В некоторых усилителях мощности в земляную цепь включен резистор небольшого сопротивления.
Для чего он нужен?
Идеальный усилитель, как его представляет теория усилителей, показан на рис. 1. На вход подается входной сигнал, а на выходе в каждый момент времени устанавливается напряжение больше чем на входе в Ку раз, где Ку – коэффициент усиления усилителя.
Рис. 1. Идеальный усилитель.
В таком усилители входная и выходная цепи разделены – это совершенно разные цепи и они никак не связаны. Источник сигнала замыкается входной цепью, а выходная цепь, состоящая из блока питания (именно из него в нагрузку поступает электрическая мощность) и регулятора (он нужен для того, чтобы устанавливать в нагрузке нужное напряжение) – сама по себе. Подобные усилители реально существуют, и его в принципе можно сделать из «обычного» усилителя, включив на его вход и/или выход сигнальный трансформатор. А вот источник питания и нагрузка обязательно имеют общую точку, это важный момент.
В реальности гораздо удобнее иметь один провод общий для всего устройства, и даже общий для нескольких устройств. Тогда все напряжения во всех точках схемы можно измерять (и прикладывать) относительно этого общего провода. Такой принцип конструирования очень удобен, он имеет множество достоинств и поэтому применяется более чем очень широко. Честно говоря, я вот так с ходу и не смог бы придумать ряд цепей, существующих в реальном современном усилителе, если бы в нем не было общего провода – «земли». А раз есть провод, общий для всех цепей усилителя, то и входная цепь, и выходная цепь – обе они должны быть соединены с этим общим проводом, рис. 2. Этот общий провод по ряду причин соединяют с корпусом устройства.
Рис. 2. Усилитель, имеющий общий провод для всех цепей.
По идее, этот общий провод, показанный на рис. 2 красной линией, никого ни к чему не обязывает. Просто уравнивает потенциалы входной и выходной цепи. То есть с точки зрения электротехники напряжения и на нижнем входном проводнике, и на нижнем выходном проводнике равны нулю (относительно общего провода). Входная и выходная цепи при этом все равно остаются независимыми, каждая из них работает со своими напряжениями и токами, которые из одной цепи в другую попасть никак не могут. На рис. 3 показано, что токи входной и выходной цепей независимы, поэтому по участку АВ земляного проводника никакой ток не течет.
Рис. 3. Токи входной и выходной цепей независимы и никак не влияют друг на друга.
Почему я так подробно про это говорю? Потому, что собираюсь разъединить эти только что соединенные мною земли входа и выхода.
К сожалению, все так хорошо только на бумаге.
В реальности по участку АВ, связывающему входную и выходную цепи, ток может протекать:
1. В реальном усилителе нет отдельно входа и отдельно выхода. В нем много разных элементов «сопровождают» сигнал от начала и до конца. Токи этих элементов могут протекать по участку АВ, и тут ничего не поделаешь. В этом случае стараются сгруппировать токи так, чтобы те, которые больше относятся ко входной цепи протекали в точке А, а те, которые относятся к выходной цепи протекали в точке В.
2. Неудачный монтаж. Источник питания обязательно соединен с выходной (силовой) землей. И в ней всегда протекает ток нагрузки. При неудачном монтаже этот ток нагрузки может попасть во входную цепь, или повлиять на нее.
3. Ток через участок АВ может быть создан другими блоками усилителя. Об этом поговорим подробнее позже.
Что плохого в том, что через участок АВ на рис. 3 будет протекать ток?
1. Так как сопротивление участка АВ не равно нулю, то по закону Ома на нем возникает напряжение (помеха), пропорциональное протекающему току. И это напряжение помехи складывается со входным напряжением усиливаемого сигнала.
2. Ток по участку АВ может быть вызван внешними причинами, например, наличием земляной петли. Это самый неприятный случай: мало того, что земляная петля вредна и ток, текущий по ней вреден, так еще этот ток может быть никак не связан с усиливаемым сигналом, и может содержать неизвестно что. И это «неизвестно что» создает напряжение, поступающее на вход усилителя. Особенно все становится плохо, если блоки усилителя соединены между собой неправильно (вот статья про правильное соединение блоков усилителя).
Пример образования земляной петли показан на рис. 4.
Рис. 4. Пример образования земляной петли.
В этом случае на вход усилителя мощности поступает как минимум две помехи:
1. Помеха, циркулирующая по земляной петле.
2. Помеха, вызванная током питания, протекающим из точки D1 в точку С. По идее ток источника питания в предварительный усилитель должен поступать по такому пути: D1-C1-C. Но ведь есть еще другой путь по другим проводам: D1-D-A1-B-C. Второй путь параллелен первому, сопротивление у проводов маленькое, вот ток и течет.
Как с этим бороться? Проще всего было бы вернуться к изначальной схеме, где нет провода АВ (провод А1-В1 на рис. 4 и 5) и вход отделен от выхода. Но нельзя – усилитель спроектирован на основе того, что у всех цепей один и тот же потенциал земли. А что если разорвать провод на участке АВ не совсем, а «частично»? В разрыв включаем резистор с маленьким сопротивлением 1…2 ома, но это сопротивление в десятки раз больше, чем сопротивление провода, который мы разорвали. Главное при этом земляной провод разорвать в таком месте, чтобы земли входных цепей остались присоединенными к входу, а земли выходных цепей – присоединенными к выходу. Т.е. чтобы включаемый в земляную цепь резистор не повлиял на работу цепей усилителя, рис. 5. Что тогда получится?
Рис. 5. Разрыв земляной петли резистором.
Точка включения земляного резистора выбирается так, чтобы через нее никакой специальный ток не протекал. Тогда напряжение на этом резисторе будет равно нулю, и потенциалы входной и выходной земель (левого и правого по схеме концов резистора) будут одинаковы. То есть земля как бы остается и ее сопротивление как бы остается равно нулю. То есть работа усилителя никак не нарушится. С другой стороны, сопротивление земляной петли возрастет, и ток помех по ней циркулировать не будет. Да и ток, текущий из точки D1 в точку С, пойдет по земле блока питания через точку С1, а в усилитель мощности вообще не потечет. Кроме того (это тоже важный момент), земляной резистор – это преграда для смешивания между собой входных и выходных токов: он мешает этим токам затекать в чужую цепь.
Это мое описание работы земляного резистора весьма упрощенное. На самом деле все сложнее, и не так замечательно, как выглядит на первый взгляд. Одна из самых больших проблем – выбрать точку в которой можно безболезненно разорвать землю усилителя. Другая проблема – если вдруг через этот резистор станет протекать какой-то посторонний ток (например, вызванный неудачным монтажом, неудачным соединением блоков усилителя между собой или какими-то другими причинами), то падение напряжения на земляном резисторе будет (относительно) очень большое – гораздо больше, чем было бы без него. И все проблемы с попаданием помех во входную цепь вырастут многократно. Вот почему земляной резистор используется нечасто. И не всегда его наличие приносит пользу. В моем усилителе на микросхеме TDA7294 такой резистор есть. В этой схеме удалось удачно разделить входную и выходную земли. И почти всегда, земляной резистор приносит пользу. Но иногда люди, собравшие этот мой усилитель, пишут, что исключение земляного резистора улучшило работу усилителя (просто удалить из схемы его нельзя – нарушится электрическое соединение! если надо исключить резистор, то его заменяют перемычкой!).
Поэтому если в той схеме усилителя, которую вы собираете, присутствует земляной резистор, то используйте его. Но позаботьтесь о правильном соединении всех блоков усилителя между собой, иначе этот резистор может принести не пользу, а вред. Если в вашей схеме такой резистор отсутствует – ни в коем случае не пытайтесь его ввести самостоятельно! Если этого не смог (или по каким-то причинам не захотел) автор схемы, то у вас это наверняка не получится. Самостоятельным введением земляного резистора можно вообще испортить усилитель.
Закончить все же хочется на положительной ноте: при правильном использовании, земляной резистор очень помогает получить от усилителя в целом максимум того качества звучания, которое этот усилитель может обеспечить.
PS.
Через несколько дней после опубликования этой статьи, я использовал свой усилитель на микросхеме TDA7293 с Т-образной ООС для измерений. В нем как раз входная земля отделена от силовой резистором порядка 1,5 Ом. И так неудачно случилось, что в кабеле питания пропал контакт в земляном проводе. В результате резистор, разделяющий земли, сгорел (ток нагрузки пошел через него в землю источника питания — на рис. 5 этот путь такой: B1-D-A1-B-C-C1-D1). На тот момент у меня не оказалось низкоомных резисторов, и я заменил резистор, разделяющий земли, перемычкой. Но продолжать измерения я не смог — увеличились помехи. Пришлось ехать покупать низкоомный резистор для разделения земли и впаивать его в плату. Вот как выглядел сигнал на выходе усилителя без разделения земли (рис. 6) и когда я снова разделил входную и силовую земли, рис. 7. Обратите внимание на количество и уровень помех с частотой сети 50 Гц и ее гармоник.
Рис. 6. Спектр сигнала и помех на выходе усилителя без разделения земель.
Рис. 7. Спектр сигнала и помех на выходе усилителя с разделением земель.
ГЕННАДИЙ СЕМЕНОВИЧ ГЕНДИН, «ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ ЛАМПОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ»
От правильности и грамотности монтажа зависят уровень интермодуляционных искажений и минимально достижимый уровень собственного фона и наводок, а следовательно, и реальный динамический диапазон всего усилителя, являющийся одним из важнейших его параметров.
Для того чтобы твердо уяснить общий для любых усилителей принцип грамотного монтажа, внимательно рассмотрим рисунки, иллюстрирующие соединение сеточной цепи лампы с входным разъемом, стоящим от лампы на некотором расстоянии.
Теперь о самих экранированных проводах. Ни один из промышленно выпускаемых типов проводов в «чистом» виде нам не подходит. Все экранированные провода придется делать самостоятельно. Делается это несложно. Если вы внимательно посмотрите на рисунок, то увидите, что внутри экранирующей оплетки помещены два провода: один обозначен тонкими линиями, другой — толстыми. Такое условное разделение соответствует фактическому. Действительно, все экранированные провода в нашем усилителе выполнены по принципу куклы-матрешки: внутри обычной металлической экранирующей оплетки помещены два провода разного диаметра — один тонкий (сигнальный) цветной многожильный в хлорвиниловой или фторопластовой изоляции сечением 0,2…0,35 мм, другой также многожильный, но сечением не менее 0,5 мм — нулевой, т.е. заземляемый. Оба эти провода вместе с экранирующей оплеткой помещены в изолирующий хлорвиниловый чулок.
Настоятельно рекомендуем взять за правило и присвоить различным цепям усилителя определенные цвета проводов. Выбор самих цветов может быть произвольным. Он, как правило, зависит от фактического ассортимента имеющихся проводов у радиолюбителя, но некоторых правил все же лучше придерживаться. Так, все нулевые провода, подлежащие заземлению, лучше делать черными и толстыми (сечением 0,5…0,75 мм), плюсовые провода выпрямителя — красными, а если выпрямителей несколько — то красными, розовыми и оранжевыми. Все сигнальные провода одного из стереоканалов — зелеными, а другого — синими (или голубыми). Цепи накала ламп — белыми или серыми. Для цепей вспомогательных устройств и систем можно выделить коричневые, желтые, сиреневые или тонкие черные. Такой порядок намного упростит процесс монтажа и исключит путаницу при распайке сдвоенных регуляторов громкости и тембра (какой из проводов от левого канала, какой — от правого).
Для самостоятельного изготовления экранированных соединительных кабелей нужно либо взять «чистую» металлическую оплетку, либо снять ее с промышленного одиночного экранированного провода, затем продеть в оплетку два изолированных провода (один тонкий — сигнальный, другой толстый — нулевой) и все это вместе с оплеткой протянуть внутрь хлорвинилового чулка соответствующего диаметра. Это можно делать двумя способами: изготавливать каждый отдельный конкретный провод заранее определенной длины или же сразу заготовить 10…15 м провода, а затем отрезать по мере необходимости куски нужной длины. Из практики можно сказать, что второй способ значительно экономит время.
Для монтажа накальных цепей и сетевых проводов внутрь одной оплетки помещают оба провода (можно одного цвета) и также изолируют оплетку хлорвиниловым чулком.
Теперь об упоминавшейся выше «нулевой» шине внутри экранированных блоков. Если в блоке размещается печатная плата с радиоэлементами, то роль шины может выполнять одна из печатных дорожек. Она должна быть как можно шире. Для уменьшения ее сопротивления дорожку надо залудить и напаять на нее сверху по всей длине отрезок голого медного, а еще лучше посеребренного провода. Если же монтаж внутри блока не печатный, а навесной (например, на коммутационном переключателе), то роль шины может выполнять такой же отрезок голого провода, закрепленный концами на «холостых» выводах переключателя или на специальных изоляционных опорных точках.
Учтите, что все сигнальные межкаскадные и входные цепи ламповых усилителей имеют входные и выходные сопротивления на порядок большие транзисторных и измеряются сотнями килоом и мегаомами. В связи с этим существенное влияние на частотную характеристику УЗЧ начинают оказывать собственные емкости экранированных проводов. Известно, что эта емкость прямо пропорциональна длине экранированного провода и обратно пропорциональна расстоянию от внутреннего провода (жилы) до оплетки. Поэтому не стремитесь использовать современные тонкие и сверхтонкие (диаметром 3, 2 и даже 1,5 мм) фирменные экранированные провода и по возможности делайте экранированные соединения покороче.
Продолжение статьи по материалам электронной сети Интернет с размышлениями из "Записной книжки" Юрия Игнатенко и моими комментариями, примечаниями и поправками
Этап 3. Монтаж
Начинается набивка изготовленного корпуса деталями. Установите силовой трансформатор. Под лапки ТС положите полоски резины, чтобы не резонировало шасси. Затем выходные трансформаторы, дроссели питания, электролитические конденсаторы, панельки, выключатель сети, переключатель входов, входные и выходные клеммы, регулятор громкости, предохранитель и смело начинайте паять.
Соображения на счет накальных цепей. Сборку начинают с разводки цепей накала перевитыми проводами. Провода перевиты, что уменьшает излучение на частоте 50Гц. Так как ток течёт в любой момент времени в обоих проводах одинаковый по величине, но противоположный по направлению. Эти накальные провода прокладывайте где хотите. Затем над панельками протяните толстую шину (земля). Можно закрепить её на свободных ножках ламповых панелек и соединить с шасси у входных гнёзд. Ещё раз повторю, что точка соединения с шасси всего одна. И расположена она у входных гнёзд и больше нигде. Поэтому гнёзда входные на шасси сидят без прокладок. Для земляной шины можно взять медный одножильный провод 1.5 или 2.5 квадрата от обычной осветительной сети. Сетевые провода ни в коем случае не должны идти рядом с сеточными проводами. И сеточные провода должны быть как можно короче. Можно рекомендовать длину 1-3см, но не 25см, как у американцев. Чтобы уменьшить фон, провода выключателя сети надо прокладывать, как можно дальше от разделительных конденсаторов и проводов управляющих сеток. Выключатель питания, совмещенный с регулятором громкости, недопустим.
Соображения насчёт монтажа и расположения деталей. Чтобы не бороться с фоном, наводками и возбудами, детали монтируют коротко. Деталь к лепестку, входные гнёзда сидят на массе и это единственная точка соединения всего монтажа с корпусом. Чтобы не было наводок с ТС на ТВЗ. монтируют ТВЗ в подвале, а ТС сверху шасси. Если это невозможно, их разносят как можно дальше, вытащив лампы и включив в сеть, подключив милливольтметр, на выход ищут положение каждого выходника относительно силового, при котором показания будут не более 1-3 мв. Но даже найдя это положение, следует помнить, что поле изменяется в процессе работы, от нагрузки и может появится небольшой фон. Дроссель обязателен в питании. А вот по накалу, ни каких проблем. Для выходных ламп заземляют один вывод накала. А входные лампы питают от обмотки со средней точкой, а если отвода среднего нет, то делают искусственную среднюю точку из двух резисторов 200-300 Ом. Напряжение накала от ТС подводится к лампе перевитыми проводами. Смонтирован накал, анодные цепи, входные цепи. Установлены электролиты. Через полчаса запуск, прослушивание, измерение АЧХ , КНИ. Ниже показан пример монтажа.
Вопрос. Провода накала скручивать или как здесь — Рис. 107? Что вернее?
Ответ. Накал в двухкаскадном усилителе с чувствительностью 0,6-0,8 вольт делайте как хотите. Малочувствительная схема. Токи накала 6,3 В невелики и не существенно повлияют на режим при такой чувствительности усилителя. А вот корректор высокочувствительный, там да, если питать переменкой накал, то свивать в бифиляр желательно накальные провода.
Вопрос. Процесс пошел, но монтаж — не мое. Поделитесь фото как бы все аккуратно раскидать? Все резисторы у меня 2-х Ваттные.
Ответ. Пример типовой распайки показан ниже, это удобно и главное быстро. И к тому же точно известно, что фонить, хрипеть и искажать эта конструкция не будет. Сначала накалы ламп распаивают. Затем перемычку экранных сеток 6П3С. После уже сетки ламп 6П3С и шину массы поперёк шасси. А уж после всего — входную часть и 6Н9С
Если вам покажется, что монтаж получился некрасивым, то посмотрите какой монтаж у американских, японских и европейских усилителей 60-х годов, вот несколько снимков тех усилителей, что я снимал. Короче попытайтесь полюбить любого уродца, какой он есть. Это же ваше создание.
Ужасное впечатление, иначе не сказать. А многие думают, что америкосы идеально паяли и монтировали. Нет конечно. Всё криво и не логично и всё перепутано кучей проводов. Поэтому не стесняйтесь своего монтажа, паяйте в удовольствие. А на нижнем фото показано сравнение размера нашего ТВЗ 1-9 и ТВЗ двухтакта американского усилителя 2 х 35 ватт. Понимание соотношения вызывает улыбку.
Борьба с фоном. В ходе экспериментов удалось практически определить, какое напряжение фона допускается в паузе на высокочувствительной 95-98dB акустике, применяемой меломанами. Это значение равно 2-3 мВ и не более, не зависимо от мощности усилителя! Например, радиоприёмник МИР152 имеет на выходе 18мВ фона. Латвия имеет 29мВ и так далее. Их невозможно слушать в тишине на малой громкости, если подключить к ним акустику высокой чувствительности с нижней рабочей частотой 30Гц. Если усилитель высококачественный усилитель на продажу за приемлемые деньги, а не для себя, то нужно обязательно добиваться 2-3мВ напряжения фона на выходе и не более. Иначе рекламация окажется вполне обоснованной. Напомню, что первый тест у клиента, после получения усилителя, это включить в сеть и прислонив ухо к акустике послушать, нет ли фона.
Изготовив усилитель автор включает его в сеть вынув лампы и слушает, есть ли фон. Следует замерить его либо измерителем выхода, либо программным селективным вольтметром. Если фон есть, то значит это наводки с силового на выходные трансформаторы (ведь лампы то вынуты) И требуется экранирование либо силового, либо выходных трансформаторов. Но сначала следует повращать выходные трансформаторы относительно силового. Возможно удастся найти положение самого малого фона. Но полностью избавится от фона таким способом невозможно. Дело в том, что в динамическом режиме картина разбалансируется и через некоторое время опять придётся искать положение выходного трансформатора относительно силового. Поэтому рекомендую уже в начале проектирования уйти от проблемы фона, расположением силового трансформатора сверху железного шасси, а выходные трансформаторы разместить в подвале. Это позволит забыть о наводках электромагнитного поля с силового трансформатора на монтаж и выходные трансформаторы. Либо размещать силовой и выходные трансформаторы сверху но накрывать их экранами из железа. Применить для экранов пермалой ещё лучше. Но найти листовой пермаллой, чтоб изготовить колпаки, крайне затруднительно.
В заключении добавлю, что медная оплётка, чулок экранированного провода, не защищает от магнитного поля. У военных все кабели одеты в экраны, оплётки из железной проволоки, оцинкованной или лужёной. Вот эти экраны защищают от магнитного поля. В ответственных местах я применяю трубку от тормозной системы автомобилей. Протянув внутри пару проводов а трубку прикрутив к шасси. Получается 100% защита от магнитного поля силового трансформатора. Хоть рядом с трансформатором размещай, нет фона. Расстояние между сердечником трансформатора и экраном на практике берут порядка 0,05 -0,1 от наружных размеров сердечника трансформатора.
Есть и дугой способ ухода от фона на стадии проектирования. Фон и наводки на ТВЗ от ТС проверяют ещё не смонтировав усилитель. Устанавливают силовик. К вторичке ТВЗ, подключают акустику. Включают ТС в сеть, ставят ТВЗ рядом на шасси и слушают фон от наводок. Двигая ТВЗ и вращая его ищут минимум фона. Одевая колпак или применяя экран-перегородку слушают, как уменьшается фон. Или на голое шасси ставят силовик и включают его в сеть. А затем в точке предполагаемой установки ставят выходник и подключают к вторичной обмотке эквивалент нагрузки и комплекс Шмелёва. По приборам смотрят, какой возникает фон. В этом случае можно, при необходимости, устанавливать металлические перегородки или экраны. А далее искать такое место установки ТВЗ и положение относительно ТС, при котором фон минимален. Постарайтесь при этих манипуляциях ничего не закоротить.
Евгений Бортник, август 2015, Россия, Красноярск
