Как развести земли и подключить корпус при постройке усилителя низкой частоты?
Как развести земли и подключить корпус при постройке усилителя низкой частоты?
Уже несколько раз отвечаю на одни и те же вопросы, связанные с подключениями к общей шине при постройке УНЧ. Поэтому решил оформить ответ в виде небольшой заметки, в которой попытаюсь дать несколько простых советов по соединению блока усилителя с блоком питания и гнездами линейного входа.
Самые интересные ролики на Youtube
Близкие темы
Финальная сборка, наладка и испытание УНЧ.
Пролог
Нередко, во время первого испытания самодельного УНЧ, выясняется, что он фонит (усиливает сигнал помехи частотой 50 или 100 Герц) или воспроизводит ещё какие-нибудь лишние звуки. Особенно хорошо различимы все эти артефакты в отсутствие полезного сигнала на входе.
Причиной возникновения помех может быть, либо возбуждение УНЧ на ультразвуковых частотах, либо проникновение пульсаций напряжения питания в полезный сигнал, либо наводки, вызванные внешними электромагнитными полями.
Возбуждение усилителя обычно возникает из-за нарушения работы Отрицательной Обратной Связи (ООС) по постоянному току, например потери емкости фильтра ООС, или неверного расчёта цепей коррекции частотной характеристики УНЧ. Возбуждение легко идентифицировать по току потребления УНЧ и искажению полезного сигнала. В большинстве случаев, сорвать возбуждение УНЧ можно без каких-либо существенных переделок конструкции.
А вот устранить разного рода помехи, связанные с питанием или внешними наводками, и проникающие в усилительный тракт из-за конструктивных недоработок бывает намного сложнее.
Поэтому желательно ещё во время проектирования усилителя знать о возможных «хомутах» и методах их устранения.
Вот живой пример просчёта, допущенного при проектировании УНЧ.
Давайте рассмотрим основные причины, вызывающие фон и другие помехи в акустической системе и попробуем в них разобраться с помощью упрощённых эквивалентных схем.
Будем считать условное обозначение поз.1 соединением с общей шиной или, проще говоря, с проводом к которому подключается общий провод питания и общий провод полезного сигнала УНЧ. В большинстве усилителей низкой частоты эти два проводника соединены гальванически.
Условным изображением поз. 2 обозначим точку соединения элементов экранирования между собой или корпусом УНЧ, если он металлический.
Как правильно развести земли входного сигнала и питания?
Ещё на стадии проектирования УНЧ, следует проанализировать все цепи на предмет протекания токов разных источников через одни и те же провода, экраны или дорожки печатной платы. Удобнее всего сделать это с помощью, так называемых эквивалентных схем. Не обязательно чертить эту схему, вполне достаточно держать её в голове во время проектирования.
Заменим общие проводники паразитными резисторами, а наводки, вызванные электромагнитными полями, конденсаторами.
На этой картинке Вы видите схему подключения двух независимых генераторов переменного тока к соответствующим нагрузкам. Эти две цепи имеют полную гальваническую развязку и проникновение сигнала одного генератора в нагрузку другого, возможно только посредством электромагнитных волн. Но, это вопрос экранирования и его мы рассмотрим в следующем параграфе.
На этой схеме показано подключение двух источников переменного тока к нагрузкам, с использованием общей шины. Необходимость в применении общей шины возникает из-за того, что входные цепи усилителей и цепи их питания связаны гальванически.
Кроме этого, общие шины могут использоваться для экономии провода или для упрощения разводки печатных плат. Хотя, в некоторых случаях, например, при проектировании печатных плат импульсных или ВЧ устройств, причины бывают и иные.
А вот это уже упрощённая эквивалентная схема, на которой видно, что при использовании общей шины, ток обоих генераторов течёт через паразитный резистор R3. И хотя сопротивление этого резистора ничтожно по сравнению с сопротивлением нагрузок генераторов, законы Кирхгофа продолжают действовать и здесь.
Давайте предположим, что работает только генератор G1 и генерирует некоторый ток в нагрузке R1. Этот ток, протекая по общей шине, имеющей некоторое, пусть даже незначительное сопротивление, которое мы условно обозначим R3, создаст падение напряжения на этой самой шине. Это напряжение приложится через внутреннее сопротивление генератора G2 к нагрузке R2 и через последнюю потечёт некоторый ток помехи. Таким образом, помеха от генератора G1 может попасть в нагрузку R2.
Чем это нам грозит?
Напряжение шумов на линейном входе усилителя может составлять доли микровольта, тогда как величина пульсаций в цепях нестабилизированного источника питания может достигать десятых долей вольта. Если при этом иметь виду, что входное сопротивление линейного входа УНЧ составляет десятки килоом, то становится понятно, как эти пульсации могут проникнуть во входные цепи усилителя, если общие шины разведены без оглядки на подобную эквивалентную схему.
Предположим, мы собираем усилитель сигнала по приведённой схеме.
Если мы подключим соединительные провода так, как показано на схеме выше, то получим вот такую картинку. Как видите, при таком подключении, на общей шине появился участок, через который будет течь не только ток входного сигнала, но и ток от источника питания.
Чтобы исправить это безобразие, перенесём точку соединения общих проводов блока питания и входного сигнала поз.1 как можно ближе к схеме усилителя, чтобы снизить влияние помехи. Конечно, этих же принципов придётся придерживаться и при проектировании печатной платы.
Как правильно организовать экранирование?
Даже если все проводники общий шины усилителя разведены правильно, он всё ещё не защищён от воздействий помех, которые могут быть наведены на элементы усилителя внешними или внутренними электромагнитными полями.
На картинке знакомая уже схема подключения двух генераторов переменного тока. Но, в данном случае, мы попробуем проследить, как внешнее или внутреннее электромагнитное поле может стать причиной проникновения помех во входные цепи усилителя.
Условно обозначим ёмкость между «горячими» проводниками генераторов как C1.
Предположим, что генератор G2 выключен. Тогда ток, генерируемый G1 может потечь по цепи: верхний вывод генератора, паразитная ёмкость C1, резистор R2, общая шина, нижний вывод генератора G1. Таким образом, ток генератора G1 может проникнуть в нагрузку R2.
Чтобы минимизировать проникновение помехи, применим экранирование.
Это могло бы значительно снизить влияние внешних полей на входной сигнал, если бы мы не стали пускать ток генератора G1 по экранирующей оплётке кабеля точно так же, как это было в случае с общей шиной, описанном выше.
Поэтому доработаем нашу схему так, чтобы предотвратить протекание тока генератора G1 по экранирующей оплётке. Для этого достаточно подключить оплётку кабеля к общей шине только в одной точке.
Теперь применим экранирование сигнального провода в УНЧ, чтобы защитить его от наводок.
Это хорошее решение и оно в большинстве случаев может защитить входной сигнал от помех. Но, всё может оказаться не так радужно, когда мы будем иметь дело с уровнем сигнала на порядок ниже, чем уровень сигнала линейного входа.
Когда уровень усиливаемого сигнала очень мал, то становится ощутимым воздействие помех от всевозможных электромагнитных излучений. Электромагнитные волны легко проникают через экранирующую оплётку провода, которую обычно изготавливают из немагнитных материалов.
Кроме этого, электромагнитные волны по-разному воздействуют на оплётку и центральный провод, в силу их различной формы и величин распределённой ёмкости и индуктивности. Если предположить, что на кабель воздействует однородное переменное электромагнитное поле, то последнее вызовет в центральном проводе и оплётке токи разной величины. И хотя токи эти будут иметь разный знак по отношению к полезному сигналу, алгебраическая сумма их будет больше ноля. Если величина этих паразитных токов превысит уровень шумов усилителя то помеха может стать заметной на слух.
Для того чтобы минимизировать уровень помех в высокочувствительных цепях усилителя, используют экранированную витую пару, которую в народе называют микрофонным кабелем.
Токи, генерируемые электромагнитными полями в проводах витой пары текут в одном направлении и практически равны, благодаря идентичной форме каждого проводника витой пары. В то же время, токи полезного сигнала текут в разных направлениях по проводникам витой пары. Таким образом, в одном проводе ток помехи складывается с полезным сигналом, а в другом вычитается, что приводит к полной компенсации помехи.
Но, в любительской практике, витая пара может понадобиться не так часто, и используется разве что для подключения динамического микрофона или электромагнитного звукоснимателя к предварительному усилителю.
Обычно линейный вход усилителя низкой частоты подключают примерно по такой схеме. Как видите, общий провод линейного входа не соединён с корпусом гнезда. В то же время, корпус гнезда соединён с металлическим корпусом усилителя. Точно также с металлическим корпусом усилителя соединяют и другие элементы экранирования, например, межобмоточный экран силового трансформатора и металлический экран предварительного усилителя.
Но, во всех случаях, общую шину усилителя соединяют с металлическим корпусом (экраном) только в одной точке поз.1. Если таких точек будет больше одной, то токи «путешествующие» по металлическому корпусу усилителя начнут «заглядывать» в общую шину, что может стать причиной помех.
Если для линейного входа используется гнездо типа Джек 3,5мм, а корпус усилителя металлический, то придётся изолировать крепление гнезда от корпуса, так как общий вывод поз.1 и элементы крепления поз.2 в таких гнёздах соединены гальванически.
Итак, подведём итоги.
Чтобы минимизировать паразитные токи и другие влияния источников помех на полезный сигнал, нужно ещё на стадии проектирования усилителя минимизировать любую возможность протекания токов разных источников по общим шинам.
Металлический корпус усилителя должен быть соединён с общей шиной усилителя только в одной точке. Хотя другие элементы экранирования, за исключением тех, по которым протекает полезный сигнал, могут быть соединены с корпусом произвольно.
Для подключения слабых источников сигнала, таких как головка динамического микрофона или электромагнитного звукоснимателя, следует использовать витую экранированную пару.
Выделите ошибочный текст мышкой и нажмите Ctrl + Enter
Админ спасибо хоть я не задавал такого вопроса но всё равно для общеобразования так сказать до кучи прочёл Спасибо тибе за твой труд С новым тебя годом Успехов и здоровья
СПАСИБО!!!!!
Спасибо, очень толково!
спасибо!Очень нужная информация
Данная концепция экранирования отдельных узлов аппаратуры и кабелей противоречит теориям книг Атаева и Болотникова о высококачественной аппаратуре.Хотя лично мне кажется интересной.
sergey, в какой части? Укажите на конкретные ошибки.
Юрий, при использовании экранированной витой пары оплетка подключается с обеих сторон кабеля или только с одной. На картинке у вас с обеих, но верно ли это или непринципиально?
Михаил, как правило, с помощью витой пары подключаются источники слабого сигнала, такие как микрофоны, звукосниматели и другие датчики. Часто, сами эти источники сигнала нуждаются в экранировании. В таких случаях оплётку используют не только в качестве экрана, но и шины, соединяющей экран датчика с экраном усилителя.
В конце этой статьи рассказано и показано, как подключить витую пару и оплётку на примере подключения динамического микрофона.
В других случаях, может понадобиться произвести соединение с помощью витой пары между отдельными экранированными блоками, например, настольным компьютером и стационарным магнитофоном. В таком случае, оплётка будет служить шиной, соединяющей корпуса двух устройств. При коммутации подобных устройств, наличие надёжного контакта между корпусами просто необходимо.
Когда же экранированная витая пара прокладывается внутри металлического корпуса и известно, что земли данного устройства разведены верно (то есть, токи не текут по металлическому корпусу), тогда подключение второго конца оплётки может быть непринципиальным. Однако на практике, при усилении очень слабых сигналов в условиях электромагнитных помех, (когда по корпусу начинают гулять вихревые токи) может понадобиться поэкспериментировать с оплёткой, например, поместить её в изоляцию и найти наиболее удачное место для подключения её к корпусу. В некоторых случаях, самым удачным местом будет вовсе не один из концов.
Чем ниже уровень входного сигнала, тем сложнее его защитить от наводок.
Много приходится писать, когда не ясна конкретная задача.
Алексей Иваныч, а вы не подскажите, можно ли собрать хайфай (hifi) усилитель и колонки в домашинх условиях. (Т.е. такие которые по качетсву как за 30 000 рублей за штуку — чтобы слышно было весь диапазон, с сабфуфером мощным, как в школах электронной музыки у учителя стоит). Вот так вопрос. Т.е. не тарахтелку собрать типа радио Попова, а что-то такое, Чтобы 100000 сэкономить. которых нет просто.
Или все равно там цена в магазинах объективная и нужно будет чисто за подобные детали отвалить те же 1000000.
Заем мне нужен качевственный звук и почему бы не слушать обычный магнитофон — не спрашивайте.
Спасибо за ответ.
Алексей Иваныч, у меня два ответа короткий и развёрнутый.
.
Короткий ответ — можно.
.
Развёрнутый ответ.
«Hi-Fi»-и тоже разными бывают. Есть и за пару тысяч долларов, а есть и за пару сотен тысяч долларов.
Меломаны, которые собирают акустику высокой верности платят от 1000$ за пару головок. С другой стороны, если есть знания и опыт, то можно собрать высококачественные громкоговорители небольшой мощности и на основе копеечных широкополосных динамиков старого образца. Но, занимаются этим фанаты своего дела, которые обладают серьёзным багажом знаний в области акустики и электроники. Часто вместе с акустикой собирают высококачественные ламповые предварительные и оконечные усилители. Есть даже Кулибины, которые берутся за постройку высококачественных проигрывателей виниловых пластинок.
Короче говоря, это хобби не из разряда «Юный техник». Захотел собрать в четверг усилок, а в воскресенье уже слушал музыку.
Что до экономической выгоды, то, конечно, трудозатраты превышают стоимость серийного изделия. Тут, скорее, вопрос стоит в любви к искусству и получению бесценного опыта и широких знаний в области электроакустики. Ну, а знания и опыт, это профессия, которая, кстати, может неплохо кормить, так как настоящих профессионалов в любой области техники считанные единицы.
Юрий, вопрос, опять таки, по витой паре.
Это понятно. Но, полезный сигнал идет так же и по оплетке, т.к. она подключена с обеих сторон, а следовательно:
То есть при соединении источника сигнала (не микрофона) с усилителем правильнее присоединять оплетку только с одной стороны (со стороны усилителя)?
Михаил, в первой цитате речь идёт о витой паре. Витая пара самодостаточна и не нуждается в дополнительных проводниках. Например, витые пары используются в качестве телефонных линий и линий для передачи данных (Ethernet). При этом, для передачи сигнала не используется экранирующая оплётка. Но, главным условием полноценного использования витой пары является наличие симметричного выхода у генератора сигнала и симметричного входа у приёмника. В высококачественной аппаратуре именно так и организуется подключение чувствительных датчиков.
Но, при отсутствии симметричного входа, всегда можно изолировать один из концов экранирующей оплётки так, чтобы сигнальные токи не протекали по экрану. Это значительно снизит соотношение сигнал/помеха.
В компьютерных материнских платах площадки крепления с отверстиями залужены. Для чего? Не лучше ли будет их за-изолировать, чтобы плата не имела контакт с металлическим корпусом в разных точках? Или для цифровых устройств не страшны такие помехи? Хотя я видел разные крепления этих плат: пластиковые ножки-крепления, с металлическими ножками-винтами-шайбами, с металлическими ножками-винтами и картонной шайбой, т.е. в одних была гальваническая связь, а в других ее не было, по крайней мере в точках крепления.
Александр, хороший вопрос. Я не изучал топологию компьютерных плат, так что не знаю, насколько корректно в них разведён общий провод питания. Но, думаю, инженеры об этом позаботились.
В том, что общий провод питания соединён с корпусом нет ничего страшного. Главное, чтобы токи питания не текли по корпусу. Во всяком случае, это важно для аналоговой части материнской платы, то есть тех мест, где физически размещён аудиокодек и ЦАП встроенной видеокарты.
Здравствуйте, недавно начал изучать радиотехнику, в мечтах собрать ламповый усилитель.
Извините за ламерский вопрос, но когда мы соединяем общую шину с металлическим корпусом усилителя, разве он не оказывается под напряжением? (В случае, если корпус напрямую заземлен). Спасибо.
Здравствуйте Слава!
Основным условием возникновения тока между двумя точками, является наличие разности потенциалов между этими же точками. В общем случае, достаточно нарисовать эквивалентную схему, используя паразитные резисторы и конденсаторы, чтобы понять куда ток течь может, а куда нет.
Если Вы соедините металлический корпус УНЧ с общей шиной, а усилитель собран правильно, то постоянный ток через эту точку соединения в землю не потечёт. Что касается переменного тока, то если УНЧ питается от осветительной сети, то небольшие значения переменного тока в цепи земляного провода можно зафиксировать. Чтобы снизить паразитные тока в усилителях Hi End класса применяю специальные меры, например, устанавливают экран между первичной и вторичными обмотками в силовом трансформаторе, экранируют пермаллоем выходные трансформаторы и т.д. В обычных ламповых УНЧ этими токами пренебрегают.
Однако не забываем, всё это относится к случаю, когда корпус соединён с общей шиной только в одной точке. В то же время, в ламповых УНЧ, собранных методом навесного монтажа, часто используют корпус в качестве общей шины. Это плохое решение для Hi-Fi усилителя.
Большое спасибо за объяснение.
Ув. Админ, отличная статья. Возникло 2 вопроса.
Провода какого сечения будет достаточно для вх. и вых. сигнала в усилителе мощностью 70 Вт? Провода в экране.
Если корпус неметалический и в корпусе есть доп. элементы в виде радиатора, экрана трансформатора, подключить их к общему проводу питания в одной точке? Питание двухполярное со сред. точкой.
Алексей, входной сигнал подают с помощью экранированного кабеля и размер его сечения непринципиален, так как входное сопротивление УНЧ высоко.
Что касается подключения нагрузки, то тут всё наоборот. Экранированный провод не требуется, но сечение провода нужно выбирать как побольше. Смотрите сами, если, положим, сопротивление вашей нагрузки 4 Ома, а сопротивление проводов кабеля 0,3 Ома, то почти 7% мощности усилителя рассеется на кабеле. Понятно, что если сопротивление нагрузки будет вдвое меньше, то и потери увеличатся почти вдвое.
Если УНЧ на 70 Ватт, а нагрузка 4 Ома, то вполне достаточно приобрести кабель сечением 1,5мм². Но, можно и использовать обычный сетевой двухпроводный кабель, что используется для удлинителей и другой техники, тем более, если он уже имеется и валяется без дела.
А растояние от платы усилителя до разьема rca, куда потом подключится нагрузка экранировать или нет?
Алексей, экранировать нужно, но корпус RCA (тюльпана) нежелательно соединять с корпусом УНЧ. Писал в статье об этом.
Подскажите пожалуйста,а можно ли расположить предварительный усилитель,собранный на микросхеме к157УД2,вместе с микрофонным усилителем собранном на двух транзисторах КТ3102,в одном корпусе?Если это возможно подскажите как это сделать?Никак не могу избавиться от фона и помех на выходе предварительного усилителя.
На ваш вопрос можно с уверенностью ответить утвердительно. Если к операционному усилителю цепляют дополнительный каскад усиления, то, как правило, пытаются повысить соотношение сигнал/шум. Ну, а последнее требует минимизировать соединительные провода. Вот, только, К157УД2, это не очень выдающийся операционный усилитель. Поэтому, я всё же рискну предложить вам более простую, но и более малошумящую схему микрофонного усилителя, которая требует всего несколько дополнительных элементов, кроме самой микросхемы. В той же статье вы найдёте информацию по подключению микрофона к усилителю. Ссылка на статью с подробным описанием>>>
Спасибо за ответ.Но мне этот усилитель нужен не для компьютера.Для включения микрофона к цветомузыкальной приставке.
Александр, для светодинамической установки это непринципиально.
Вот и хотелось поинтересоваться.Действительно ли это так что все компоненты подобного рода нужно паять отдельно друг от друга?Точнее в экранированных корпусах.Вести разводку соединения экранированным проводом.Столько ли это важно.У меня в схеме применяются две схемы предусилителя.Возможно их тоже нужно разнести на какое то расстояние и экранировать?
Александр, создайте, пожалуйста, в форуме «Новую тему», загрузите туда схему своей светомузыки, тогда можно будет рассуждать более определённо. «Рисование» принципиальных схем словами у нас не приветствуется.
Спасибо,извините.Тут впервые,совершенно случайно.Хорошо,так и поступлю.
здравствуйте собрал усилитель на микросхеме тда2003 фон появляется но иногда.подскажите что можно сделать чтоб на фонил
У микросхем старого типа с однополярным питанием высокие требования и напряжению питания. Они не умеют подавлять пульсации питания, в отличие от микросхем с двухполярным питанем, у которых эти пульсации направлены в противофазе и поэтому компенсируются.
Но, если с питанием всё хорошо, то причиной может быть неверная разводка общих проводов или возбуждение. При возбуждении обычно увеличивается и уровень шума.
Про разводку общих шин можно почитать здесь>>>
Доброго времени суток! Собрал по схеме мощный усилитель, по 5 транзисторов в плече. По печатной плате они установлены прямо на ней с радиаторами, я выходные транзисторы вынес на проводах на отдельные радиаторы. может от них усилитель возбуждаться? и можно их экранировать, к примеру эмиттеры на выход, или базы транзисторов?
Если провода предвыходных или даже выходных транзисторов длинные, то да, усилитель может возбудится на ВЧ или ультразвуковых частотах. Можно обрезать диапазон по ВЧ, например, с помощь ООС. Скорее всего параметры и место включения ООС придётся подбирать экспериментально. Вообще, у любителей это обычная практика, так как почему-то считается, что достаточно спроектировать ПП, а всё остальное как-нибудь да получится. Хотя по-хорошему, ПП нужно проектировать в самую последнюю очередь.
Добрый день Админ! Подскажите пожалуйста, а как правильно подключать корпус других аудиокомпонентов, которые идут в цепочке аудиосигнала, например гитарной педали (примочки)? Примочка может питаться как от внешнего источника питания DC, так и от батарейки 9V. Будет ли правильно использовать пластмассовые гнезда для аудио входа/выхода и питания (чтобы у гнезд с корпусом не было эл.контакта), и подключить общий провод гнезда аудио входа вместе с минусом питания в одной точке на плате примочки, и уже к этой общей точке подсоеденить сам корпус. Это будет единественное эл.соединение корпуса. Либо нужно другим образом подключать корпус? Гнездо аудиовыхода при этом не стоит подключать к этой общей точке, верно?
Доброго здоровья Семён! Если речь идёт о фабричных устройствах, то их следует подключать согласно инструкции по эксплуатации.
уважаемый Админ, речь идет о самодельных устройствах.
Семён, самодельные малосигнальные устройства нужно проектировать, исходя из вышеозвученных обстоятельств. Что касается техники для эстрады, то к ней предъявляются особые требования, например такие, как экранированные витые пары и т.д.. Чтобы давать какие-то советы, нужно посмотреть на электрическую и монтажную схему, а так же на сборочный чертёж конкретного устройства.
Админу респект и уважение, спасибо, очень наглядно!