I 定義與簡述
接地:環境中有許多相干或不相干的系統,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。接地的目的在穩定並提供系統對其外圍環境的電位基準。
迴路感應:迴路裡面有電流的流動,可謂之迴流環路,電流必流經建立這一迴流環的所有元件。一系統裡有若干單元,有所謂單元迴路,而單元又由很多複雜的小迴路所構成。不管是系統迴路或單元迴路以及小迴路,凡相連的兩個以上的迴路,其中一個迴路對其相連的任何一個迴路有被其影響的現象,即謂之迴路感應。
隔離:系統或單元或元件對外界環境所做摒蔽之處置,謂之隔離。而系統裡面的各個單元之間以及單元裡面的各個元件之間所做相互間的摒蔽之行為,亦謂之隔離。圍繞於系統、單元或元件周圍的游離電位和磁場為對其系統、單元或元件產生干擾作用的主要因素,所以一般隔離作業處置的對象有二,即:
Ⓐ:游離電位的隔離。系統,單元或元件對其周圍的游離電位因直接接觸而感應,所以把游離電位隔離於系統、單元以及元件之外,使系統、單元或元件不致受到干擾之處置,即謂之游離電位的隔離。
Ⓑ:磁場的隔離。系統迴路或系統中的單元迴路以及單元中的小迴路對其周圍的磁場(經過迴路所構成的閉合平面區的磁流),因磁場的切割作用,在迴路中行程與磁場相對應函數的電流,這電流對系統或單元形成不必要的干擾。所以針對系統及單元周圍的磁場所做的摒蔽謂之磁場的隔離。
交流聲:通常稱市電電源頻率的一倍及二倍的頻率的訊號為交流聲。市電為達到傳送的目的,在系統的周圍環境佈置了可稱複雜的傳輸系統,因而產生空間中的游離電位及磁場,不規則的潛佈於系統之周圍。此系統中之單元因接地處置不良或隔離不當而產生的感應,所得的訊號,即謂交流聲。在音響系統中,這「拾得」的交流聲經過系統中電路的處理而最後送到喇叭,成為可聽見的交流聲。
II 前言
如果把電晶體、電阻及電容比做青菜、豬肉及雞蛋,那麼我們裝置電路或是裝配音響和廚師烹調應該沒有什麼兩樣。要做一道好菜先要挑選各種蔬菜和肉類,然後還要在下鍋之後,控制爐子的火侯,再配以適當的佐料,才完成一道菜。這當中,只要有一道程序疏忽了,那可能就前功盡棄了。我們裝製電路或裝配音響時,也會選擇最好的零件,及用最小心的手工來完成它,除了這樣之外,尚須知道這些材料或是單元配置的基本原則與目的,才能無後顧之憂,完成最完美的成果。
接地和交流聲處置方法的闡述,可由很多方面著手,以前唐凌先生曾就這一問題花了不少時間,今天筆者又重複引述,希望諸君能對這一問題與處置的方法又加深一層的認識。
III 接地的目的與處理
接地的目的在穩定並提供系統對外圍環境的電位基準。我們在定義時,所述及接地的目的和一般在電子電路或電子裝配工作上所述的接地有很大的不同。以往電路裡面只要有 或 的符號(蘇桑註:找不到接地符號可鍵入,故暫留空格),我們就說是地,在電路迴路的公共線(通常是銅箔面最廣的地方)也稱它是地,而電路板拉到機殼上的某點,也叫做地。雖然這麼說也是正確的,但在此討論起來,實在很容易產生混淆,所以我們這一節所說的地主要是指目標的環境,如置於地球皮上的擴大機,對擴大機而言,地球皮是擴大機的地。再舉一例,擴大機的機殼(應該是導體)是前級放大器的地,也是後級放大器的地。
電位基準,有時候實在不太容易瞭解它的含意,我們用普通家庭用戶的110V 60Hz的市電來說明。通常市電用兩條線來傳送(很多國家都是三條線),一條是地線,不會電人,一條是火線,會電人;原因是電力公司把110V 60Hz發電機所輸出電力的兩個點中,取其中一點使用引線和「地球皮」連接相通了,由這一點引出去的線,就是地線,因為它和「地球皮」之間就有110V 60Hz的電壓了,所已摸了火線,電從發電機到火線經過人體傳到「地球皮」回到發電機的接地點,當然會電人。以上所述對系統(電力公司的發電機與輸電裝置)而言,「地球皮」是系統的電位基準。
或許有人會認為「地球皮」只是一個個體的代表,它和電有什麼關係呢?其實,如定義裡所述,接地的目的在穩定並提供被處理系統對外圍環境的電位基準,從此申論之,亦即當電力公司的發電機在還沒有做接地處理時,發電機外圍的環境,諸如一些自然界的物質像天空的浮雲、河川的流水乃至房屋、樹木,這些東西都有可能帶電,連人體本身也有電荷的存在,而人們是生活在「地球皮」上,用人們主觀的觀點去看這些可能帶電的東西時,都是以「地球皮」為基準,所以我們在處理發電機的接地時,是要讓發電機和它周圍的東西一樣,統統把基準點建立在一致的基準,也就是建立在「地球皮」上,如此一來,人們看浮雲上懸有一千伏特的電位時,亦看發電機的火線端點上有110V 60Hz的電位。所以接地形為實行的目的,是使被處理系統對其環境中所含的許多相干或不相干的其他系統取得一致的電平基準。
在接地的定義裡面,又說到接地又有穩定被處理系統的目的。我們知道,一件東西被穩定在一處時,就不容易受干擾,如果不被穩定,就很容易受干擾,以電力公司的發電機而言,如果它的兩條輸送電力的電線都是浮空的。(人體觸摸其中的任意一條線都不會觸電),在沒有外界干擾如打雷閃電或漏電時,它一樣能夠達到電力傳輸的目的,但是一旦有打雷閃電或是漏電時,對人們可能產生相當大的危害,或破壞所有連接在發電機上的系統。我們用另一段引述來討論發電機沒有接地時所產生的危害,亦做為範例。
假設電力公司110V 60Hz的發電機,沒有做接地的處置,即令110V 60Hz這個電位漂浮於地球皮上的空間,如果天候惡劣時,雷電交加,聚於雲層上好幾千伏的電荷進行放電,則市電的傳輸導線就很有可能誘及雲層上正在進行放電的高電壓,人們不管觸摸了哪一條傳輸導線,都有生命危險,而連接在市電的其他電器,也可能會破壞掉。
圖一、圖二、圖三是有關接地處理的示圖。由以上三圖可知接地處理只是將系統的一個基準點拉引一條地線接到環境的基準點而已,所以系統裡面的單元對系統所做的接地處理,亦只是接引了一條地線而已。擴大機裡面的電路的公共點對擴大機的機殼所做的接地處理,亦即是從電路的公共點拉出一條地線和機殼相接而已。
綜合以上的討論,我們列出接地處理的要領如下幾點,以供參考:
1.接地之地線於系統與環境之間或單元與系統之間只需唯一的一條。
2.接地之地線在系統或單元正常工作而無特定之干擾,必須是不形成電流迴路的,亦即地線沒有電流流過。
3.接地之地線必須能忍受特定突發之干擾時所形成之電流的衝擊,否則當接地之地線被干擾之訊號破壞時,系統將要嚴重受損,甚至發生其他危險。
4.接地之處理,要依照系統的「倫理關係」施行之,不可以前後倒置。
5.屬於「同輩份」的很多系統或單元,這些系統或單元如果相互間有關係存在,則必須將「同輩份」的系統之間的地點先連成一公共的地點,再與高一輩份的系統相連接。
6.我若「同輩份」的系統或單元,相互間沒有什麼關係存在,則可分別做接地處理。
7.系統之接地點要選擇系統之公共線中訊號最強的一點為接地引點,這樣能夠忍耐最大的突發干擾。
一部前後級擴大機,如果內部所含之單元有EQ放大器、音質控制器、後級擴大器,則它們均屬於「同輩份」之單元,所以選擇後級擴大器的公共線中訊號最強的一點,應該是喇叭輸出端的公共點,為地線的引點,由這一點引出一條地線接到機殼,即完成接地處理的工作。(這一條引線並沒有電流流過,但是必須使用足以抵抗突發干擾訊號強度的引線,所以這一條線一定是這個擴大機裡面最粗的導線。)
擴大機本身對「地球皮」的接地處置,很少人會注意到,但是一旦遇到我們產品外銷時,則往往不能過關。並不是外國人比較怕死,而是這幾乎已成安全規則的成文法令,有的國家遵守,有的國家不遵守。原則上,只要把擴大機的機殼拉出一條引線,然後通到地面就成了。如果採取積極的處置方法,則如圖四所示,使用三插的電源引線,其中道理,在此不再贅述。
IV 迴路感應的來源與處置的方法
迴路構成的基本條件是由若干元件所組合而成的閉合路徑,這個路徑當中包括含源元件及被動元件。
圖五用以表示一個簡單迴路的形成。兩枚1.5的乾電池,一只3伏特的燈泡,構成一完整的迴路,這當中含源元件是1.5V的乾電池,被動元件是3伏特的燈泡。由開關的動作來決定迴路的形成與否,當開關閉合時,電流就流經這閉合迴路的所有元件,我們稱這電流為迴流(迴路電流),且每一元件對這迴流而言,皆接受了同樣的量。一個迴路中被動元件所感受的迴流的量必由含源元件的函數轉換得來,以圖五為例,如果乾電池所串聯成的電壓有3V,而3V燈泡的內阻為3Ω,則迴流須符合歐姆定律,級I=V/R=1A,事實上這迴路不可能依照I=V/R的理想狀況工作,而會受到很多因素的干擾,如導線的內阻、乾電池的內阻、燈泡所含R值對溫度以及時間的變量,這些都是構成迴路感應的來源。圖六,是兩枚1.5V乾電池、兩只3V燈泡以及一只開關構成的簡單圖示,用以說明重疊迴流之間的影響。圖中,i1和i2分別為流經L1和L2的電流,當SW打開(OFF)時,流經P1這點的電流為i1,流經P2這點的電流為零,當SW閉合(ON)時,流經P1的電流是i1和i2的和,流經P2的電流為i2,因為1.5V乾電池不是理想的電壓源而含有若干的內阻,以及導線亦含有若干電阻,所以SW的開閉足以影響到L1的亮度,也就是i1受到i2的影響。
圖六的情況足以顯示兩重疊之電流路徑有相互感應的關係存在,因此重疊之電流亦是迴路感應的來源。除了以上所討論的例子之外,迴路感應的來源尚有磁場。我們知道,很少有閉合迴路所形成的閉合區間等於零的,因此如圖五中的閉合迴路,可視為圈數N=1的電感器,它所感受磁通干擾的量可用V=-Ndɸ/dt來表示,式中,V是感應電壓,N是圈數在此為1,dɸ/dt是垂直經過這迴路所構成的平面區間的磁通對時間的變化量。所有由電子元件所組成的單元或系統,很少不受迴路感應的影響的,而電子電路裡,重疊的電流迴路是必然的存在,所以我們把討論的重點放在迴路對電流以及磁場的感應方面。
訊號感應迴路與雜音感應迴路。迴路感應的結果,可能是我們想要的訊號,但也可能是我們不想要的雜訊,對所想要的訊號,則力求逼真,對不想要的雜訊要嚴格排斥。
圖七,迴流i2是i1的函數,即i2=hfe i1,顯然的i2雖然接收到i1的感應量,但這是我們所要的,所以hfe如果等於常數,那對這電路而言,是成功的。可是如果基極偏壓電源Vbb中有漣波存在,這漣波也被放大了與hfe相對應的函數的倍數,使情形更加嚴重。但若是Vcc上,含有漣波,則對Vo而言,這漣波可能不被重視。又每一系統或單元,對S/N比均有所要求,好像我們裝置後級擴大器時,根本就不管變壓器對它的感應,而裝置RIAA Amp時,就要格外的小心處理。從以上概略的討論,可知訊號愈弱的地方,對迴路雜音的感應量愈加靈敏。我們再用圖八及圖九來說明系統的迴路的處置要領。
圖八是一簡單的擴大機電路的配置圖,圖中主要在表明前級擴大器和後級擴大器共用一電源供應器時,所受到重疊之電流迴路感應的干擾情形。如果前級擴大器和後級擴大器是設計在同一片印刷電路板上,那麼共用一組電源的可能性就相當大了。由唱機或調諧器等所產生的訊號源送到前級擴大器的輸入端和公共點(P1和P2),經放大及特定之處理(如音調控制、音量控制)程序後,再送到後級擴大器,送到喇叭而發聲,這是圖八的訊號路徑。電源供應器有32VDC及2VAC(漣波)串聯而成,送到後級擴大器及前級擴大器,而有i1及i2的產生。我們把送到前級擴大器的訊號以V1表示,前級擴大器的輸出訊號以V1表示,前級擴大器的公共點P3到後級擴大器的公共點P4之間的訊號以V2表示,依此法可找到V3 V4。並可在圖中尋得電源電流路經i1 i2以及訊號路徑i3 i4。訊號源送到前級擴大器所形成的電流迴路是理想的,在這回路圈中,沒有別的電流與之重疊。前級擴大器和後級擴大器之間連結的訊號迴路當中,P3到P4之間的路徑,同時有i1和i2流過。我們知道後級擴大器的輸入訊號為V1和V2之和,而不只是V1,可知,訊號由前級擴大器送到後級擴大器時,已經不是本來的樣子了。由於i1所產生的V2訊號,是不規則的,所以把V2稱為雜訊。假設V1為100mV,i為100mA,R(P3-P4)為0.01Ω,則V2≅R(P3-P4)×i1≅ImV。若視前級擴大器為零失真擴大器,訊號從輸出端取得的也是零失真,而送到後級擴大器時,這個訊號的S/N比,已經低落到40dB的水準[訊號源為V1,雜音為V2,S/N=20log(V1/V2)=40dB]。雖然使用粗的導線來連接P3到P4的路徑,可以提高這個訊號雜音比,可是均屬消極的處理方式。接下來討論後級擴大器到喇叭之間,亦即P4到P7所感受的重疊電流迴路干擾的現象。首先設後級擴大器的輸出訊號為V3(這訊號的S/N=40dB),且視後級擴大器為零失真擴大器。如果V3為10V,且供給後級擴大器的電流i2為1A,R(P4-P7)=0.01Ω,可求得V2對i4的感應量為1A0.01Ω=10mV,由U3和V4計算得S/N,則真正送到喇叭的訊號對原始訊號的訊號雜音比更加低落了。圖八中,電源供應器的負端若不接到P7而接到P4,那麼V4所受V2的感應電壓就為零了,但V2所受i1的感應電壓仍然存在,故因系統中單元的配置所形成的S/N=40dB。如果電源供應器的負端接到P3,則V4所受干擾為零,V2所受干擾是i1和i2之和,如前述V2=0.01Ω×(1A+100mA)=11mV,光i3迴路所感應之S/N=20 log(V1/V2)=20 log(100mV/11mV)3.9dB,情況更加惡劣。如果電源供應器的負端P2,那就亂七八糟了。以上討論,可知欲改善這一系統只有將電源供應器的負電壓端(常謂之公共點),連接在系統中用電最兇的公共端上(亦即後級擴大器的公共端),以及盡量減少P3到P4之間的電阻值。
圖九,是系統中各單元正確的配置方法。圖中前級擴大器分別使用獨立的電源供應,可明顯的看到電源的電流迴路i1及i2干擾不了訊號傳輸迴路i3及i4。又後級擴大器的輸入訊號仍為V1及V2之和,定律不變,而實際上在整個電路中訊號傳送的路程上只有衰減的現象產生,而沒有重疊之電流迴路感應的現象。
重疊電流迴路對電路雜音干擾的現象只要設計不小心就會「上當」,尤其是印刷電路板上迴路電流的處理,更需格外小心。音響器材是如此討論,而其他的電子電路亦然。
迴路感應的來源除了以上所列的重疊之電流迴路之外,尚有磁流的迴路感應。都是能量寄生的形式,而磁場的來源與構成,其複雜的程度,亦不亞於電位於電場中的構成方式。環境中,構成磁場的因素非常多,而就電系統有關的可略舉以下數種:
1.市電電力的輸電系統構成之潛在磁場。
2.各種電器用品尤其是電感性電器所形成之周圍磁場。
3.各類用電器具之接點開關動作時之瞬發感應磁場。
4.汽車與機車的火星塞點火系統之瞬發感應磁場。
5.廣播系統與各種傳訊系統所佈置的中高頻磁場。
就音響系統而言,這些磁場對電路干擾所產生的反應,得以由聽覺感官察覺。譬如將一部沒有磁場摒蔽的擴大機靠近高功率的電力送系統以及強電感性的電器用品會有連續或間歇的劉生產生;當用電器具開啟及關閉的瞬間,會有「叭叭」或「碰碰」的聲音;當機車或汽車靠近居所時,喇叭會有滴滴答答的聲音;有時候擴大機會接收到不明來源的廣播訊號,喇叭發出略可聽聞的音樂或通訊內容。
空間的磁場是我們所直接感覺不出來的,而它卻是無孔不入,無隙不鑽,影響了我們使用的系統,而這些原由何在呢?在我們上節談到迴路構成的基本因素時,我們說過:一迴路之形成必由若干元件所組合而成的閉合路徑。在空間中,如果我們隨便假設一個有限平面,並設這平面之面積為A,若空間中之磁場是垂直於這平面,再把上述之若干元件所組合而成的閉合路徑視為這有限平面的外緣,那麼這個閉合迴路就會因為磁場中磁通流過迴路構成之閉合區間所產生的切割作用而有電流的產生,這電流的大小和面積A成正比,也和磁場強度成正比。在電子電路裡,各元件所圍成的閉合路徑與形成之閉合間可說是非常複雜,它們都有可能受到各種形式的磁場的感應,而所得到乃是干擾現象的產生。
系統中,每一迴路感應磁場干擾的程度有大有小,這些干擾的現象可能經過相當的處理程序或被放大了若干倍,因此系統中每一單一的迴路所能接受磁場干擾的量就有一定的限度了,例如擴大機裡頭對磁場感應最靈敏的是磁頭均衡放大器。若要減低迴路對磁場干擾的靈敏度,除了盡可能減少其閉合迴路之區間之外,就是針對磁場做有效的隔離措施。常見的並行訊號傳輸線及絞合訊號傳輸線可減少迴路之閉合區間,而絕磁隔離罩可隔離磁場。
綜合以上的討論,我們把迴路感應處置的方法歸納如下:
1.系統若由若干單元組成,則各單元以使用獨立之電源供應器為佳。
2.不同的訊號迴路避免共用同一導線。
3.若兩不相干的訊號迴路非使用同一導線不可,則應減低其共用導線之內阻,使感應量降至最小程度。
4.對磁場干擾容忍度較低之迴路,應減低其迴路所構成之平面區間最小。
5.迴路所構成之閉合平面區,其平面應儘可能和周圍之磁力線方向水平,以減低其切割作用。
6.可使用絕磁物質將系統或單元包圍起來,藉以隔離其周圍之磁場。
有一些突發性的干擾如電器用品的開關以及引擎的點火系統,它們對系統干擾的路徑並非只有磁場一途,而可能藉電源電路直接導入系統,所以我們討論迴路感應僅僅對這類干擾之路徑做局類的抵抗,並不能完全去除,若要將這類突發性干擾完全除去,則需再和系統有所牽連的所有單元及路徑著手。
(上篇完)
轉載音響技術第52期APR. 1980 接地˙迴路感應˙隔離˙交流聲/洪 飛
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