音響放大器「電流聲」的成因 ── (第一講) 交流啍聲 Humming

如何看思鋒工作室的文章:

  • 藍色字為摘要,看完沒興趣的話,那就別看下了去了。
  • 綠色字是技術分析,對此沒興趣的可以略過,當然曾 Sir 很明白「多一條公式,少一個讀者」這個道理。
  • 若對文章有疑問或指正,歡迎在思鋒工作室留言。

摘要:
  有很多朋友經常受到放大器的「電流聲」困擾,大部份朋友都認為電流聲是因為接地不良所致,於是便努力把放大器的外殼接地,甚至把整個放大器用金屬罩子屏蔽,但電流聲依舊,苦無對策……

各人對「電流聲」定義不一,先要找出你遇上哪一種「電流聲」。

  • 超過一半的情況下,都不是接地出了問題。
  • 「電流聲」更加不是由靜電引起。
  • 但綜觀不同朋友的描述,「電流聲」都是:
  • ● 連續不斷的噪音
  • ● 噪音的響度頗為穩定
  • ● 通常都是低頻噪音

綜合各方朋友的遭遇,「電流聲」可籠統歸納為以下幾種情況引致:

  • 電源漣波噪音 (Ripple noise) ,即交流啍聲 (Humming)
  • 感應雜訊 (Pick-up noise) 包括人體拾波雜訊 (Body pick-up)
  • 線路板走線 (Layout) 或接地佈局 (Grounding topology)
  • 不良地線噪音 (Ground noise) 及迴圈接地 (Ground loop)
  • 機內佈線及屏蔽策略不良 (Bad wiring and shielding strategy)

 

第一講:交流啍聲

  交流啍聲的成因是電源濾波器設計不當,甚或偷工減料,導致市電的交流電訊號有一部份溜進了放大器。這種電流聲的特色是頻率很低 (在香港是100Hz),大部份情況下都很微弱,要把耳朵貼著揚聲器才聽到,而且即使把音量調到最低,噪音依然存在。

濾波電容 (水塘),除了容量愈大愈好外,其等效串聯電阻 (ESR) 也是愈小愈好!
濾波電容 (水塘),除了容量愈大愈好外,其等效串聯電阻 (ESR) 也是愈小愈好!

  以曾 Sir 的經驗,這是電流聲中最常見的一種。一般情況下一些平價的山寨放大器較易遇到這種情況,反而 DIY 的放大器較少遇上這問題,為甚麼呢?因為這種電流聲最普遍的成因是電源濾波器用料不足,濾波電容器的容量不足,一些平價產品因為吝嗇於昂貴的大容量電容器(俗稱水塘),所以比 DIY 放大器更容易出現問題(因為一般人 DIY 都會不惜工本)。

  如何解決這種電流聲?那要看看你的放大器是使用外置還是內置變壓器(火牛),如果是使用內置變壓器,情況較為複雜,需要把水塘換上更大容值的電容器,甚至增加電容器的數目,數只電容器並聯時其容值會相加,但這種方法會受到機內空間所限,需要隨機應變。

  由於這個噪音的頻率很低(100Hz),而且通常都很輕微,若碰上小口徑的揚聲器,這些廉價放大器往往可以矇混過關,不過想檢測電源漣波噪音,有一個很簡單的方法,只要在放大器開啟時用手摸一摸低頻單元的震膜,若在無訊號或音量調到最低時仍感受到揚聲器的震膜震動,這便是一個很明顯的交流啍聲的證據。

  如果是用外置變壓器(例如一般迷你放大器),當然以上的方法都適用,但有另一個更簡單的做法 ── 換上一個開關式電源變壓器(SMPS) ,問題便會迎刃而解!

  很驚訝吧!發燒友對開關電源都嚏之以鼻,曾 Sir 竟然教大家用開關電源?曾 Sir 在戲弄大家嗎?曾 Sir 並沒戲弄你們!首先開關電源的音質是不是很差,往後日子有機會我會再跟大家分析,但是單就解決交流啍聲,開關式源變壓器的確有立竿見影之效。(當然使用開關電源可能會誘發另一問題,往後有機會再詳細探討。)

原理:
  我們用的市電為交流電,香港市電的頻率是 50Hz,美、日等地則為 60Hz,但是放大器必須以直流電操作,所以電源變壓器(火牛)除了負責把 220V 的電壓升/降至合適的電壓之外,還擔任著把交流電轉變成直流電的角色,這個過程叫「整流」。在放大器內最常見的整流方式為「橋式整流」,橋式整流會把市電的交流電變成變化不定的直流電,技術一點來說,這是一個包含著 50Hz x 2 = 100Hz 交流訊號的直流電源,我們稱之之為「漣波」,而這個 100Hz 的漣波若未能清除掉,便會讓它溜到揚聲器,形成噪音,由於這些漣波的頻率都很低,所以需要很大容量的濾波電容 (水塘) 來把其吸掉。

  為何開關式電源變壓器可解決交流啍聲?因為開關電源的操作頻率並不是 50Hz 或 60Hz,而是動輒過十萬Hz,愈高頻的漣波愈易被水塘吸收 (但太高又反而吸不掉),況且它的操作頻率遠超於耳朵及揚聲器的工作範圍,所以電源的漣波噪音一不能在揚聲器上再生 (頻率太高),二更不能被耳朵接收再傳到大腦 (都是頻率太高),那又何來噪音?

其他成因:
1. 濾波電容失效(俗稱乾塘)
  由於濾波電容成本高、體積大,一般情況下都不會選用耐高温的電容,所以在發熱量高的功率放大器中,水塘往往會是壽命較短的零件。

2. 輸出功率管偏置電流失調
  輸出功率管需要在一定的偏置電流下操作,若此電流值因種種原因增加了,導致放大器的靜態電流不尋常地上升,也會增加水塘的負荷,從而加強了交流啍聲。

3. 訊號地 (Signal ground) 與大地 (Earth) 即地線接上了,這個情況我們會在 Ground loop 部份詳細分析。

4. 變壓器的電磁干擾,這個情況會在 Wiring and shielding 部份詳細分析。

備註:

濾波器的規模隨著放大器消耗的電流量而提升。
甲類放大器因需要龐大的靜態電流,因而令電源漣波噪音更易被察覺,所以濾波器的規模往往很大。
電容器的等效串聯電阻 (ESR) 愈低,其濾波性能愈佳。
除了並聯電容器以增加電量容,也可以串聯電感器作 LC 甚至 Pi 形 (π) 濾波,但成本較高。