要把一台擴大機弄到哼聲極低的程度,事實上並不難,難是難在如何在下筆設定時.就能預期有最大的抗哼聲能力。
詳閱本文,或許能給你一些關鍵性的扭轉。
編者──
──全文提要──
本文主要告訴你:
□通稱之「接地」有三種不同的目的:
①安全接地
②共地迴路接地
③隔離接地
不同的接地目的,有不同的處理方式,不能混淆。
□在音響系統裡最難處理的共地迴路接地,通常又分為兩種形式:
①併行共地
②串接共地
討論兩種共地形式時,我們且假定:
①電源紋波是不可避免的
②共地迴路的阻值是存在的
□電路感應通常以兩種形式存在:
①靜電感應
②電磁感應
隔離兩種感應的方法並不相同,錯用了必無效果。
□經過了理論的誤導,常使人陷於不可自拔的境地,此時最好往前追溯,看看錯誤發生在什麼地方。
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拜讀了洪飛先生在52期所發表的「接地˙迴路感應˙隔離˙交流聲」一文後,覺得有些地方說得不易明白,容易引起入門讀者誤解,特此以更簡明的語法予以補述之,先說接地:
洪文中,有關於「接地」一詞的定義是:「環境中有許多相干或不干的系統,這些系統對其環境取得一致的電平基準所實行之行為謂之接地。」而接地的目的則為「穩定並提供系統對其外圍環境的電位基準」。這一段話可說是相當定義化的定義,如果我們已經明白(至少一部份)有關接地的意義,再予歸納為定義,則此定義可更有助於我們對接地一詞全部內容的了解,不幸的是,我們正因為不明白接地是什麼,才要讀這篇文章,所以這段定義的闡釋,極為重要。
事實上,洪文中所述之「接地」定義,概指英文中的Ground一詞而言,而實際運用時因為接地目的之不同,處理方式亦有不同。用比較簡單的方式來說明「接地」概念時,大致可分為以下幾類:
■安全接地:
任何暴露在地表上的電力或電訊系統及其相關的裝備,謂防止天電(雷電)之襲擊必須將其一端可能介入相當阻抗之兩端或數端予以接地,此接地,乃指接到地球表皮的導電層上。這樣當有天電(或其他電力)感應到本系統時,就會被導入地,而與地電位同,操作的人體僅須就本系統的電壓強度予以防範就不會發生感電的危險。
不久以前台北市郊發生了一起電話機電死人的命案,是因為高壓線路搭上了被剪斷的電話線上,而此被剪斷的電話線再用戶一端並未實施「接地」處理因此高壓電就由電話線傳入電話機,把人電了。
公共供電或通訊系統有一「接地」線的另一好處是使用戶易於辨別兩線或多線間的(相位)關係。尤其是交流電根本無正負之分,如無一條「接地」就會搞不清楚,我家的這條線,究竟是接到電力公司的哪一條線?如果大家都水火不分的話,我家的抽水馬達漏了電(漏入地表)可能引起你加馬達關不掉(當然也是漏電)的毛病,且易觸電。
■共地迴路接地:
在電報機剛被發明的時候,人們就已經發現了地表是電的導體的事實。於是有相當長的一段時間,電報及電話都只用一條線,另一條則借地表當迴路。假如地表有足夠的導體性(電阻很小,產生的壓降也小),那麼,地球雖只有一張皮,卻允許有許許多多電報、電話共用之而不互相干擾,此之謂共地迴路。但不幸的事實是,地球皮雖是良導體,而要把根植入地球皮(就是接地)可不是一件簡單的事,往往需要使用繁複的地網工程。這對今天的世界並不適用,一方面城市裡不允許你挖地,另一方面,挖地埋網的經費可能高於拉兩條線,所以這種共地(球皮)的技術,只在長程輸送時始被利用。
地球皮不好用,但卻有另一種皮好用得不得了,那就是汽車皮。汽車裡用電的地方特別多,大燈、小燈、前燈、後燈、剎車燈、喇叭、馬達、音響......如果通通拉兩條線不僅浪費,故障也多一倍,而且極性不易辨別,絕緣也增加困擾,於是便利用車皮做共地迴路......。
到後來我們裝五燈、七燈收音機也沿用這個方法,不過請特別注意,這只是偷懶的方法而已,在收音機裡真正的共地迴路,應該是一條架空的粗線,與底盤並不互相連接(詳後)。
■隔離性的接地:
生存在二十世紀的今天,即使不打雷,也找不到一塊純淨的沒有雜散電場、磁場的空間。因此,像依靠數毫伏甚至微伏工作的的音響系統,就必須用具有導磁、導電的罩子把它罩起來,這就叫做隔離。但這種加罩子的隔離(相對於切斷或遠離性的隔離)通常又有兩種,一種是隔「磁」的,一種則是隔「電」的,關於隔磁、隔電,下面我們單獨來討論。而此處所謂隔離性接地乃指隔電的方法,也就是將被隔離物罩起來之後,把導電的罩子,選一點接到被隔離系統的「零參考電位點」(通常是再共地迴路的某一端,但不完全一定)上,使感應電場全部被短路之謂。
像你裝好了擴大機,然後找一點接到機殼上(一點接地?)就是屬於這一類。請特別注意這時你應該建立的概念是:把罩子接到電路中的一點(零電位點)而不是:把電路接到罩子上的一點。所以該選擇的是電路的點,而非罩子的點。
共地迴路的互相干擾
在洪飛先生的長文中,曾經很詳細地討論到有關共地迴路互相干擾的問題,意思是說如果有兩個以上系統,共以地球皮、車皮、機箱底盤為「共地迴路」時,因共地迴路內含有電阻,會產生壓降,使這一系統的電流壓降,串到另一系統而形成干擾。在某些系統間,干擾雖已發生,但並不影響各個系統的工作,例如汽車車體的共地迴路,可能因開大燈而使小燈略暗(電池內部壓降,亦屬共地迴路壓降),此時無需刻意為共地干擾問題操心。但有許多時候,系統間因共地迴路互相干擾的情況,可能使得某一系統完全無法工作,就像汽車裡面的點火系統如與音響系統「共地」時,就可能使音響系統產生霹哩啪拉的響聲。防範的方法是由電瓶直接引線供給音響使用(但射頻干擾則不能以此法防止)。
在真空管收音機裡面,共地干擾的問題特別容易出現,因為真空管電路,通常有三種供電系統,即:
A電:供燈絲使用,通常為6.3V交流。
B電:供真空管之屏極使用,是高壓。
C電:真空管偏壓用,有時由B電轉用。
容易產生干擾的情況,通常發生在A電與B C電之間。看圖一:
假如A電只用單線輸送,而利用底盤為迴路,而B電與C電同樣亦以底盤為迴路,因為底盤並非百分之百導電的,所以任何兩點間都會有電阻(儘管是微量的)存在,這樣一來因A電所造成的壓降必串進C電中,形成干擾,其防止之法是A電不參與「共地」的行列,單獨輸送。另外,如考慮B電與C電間可能的干擾時,由於B電與C電在事實上之必須共電(共參考電位)無法分離,因是可以用兩種方法減輕干擾,一是加強共地迴路的導電性能,一是刻意安排其他的迴路「次序」,具體的作法是用一根多股的粗銅線,架空(為了安排一定的次序)為共地迴路。增加共地迴路的導電性,是直接降低干擾的方法,而安排一定的次序,則為有前後關係的各級,安排干擾的相互對消,間接地達成抑制共地干擾的目的。但有一例外,那就是兩系統間若無前後關係,而又必須同時工作時,不能採取次序迴路法,而必須各個系統獨自建立自己的迴路,這種情形正如同A電與B C電之間的關係一樣。
所謂「一點接地」
說到A電與B C電間的關係,我們不妨更詳細一點來討論關於「一點接地」的問題。
就一般的電路動作來看,系統與系統之間通常存在著兩種關係:①不必有或不能有共同的參考電位②必須有共同的參考電位。
第一種關係通常存在於兩個獨立的系統之間,系統與系統之間存在某種非必要的關聯,例如洗衣機與電風扇,根本上是兩回事,不必有共地點均能動作(如有共地點只為安全理由),而這種非必要的關係也存在於真空管的燈絲與其他各極之間。理論上,燈絲乃是獨立工作的系統,不必與其他系統建立必然的關係即可工作。不過,雖然它可以獨立,但在真正工作進行中,因為極間的關係,如果燈絲的電位與其他各極相差甚鉅,或不穩定,便可能發生危險或干擾的情況。此時我們要在「不必有」其他關係的關係之外,建立起一相對的關係,這種相對的關係就是賦予一個相對於其他系統之「零位地」一定電位,或者可能就是零,或者是正若干伏,或者為負若干伏。在常見的聲頻或射頻放大電路中,就是將獨立的燈絲供電系統,加給近接於陰極的電位,因為陰極的電位通常是很接近於該系統的「零地」電位的,所以燈絲系統只要找一點「接地」,便完成賦予某一電位的工作。而在低訊號電平電路中,為了嚴密防止干擾的發生,如果燈絲使用交流供電時,可採用中點賦予固定電位的方法,使在中點兩端所生之交流干擾得以對消。
第二種關係一般存在於彼此有前後連結的兩系統之間,例如前級與後級擴大機,調諧器與前級,錄音座與前級等,由於它們之間的關係通常建立在電容與電阻(RC交連),所以必須有共同的參考電位(接地電位),假如我們能使所有必須得到參考電位之點,均能真正得到等於「零」的電位,自然最好。不過在實際的佈線中,這種要求是難能達成的,所以我們通常只使前一級之輸出與後一級之輸入之參考電位維持一致即可,也就是我們一般把前級與後級以隔離線及蓮花座互連的方法,而不是把喇叭的地、後級輸入的地、前級輸出的地、和Phono的地,通通連在一起的方法。
必然的共地關係,最怕混雜,尤其是當你一心希望達成「統統等於零」的要求,而自四面八方引線接於一點時,那麼每一引線本身的壓降,將造成更複雜的關係,而致問題難於克服。
因為對於所謂「一點接地」的問題必須徹底弄清楚究竟如何「一點」法。
兩種「共地迴路」
現在讓我們更深入一點來討論有關共地迴路的問題。
就基本的形式而言,共迴路通常有兩種,一種是併行共地,一種為連續共地。
併行共地,意味兩個系統共地的起點與終點是平行併合的,就如同立體聲二聲道之間的共地情況一樣,這種共地關係,一般所需考慮的乃是兩系統同時作不同工作時相互干擾的問題。
當兩系統均各自存在其第二系統,而兩系統的第二系統,必須建立前後串接關係時,一般採取連續共地方式。在連續共地方式中,所必須考慮的乃是電流重疊部分所生之干擾,但這類系統由於其第二系統要求有其參考點,是故無法以別種方式取代,除非讓二系統之第一系統(電源供應)獨立,而僅讓第二系統建立連續關係。
最糟糕的情況是二系統之第一系統採用併行共地關係,而第二系統則以連續關係存在,此時可能造成連續關係間輸出與輸入零電位之差異。
有些時候,你可能受到「一點接地」的錯誤暗示,企圖摒棄共地迴路關係,而希望建立唯一之零參考電位,這種方法,往往使零位變得更加複雜而不切實際。
條件與執行系統之關係
前節,我們曾提到在一系統之中,存在有第二系統的情況,這所謂之第二系統,乃相對第一系統而言的。討論共地迴路問題時,必須兼顧第一系統對第二系統及第一系統與第二系統間之相互影響,而兩者之影響卻又不得互相混淆。
前面,我們一直討論的都是供電系統的問題,供電系統或稱條件系統,它是供給系統完成一定工作所必須的條件。完成些什麼工作呢？就聲頻放大器而言,就是完成聲頻訊號的放大與傳輸工作,此聲頻放大與傳輸系統可稱其為執行系統。
條件系統與執行系統,未必一定必須維持「共地」關係,但由一般級間採RC交連,是故相對的共地關係必須確立。也就是說電源的電源的零和訊號的零,必然存在著某種關係而無法完全獨立。
下圖是一放大器的基本符號,其條件系統是+Vcc及-Vcc,有了±Vcc之後,執行系統就可開始工作。若此執行系統非為「平衡」工作形式(下將有述),即必須先確立一「零基點」以為工作之基準。此基點可以完全獨立也可以依附於條件系統中。
由於我們現在所要考慮的是條件系統對執行系統的影響,所以我們必須假定條件系統並非完美的,而此不完美最常發生的情況便是AC電源經整流後造成的120Hz鋸齒狀紋波。
紋波,會引起交流聲嗎?現在就讓我們來討論:
零電位的建立
下圖是一常見全波整流電路:
圖中電容器之充電是週期性的,而放電則為連續性的,此故,在電容器二端所出現之電壓乃120Hz之鋸齒狀起伏。如果我們不說正對負或負對正,那麼其起伏,只是相對性的,也就是說,電容器兩端相對的電壓最高到11伏最低為10伏,但如果我們能找出一「基點」,例如以電容器之負端為基點,那麼我們可以說紋波是存在於電容器正端,此正端的電壓乃是由+11伏的直流加上1伏的鋸齒狀交流重疊而成,反之,若以電容器之正端為基點,則紋波存在於電容器之負端,是由-11V的直流減去1伏的鋸齒狀交流重疊而成。
除了分別以正負端為依附性的基點之外,自然也可以另建第三基點,下圖即一般常見的含有±Vcc電源的整流電路,其與前圖實質不同之處,乃是另建立居於±Vcc中間的基點。當然為了取得單純的零基點,用電阻分壓的結果也是一樣。
那麼所謂「結果」是指什麼呢?就是:假如以此中點為基點的話,紋波是平均分布在±Vcc上的,其大小相等而相位相反。正因為如此,我們在任一±Vcc的相對兩點間,以等值的電阻或電容予以分壓都可以獲得零基點零位。
為什麼我們要不厭其煩地述說條件系統的可能情況呢?因為它將與執行系統發生密切的關係。以下兩圖是常見的放大器與電源連接的情形。在A圖的單電源供給形式之中,條件及執行系統以電源之負端為零位點,所以紋波不管有多大,均只在+Vcc上出現而不影響執行系統(除非放大器之增益會隨電壓之增高而加大);在B圖的電源供給形式裡,執行系統有自己的零位點,而此零位點則建立於±Vcc之中點。在±Vcc上雖有紋波,但大小相等相位相反,正好對消了。
哼聲！哼聲！
既然這兩種情況,紋波對放大系統都不會發生影響,那麼哼聲究竟從何而來呢?讓我們就以下的問題來動動腦筋:下圖是一OTL擴大機的簡化圖,
OTL的輸出端接有一個很大的輸出電容。或問此電容器的作用何在?相信大多數的人都會回答:「隔絕直流!」此答案只算答對一半,因為假如只為了隔絕直流,如同圖之B一樣可以隔絕直流,卻是行不通的。為什麼行不通呢?在前面我們曾經提到過,在這種供電方式中,以負為零,±Vcc上存在著全部的紋波值,現經兩個電容分壓後,分壓點上雖無直流,卻存在½的紋波值。因為當你嘗試這種接法的時候必然遇到哼聲大作的困擾。
哼聲!哼聲!怎麼辦?濾波!濾波!
濾波有用嗎?像上述的這種情況,即令加兩倍、四倍的電容量哼聲仍然無法抑制到滿意的程度。所以說輸出電容的功能除了隔絕直流的作用外,亦有以零為地的功能。非常簡單地,只要把前圖B中上面的一個電容器剪掉,輸出便以零為地,哼聲也消失了。
或者,你又會問:為什麼以零為地,就沒有哼聲了?這問題很簡單,因為我們在輸入端就做了以零為地的「假設」(偏壓電阻接在零上),輸出便仍需以此假設為歸結。
通常,類似這樣的電路,在沒有反紋波設計之下,輸入端所拾取的紋波量,恆視輸入點(未經隔直流電容轉換)所居之電位而定,例如Vcc為+30V,輸入點電壓為+2V時,為電源雯波量的2/30,假如輸入端電位為+15V時,則將有½的紋波量進入輸入端,這是相當嚴重的事情,那麼,如果輸入端非有½Vcc的電壓不可的話,那怎麼辦呢?有兩個辦法:
①讓它回到以零為地的實地電位,也就是將偏壓實施對地的反紋波設計。附圖是一典型的OTL擴大機線路,你可以看出因為其輸入點的電位已接近於½Vcc,是故被加入一電容予以濾波。
②如果不想濾波,那麼把輸出相對之地位,提高也可以。換句話說,輸出不加電容,而負載之後,卻接到由電容分壓的±Vcc點上去。
由以上兩個辦法,你大概已經想通了既假定什麼(假定某點為零)便要認真地假定,並以此假定為歸結。不可以忽兒說是高,忽兒又認為低,言(輸入)行(輸出)不一致,是為人、處事、搞電路最大的毛病。
──續見(二)
轉載音響技術第53期MAY. 1980 接地˙感應˙隔離與交流聲的補述 (一)/非君子
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