartości. Będzie się on ładował napięciem i naładuje do takiej wartości, jak amplituda wyprostowanego napięcia. Kiedy amplituda napięcia nie będzie spadać - co odpowiada przejściu z wierzchołka połówki sinusoidy w fragment "opadający" - będzie się on powoli rozładowywał. Jednakże nie można wygładzić idealnie takiego przebiegu. Zawsze będą występowały tzw. tętnienia (Rys. 4), czyli nierównomierności w wyprostowanym i wygładzonym napięciu. Jest to przyczyną powstawania przydźwięku. Zdarza się to rzadko - w kiepsko zaprojektowanych wzmacniaczach, ale może wystąpić.

Rys.4 Przebieg napięcia po wygładzeniu - widoczne spore tętnienia.

Widać ponadto, że stosując kondensator obniżamy szczytową wartość napięcia (tutaj spadła do ok. 18V), ale wzrasta wartość skuteczna napięcia.

 

Przyczyny powstawania zakłóceń, drogi ich przedostawania się do toru fonicznego.

Istnieje kilka źródeł przedostawania się zakłóceń do toru dźwiękowego. Można wyróżnić następujące rodzaje zakłóceń w urządzeniach:

• sprzężenie przez pole elektryczne,

• sprzężenie przez pole magnetyczne,

• sprzężenie przewodnościowe (np. przedostawanie się zakłóceń przez obwody zasilania),

• sprzężenie przez wspólną impedancję (np. sprzężenie na impedancji wew. zasilacza).

 Żeby zakłócenie przedostało się do toru fonicznego, niezbędne jest powstanie toru zakłóceń (rys.1). Z całą pewnością stwierdzić, że największy problem, niezależnie od drogi jaką się przedostaje, jest obecnie przydźwięk sieciowy.

Rys. 1 Tor zakłóceń.

Można wymienić kilka sposobów redukcji zakłóceń. Nie rzadko, w celu zredukowania zakłóceń, należy stosować kilka sposobów na raz. Zaliczamy do nich:

1. ekranowanie,

2. uziemianie,

3. symetryzacja,

4. filtracja,

5. izolowanie i separacja,

6. dobór wartości impedancji obwodu,

7. dobór przewodów.

Sposoby zasilania urządzeń elektronicznych.

Obecnie urządzenia muszą zapewniać tzw. kompatybilność elektromagnetyczną (w Europie urządzenia takie oznacza się znakiem „CE”). Znaczy to, że urządzenie może być podatne na zakłócenia jak i nie oddziaływało na środowisko. Normy przyjęte na świecie określają szczegółowo także sposób podłączenia do sieci zasilającej.
Właśnie z przymusu stosowania surowych norm kompatybilności elektromagnetycznej, jak i ochrony przeciwporażeniowej, tak uciążliwa jest walka z przydźwiękiem sieciowym.

Przydźwięk sieciowy, to nie tylko zakłócenie o częstotliwości 50Hz, ale także 100Hz i wyższe harmoniczne. Jeżeli jest to 100Hz, prawie pewnym jest, że zakłócenie pochodzi ze złego filtrowania w zasilaczu urządzenia (co pokazano w poprzednich rozdziałach). Taka sytuacja zdarza się niezmiernie rzadko, ale może mieć miejsce, zwłaszcza jeśli urządzenie nie jest wykonywane we własnym zakresie przez muzyka amatora. W takiej sytuacji, jeśli nie brać takiej ewentualności, można bezskutecznie próbować usuwać zakłócenie.

Wyjaśnić należy dwa sposoby zasilania urządzeń elektronicznych, a konkretniej wymienić sposoby ochrony przeciwporażeniowej. Urządzenia buduje się w dwóch klasach ochronności:

• Pierwsza klasa ochronności - zasilanie prowadzone jest trzema żyłami: przewodem neutralnym N (popularnie zwanym „zero”) - kolor czarny, przewodem fazy - niebieski, przeciwporażeniowy PE - żółto-zielony. Przewód przeciwporażeniowy połączony jest z obudową, a przez to, że owy przewód jest uziemiony, obudowa jest podłączona do masy.

• Druga klasa ochronności - zasilanie prowadzone jest tylko dwoma żyłami (faza i zero). Takie urządzenie konstruowane jest tak, żeby miało podwójną izolację.

Obecnie wszystkie nowe sieci zasilające mają doprowadzone 3 żyły i bolec połączony jest z przewodem PE. Jest on uziemiony, podobnie jak przewód zerowy, ale nie jest przewodem roboczym (nie płynie przez niego prąd). Jeśli popłynie przez niego prąd, zadziała wyłącznik różnicowo-prądowy, który powoduje odcięcie zasilania całego obwodu (rys. 2).

Rys. 2 Poglądowy sposób zabezpieczenia przeciwporażeniowego.

Może by się wydawać, że zagadnienie zabezpieczenia przeciwporażeniowego może być nieistotne z punktu widzenia wpływu na zakłócenia, ale znając rodzaj ochrony przeciwporażeniowej można uniknąć poważnych błędów przy prowadzeniu przewodów - zwłaszcza masy.

Omawiane zagadnienie ma zasadnicze znaczenie dla bezpieczeństwa. Nie znając zagadnień z tym związanych można wnioskować, że rozwiązaniem problemu może być odłączenie przewodu zabezpieczającego PE (oznaczonego kolorem żółto-zielonym).
W żadnym wypadku nie można tego robić! Jeśli urządzenia są zaprojektowane w pierwszej klasie ochronności, to należy je podłączać do gniazdek z uziemionym "bolcem". Tak więc, jeśli odłączyć ten przewód, co prawda rozwiązujemy problem pętli mas ale narażamy siebie albo innych ludzi na porażenie prądem. Ponad to, jeśli urządzenie zbudowane jest w drugiej klasie ochronności, to nie można uziemiać obudowy! Te zasady należy przestrzegać zawsze.

Przy projektowaniu systemu dźwiękowego wysokiej klasy (przykładowo: studio nagrań, czy studio masteringowe) nie należy zapominać o innych zakłóceniach, jakie przedostają się do sieci elektrycznej w wyniku działania przemysłu, ale i popularnego sprzętu AGD. Wszelkie silniki, zasilacze impulsowe - często spotykane w komputerach, lodówki itp. „zanieczyszczają” napięcie zasilające, powodując dodawanie wyższych harmonicznych do podstawowej częstotliwości 50Hz. Takie zakłócenie przekłada się na brzmienie urządzeń - jeśli są zbudowane w technice cyfrowej oraz na przydźwięk - jeśli są analogowe.

Ponad to, w dobie powszechnej „cyfryzacji” urządzeń, nie należy zapominać o szkodliwych przepięciach, które są bardzo powszechne, szczególnie w krajowej sieci. Badania pokazują [1], że przepięcia mogą występować nawet kilkaset razy na dzień i mieć amplitudę rzędu kV. Zjawiskiem związanym z przepięciami i równie często występującym są chwilowe zaniki napięcia zasilającego. Takie zakłócenia występują, kiedy przełączane są fazy w elektrowni, kiedy włączają się baterie kondensatorów kompensujących moc bierną, ale także, co ważniejsze, w wyniku przepalenia bezpiecznika topikowego!

Oczywiście przepięcie i zanik napięcia trwa krótko (od us do ms), ale bardzo często jest ono powodem uszkodzeń sprzętu. Jest to sytuacja wyjątkowa. Znacznie częściej mamy do czynienia z restartowaniem się sprzętu cyfrowego, co spowodowane jest zerowaniem się pamięci.

Tak więc, celowe staje się stosowanie popularnie zwanych „kondycjonerów” sieciowych w najbardziej krytycznych miejscach zasilania toru fonicznego. „Kondycjonery”, w zależności od budowy, są to urządzenia symetryzujące, separujące, filtrujące i zabezpieczające przed przepięciami.

Pętle mas.

Definicja pętli mas mówi [1], że jest to powierzchnia zawarta pomiędzy przewodem "użytkowym" a najbliższą masą. W tym punkcie trzeba obalić powszechnie panujący mit, że jakoby pętla mas powstaje, kiedy podłączymy dwa urządzenia do zasilania o innych fazach. Jest to nie prawda, ponieważ nie musi być różnicy potencjału pomiędzy dwoma urządzeniami, żeby powstała pętla mas.

Rys. 3 Powierzchnia pętli mas wytworzona przez przewód ochronny PE i ekran przewodu sygnałowego.

Pętla mas powstaje zazwyczaj, kiedy dwa lub kilka urządzeń jest zbudowanych w pierwszej klasie ochronności, są one podłączone do instalacji z uziemieniem oraz dodatkowo połączone są przewodem sygnałowym, który łączy ich masy. Taka sytuacja powoduje, że obwód masy jest zamknięty - tworzy swego rodzaju antenę, co powoduje słyszalny przydźwięk sieciowy (rys. 3).

Oczywiście w sytuacji, gdy oba urządzenia zasilane są z innych faz, może wystąpić różnica potencjału między masami, co powoduje przepływ prądu przez ekran i w rezultacie przydźwięk.

O ile powstanie pętli mas jest wyjątkowo niekorzystne, to znakomite znaczenie ma sieć mas (pętla mas) [2]. Powoduje ona wyrównanie potencjału masy - ekwipotencjalizację, dzięki czemu można zredukować przydźwięk spowodowany przepływem prądu wyrównawczego przez ekran przewodu sygnałowego.

Istotnym sposobem zmniejszenia pętli mas jest zmniejszenie jej powierzchni. W celu zobrazowania, że omawiane zjawiska nie są wyłącznie sytuacją hipotetyczną można przytoczyć następujący przykład: podczas koncertu mikser połączony jest ze wzmacniaczami przewodem, który ma często kilkadziesiąt metrów. Amplitudy są na poziomie liniowym (często nie więcej niż + 4dBu). Mikser i wzmacniacze zasilane z jednego źródła - powstaje pętla mas. Tak więc, dobrą praktyką wydaje się prowadzenie przewodu na ziemi. Jednak przy tej okazji popełnia się błąd instalując zaraz obok przewód zasilania sieciowego, który na takich odległościach może spowodować powstanie przydźwięku, zwłaszcza, jeśli ekran przewodu sygnałowego ma niedostateczną skuteczność.

Sposoby zapobiegania zakłóceniom

1. Ekranowanie.

Ekranowanie stosuje się w celu zredukowania zakłóceń przedostających się do sygnału użytecznego, ale także i do zmniejszenia wpływu emitowanych zakłóceń na zewnątrz. Z zagadnieniem ekranowania wiąże się bezpośrednio problem uziemiania.

Zakłócające pole magnetyczne indukuje napięcie zakłóceń w przewodzie. W praktyce objawia się to przydźwiękiem o częstotliwości 50Hz. Najlepszym sposobem na zredukowanie tego rodzaju zakłóceń jest ekranowanie. Trzeba przy tym powiedzieć, że ekran nie spełnia swojej roli jeśli nie jest połączony z masą układu. Ponad to, jeśli łączymy ekran z obu stron przewodu bardzo często powodujemy przepływ prądu spowodowany innym potencjałem mas obu urządzeń. Takie połączenie jest niekorzystne także z punktu widzenia ekranowania: w pętli mas indukowany jest prąd zakłóceń - typowa pętla mas. Tak więc, także z tego powodu lepiej nie łączyć ekranu po obu stronach (rys. 4).

Rys. 4 Odłączenie ekranu po stronie źródła - sposób na usunięcie problemu pętli mas.

W wielu źródłach (zwłaszcza w internecie) spotkać można rozwiązania nakazujące odłączanie masy po stronie odbiornika. Takie rozwiązanie może powodować powstanie tzw. „zakłóceń radiowych”.
W przypadku przewodu niesymetrycznego ekranu nie należy dołączać, ponieważ jest on zarazem przewodem sygnałowym.

Istotna także jest uwaga, że dla małych częstotliwości (czyt. akustycznych) ekran nie powinien stanowić jednego z przewodów sygnału [2]. Mamy tu kolejne wytłumaczenie, dlaczego korzystniej jest stosować połączenia symetryczne.

2. Uziemianie.

Nie ma dobrego ekranowania bez przyłączenia ekranu do masy. Jeżeli urządzenie jest w pierwszej klasie ochronności, to masa jest przyłączona do uziemienia. Teoretycznie, w tym przypadku, masa ma stały potencjał ziemi. Jednak w praktyce może być to nieprawdą z powodu skończonej rezystancji kabli zasilających.

 

Rys. 5 Uziemienie jednopunktowe szeregowe.

Należy unikać uziemiania urządzeń jak na rys. 5, ponieważ spadki napięć, występujące na rezystancjach przewodów zasilających, dodają się i przedostają się do poszczególnych obwodów wzajemnie.

Znacznie lepszym rozwiązaniem jest uziemienie jednopunktowe tzw. gwiaździste (rys. 6). W tym przypadku brak jest sprzężenia między blokami.

Rys. 6 Uziemienie jednopunktowe gwiaździste.

Dobrym rozwiązaniem jest oddzielne prowadzenie masy dla obwodów różnego rodzaju (rys. 7). Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest, jeśli obwody zasilania są separowane galwanicznie od siebie - np. za pomocą transformatora. Taki sposób połączenia jest dogodny z tego powodu, że urządzenia cyfrowe mogą wprowadzać zakłócenia trudne do odfiltrowania. W studiach nagrań szczególnie należy zwrócić uwagę na filtrację obwodu zasilania komputera, który wprowadzać może bardzo duże zakłócenia z uwagi na stosowanie zasilaczy impulsowych.

Rys. 7 Gwiaździste prowadzenie masy - separacja.

Często też w sprzęcie spotyka się połączenie masy sygnałowej z uziemieniem za pomocą rezystora 10ohm do 100ohm (patrz piece gitarowe). Analizując rys. 8 i 9 można stwierdzić, że rezystor ten redukuje zakłócenia spowodowane z różnym potencjałem mas, albo skończoną rezystancją przewodów zasilających.

Rys. 8Przepływ dużego prądu przez ekran przewodu sygnałowego.

Jeśli występuje różnica potencjału, a przewód sygnałowy ma niską impedancję, to nawet przy niewielkich różnicach potencjału jest duży przepływ prądu, który powoduje zakłócenia - rys. 8. Sytuację poprawia rezystor włączony pomiędzy masę sygnałową a uziemienie (przewód ochronny) - rys. 9.

Rys. 9 Mały prąd w ekranie przewodu sygnałowego

3. Separacja.

Prawie idealnym, choć drogim rozwiązaniem, jest separowanie galwaniczne urządzeń. Jest to rozwiązanie jedynie prawie idealne, ponieważ żaden separator nie jest idealny i wprowadza zniekształcenia liniowe i nieliniowe. Tak więc, sygnał po separacji nie jest idealnie taki sam jak przed separacją.

Dotyczy się to zwłaszcza separacji realizowanej na elementach pasywnych, z których najczęściej wykorzystywany jest transformator. Nie ma idealnego transformatora, ale przy odpowiednim zwiększeniu kosztów i staranności wykonania, można osiągnąć zadowalające rezultaty, co niestety zwiększa cenę takiego urządzenia.

Z tego właśnie powodu im gorszej klasy urządzenie, tym więcej transformator wprowadza zniekształceń. Zakładam, że nie interesuje nas celowa zmiana (lekka korekcja) brzmienia za pomocą transformatora (co często spotyka się w stopniach wejściowych np. kompresorów).

Zalety separacji na przykładzie separatora transformatorowego:

• brak wpływu urządzenia odbiorczego na źródło,

• eliminacja pętli mas i przepływu stałych prądów wyrównawczych,

• zmniejszenie przydźwięku sieciowego (w transformatorze zakłócenie się znosi),

• możliwość dopasowania impedancyjnego (różna przekładnia),

• urządzenia separowane mogą być w dowolny sposób łączone z masą.

Jeśli zastosowana jest separacja za pomocą transformatora (rys. 10), transformator jest również ekranowany.

 

Rys. 10 Separacja galwaniczna urządzeń za pomocą transformatora separującego.

Separatory zwane są potocznie Di-Box'ami (od skrótu Direct Box) i mogą to być niewielkie pudełka, jak i sporych rozmiarów urządzenia montowane w rack'u.

4. Transmisja symetryczna.

Przewody symetryczne (rys. 11) są zbudowane z dwóch żył „gorących” - prąd płynie jedną żyłą a drugą powraca (napięcie jest odwrócone w fazie), oraz ekranu, który nie jest żyłą roboczą.

Rys. 11 Przewód symetryczny

Jeśli rozpatrzyć przewód symetryczny, który jest bez ekranu, to okaże się, że każde zakłócające pole magnetyczne wyindukuje napięcie zakłóceń, które jest takie samo (ma taka samą wartość i jest w tej samej fazie) w każdej żyle - taki sygnał nazywamy napięciem asymetrycznym, wspólnym. Ponieważ sygnał użyteczny jest napięciem symetrycznym, a zakłócający asymetryczny (wspólny), a wzmacniacz urządzeń symetrycznych wzmacnia różnice sygnału (dlatego taki wzmacniacz nazywamy wzmacniaczem różnicowym), a więc zakłócenie znosi się. Można zapisać taką sytuację prostym równaniem, które pozwoli wytłumaczyć na czym to polega:

gdzie:

Jeśli przykładowo:

Mamy:

Powyższą sytuację obrazuje rys. 12.

Rys. 12 Znoszenie się zakłóceń w transmisji symetrycznej.

Jeśli jeszcze dodatkowo ekranujemy przewód symetryczny, zwiększamy odporność na zakłócenia. Jest to kolejny dowód, że przemawiający za stosowaniem połączeń symetrycznych. Nawet, jeśli urządzenie źródłowe jest w standardzie niesymetrycznym, dobrze jest stosować symetryzatory, które najczęściej budowane są w oparciu o transformatory (rys.13).

Rys. 13 Symetryzator transformatorowy

5. Prowadzenie przewodów.

Bardzo ważne są zasady postępowania, szczególnie na estradzie, gdzie nie rzadko mamy do czynienia z plątaniną kabli zasilających i sygnałowych.

Poza tym, nie zawsze pamięta się o tym, że im przewody bardziej oddalone od masy (uziemienia - ziemi), tym bardziej podatne są na odbiór zakłóceń, niezależnie od ekranowania (analogia do anten). Tak więc, poprawnie wykonane okablowanie wykonane jest tak, że przewody zarówno zakłócane, jak i zakłócające prowadzone są jak najbliżej ziemi [1].

Ważna jest także zasada, którą należy się kierować w miarę możliwości, że przewód zakłócany powinien przecinać się z przewodem zakłócającym pod kątem prostym, co eliminuje przydźwięk sieciowy. Jest to często, w warunkach scenicznych, niestety niemożliwe. Przemawia to za starannym zaprojektowaniem systemu ekranującego.

Silne pole magnetyczne może być wytworzone przez przewody zasilania o wyższym napięciu, dlatego należy unikać sytuacji, kiedy przewód wielożyłowy (tzw. „multicore”) do miksera jest położony równolegle obok przewodów zasilających. Wprawdzie kablu multicore mamy kilkanaście, kilkadziesiąt przewodów (zazwyczaj) symetrycznych, które są ekranowane z osobna i często dodatkowo wszystkie razem, ale żaden ekran nie jest idealny. Przydźwięki mogą przedostawać się do toru elektroakustycznego z powodu zużycia kabla, złego użytkowania lub wad fabrycznych (niestarannie ułożony ekran).

Podsumowując, nie można zapomnieć o zasadach eksploatacji kabli i przewodów. Nieprawidłowa eksploatacja może się przyczynić do zmniejszenia skuteczności ekranowania i co za tym idzie, do zwiększenia poziomu zakłóceń.

Złote porady:

• Staraj używać przewodów symetrycznych gdzie tylko można

• Używaj tylko jednego źródła zasilania dla maksymalnej liczby urządzeń

• Pojedyncza faza zasilania dla całości systemu audio

• Stosuj symetryzację (di-box'y) w przypadku połączenia niesymetrycznego

• Staraj się oddalić wszelkie kable sygnałowe z dala od kabli zasilających i transformatorów sieciowych

• Używaj przełącznika "ground lift" zwłaszcza, kiedy urządzenia zasilane są z innych faz

• Uziemianie "w gwiazdę" nie zawsze zapobiega przydźwiękom - jeśli nie przerwiemy połączenia przez kabel sygnałowy

Literatura:
[1] - Alain Charoy: "Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych"
[2] - Henry W. Ott „Metody redukcji zakłóceń i szumów w układach elektronicznych”
[3] - http://www.epanorama.net/documents/index.html

---