管機接地淺談
--- SIB應用實例的討論 鄭豪2006.10月於矽谷
- 講到接地的方法及種類, 大部份DIY人是立刻口若懸河, 講的頭頭是道. 有的人則是道聽塗說, 人云亦云. 先接起來再來除蟲, 且戰且走, 成為實驗派. 其實關於接地方面的著作, 中文的有老前輩唐凌的”哼聲與接地” 二篇 (必讀), 英文的則太多了, 不勝枚舉. 在筆者的學習過程中, 則將接地的方法及種類歸納起來成下列三項:
• 傳輸電流
• 送參考電位
• 屏蔽雜訊
- 至於唐凌老前輩文中所說的第二項: 藉用機體做為多路負載之共通迴路. 我想現今除了低壓高流的汽車電路仍使用外,
連管機也不如此用了, 所以省略. 下面我們就分項來談談.
傳輸電流
- 這個最簡單, 任何電子電路都要吃電, 供電源一為正一為地, 所以這種接地點是有大量電流在流動的, 除非是小IC或JFET的前級. 若是雙電源則一為正, 一為負, 一為地.
送參考電位
- 這種方面的應用, 在機內部份的, 如共陰極放大的柵極電阻接地. 此時通常為自給偏壓的場合, 柵極對陰極要有一負偏壓, 陰極有陰極電阻墊高有正電位, 如果柵極接地則形成我們所要的正偏壓. 在一般情形下此時並沒有電流的流通(除非是A2類放大).
- 在機外的部份如電子設備對大地的接地. 由於 P = I^2 * R, 為了減少電力傳輸時的損耗，電力公司是藉由高電壓傳輸電能到遠方的用戶端。當接近市區時才逐漸降低電壓。通常市區路邊的變電所電壓約兩萬兩千伏特，再經由變壓器轉變成我們日常生活中使用的110伏特的電壓。這變壓器的一端會『接地』，與地殼維持相同電位
- 這裏所謂接地，是指藉由導線與地殼有良好的導通。因為地球表面積相當大，當正負離散電荷流到地表後，可分散到很大區域面積，因此電位幾乎維持不變。我們在SIB上所見的IEC320電源端子, 一為由接地的一端所連接到用戶的, 俗稱水線 (N 或 Neutral). 而另一端的電壓則相對於地呈現正弦波式的交流變動，俗稱火線 (L 或 Live)。還有一端則為GR (Ground)為住戶端接地. 通常為了防止地環路很多音響是不接這一端的.
- 這種接地, 通常是為了安全性考量. 因為人體通常位於地面上，與地表幾乎等電位。因此人體若接觸到水線的那端導線，流經體內的電流非常微弱，而不至於有觸電的感覺.
- 接地能屏蔽雜訊的原理, 得從法拉第這位大科學家說起. 麥可法拉第 (Michael Faraday, 1791 – 1867) 為英國著名的電化學家, 在電磁學, 電化學領域上, 貢獻良多. 電容的單位 - 法拉(Farad), 即為紀念他所命名. 下次到電料行買 10 uF / 50V 的電容, 記得F就是法拉.
- 法拉第是出了名的喜歡作實驗來證明他的理論, 他有一項理論: 用導體做成的密閉空間內, 不受外面電場的影響. 為了證實這個理論, 他在1836年做了一個鐵籠子, 把太太和小女兒放進去, 外面放上幾萬伏特的靜電, 但是內部都不會受到影響. 後世叫這籠子 - 法拉第籠 (Faraday Cage). 其實法拉第籠除了可以防雷擊, 靜電感應外, 也可以防電磁波, 不過當然要算skin depth以免集膚效應. 通常電子實驗室就要用層層銅網, 鐵網加上鋁箔和良好的接地, 來阻絕外界干擾, 使得結果更加準確.
- 在電子電路上機箱接地就是一種法拉第籠的應用. 這也說明為什麼前級裝箱後 S/N 比會增加. 還有隔離線 (shielding cable) 隔離網接地則內部訊號線不受外部干擾也是另一種應用,
- 好了, 各種接地的介紹, 大致敘述完畢, 不過要記得, 有時接一個地, 是有二個或以上的功用的
- 接地的最高戰略指導原則, 就是 不要讓不必要的電流, 在不必要的地方流通
- 以上圖為例, A點為電源變壓器屏蔽接地. B點為主電源供應接地, 通常也在此點接機殼. C, D, 點為區域性接地, A3可能為強放級, A2可能為倒相, A1為訊號放大. 各有各的功能. 為配合接地的最高戰略指導原則, E點的地點就不要和A, B混為一談, 免得大電流及磁場的渦流, 混進前面變成哼聲. 每一級的地, 最好在當地找一處集合後再接到一處, 此為星狀接地. 主要是避免線與線之間的微小電位差造或哼聲. 另外老一輩的DIYer都會建議新手在星狀接地處附近找一點接地, 主要也是避免不同放大級間的地環路造或哼聲.
- 筆者在早期的學習中是一直採用一點接地的. 直到製作了Low TIM 及A40, 才對二點接地的理念得以接受. 在Low TIM中, Dr. Leach是用1個3R3的電阻將輸入地及電源地隔開. 這方法的原理是:
- 輸入地比電源地的電位略高, 所以符合了接地的最高戰略指導原則, 大規模的輸出電流變動, 不會影響電平放大級, 以致毫無哼聲. A40中Pass也用了10R的電阻, 另外他們都在輸入端接機殼. 注意, 這和用輸入RCA地端接機殼不一樣. 用隔離RCA端子但在輸入端接機殼, 最主要屏蔽的效用可延昇到輸入線.
- 管機雖然好聽, 但我們都知道，真空管與電晶體放大器的結構和原理上有很大的區別. 因此它們電源供給的原理和結構也大不相同。所以追根究底，好好地認識真空管的電源電路，是管機發燒必經之路，也將為我們燒友製作高級真空管電路打下堅實的基礎。
- 電子管誕生之初是用電池來供電的，當時燈絲、陽極、柵極各使用一組電池, A、B、C電的命名因此而來. A電的特徵——低電壓大電流適應了蓄電池的特性。其燈絲電壓Uf的系列也是按蓄電池的電壓標準度身定做，6.3V、12.6V等沿用至今.
- 從電源供給的角度來看，真空管的電源分為燈絲電源(A電)、高壓電源(B電)和負偏壓(C電)三部分, 基本形式如圖所示. 圖中我們看到只有B電才能與電晶體電路的電源作用相對應. 直接參與放大器的增益和能量轉換, 而A電和C電就只是真空管電路特有的。.
- 高壓電源和負偏壓的接地法大致可用上面所提的接地原則來作. 唯獨A電源是比較難以掌握的. 下面我們就來談談燈絲電源及接地. 真空管的種類按陰極加熱的方式區分的話有直熱式和旁熱式兩種。直熱式真空管的燈絲即陰極，兩者二位一體。旁熱式真空管的燈絲位於筒狀陰極的中心，燈絲僅作為陰極加熱之用的熱源。早期直熱式真空管多數是在電池收音機中採用. 現在直熱管卻以迷人的音質成為現代真空管中的佼佼者
- (1) 交流供電
交流點燈是最直接的供電方式了. AC次級二線互絞後直接接到管子. 陰級電阻, 電容則接在燈絲任一端再入區域地. 這接法雖為簡單, 但隨之而來的則是惱人的哼聲. 為消除這哼聲, 則有許多作法:
(A) 用有中間抽頭的燈絲變壓器
- 看圖可知燈絲二端為反向的電壓源, 如中點抽頭到二邊的比率很近, 所以陰極電位AC成分很少而為一DC值. 這種作法可消除很多哼聲但不是十分完美. 由於燈絲變壓器中間抽頭的誤差, 哼聲可能隨機而變. 改善的方法為用一哼聲平衡電阻 (Hum pot) 接在陰級上, 陰級電阻, 電容則接在平衡電阻中點再入區域地. 燈絲變壓器抽頭再入地. 由於調整後可讓AC陰極電位成分完全抵消, 這是消除AC燈絲哼聲較有效的一招. 還有一招為哼聲抵消電容. 如何使用讓我在這裡賣個關子, 容後再表.
- 若燈絲變壓器距離管子太遠, 可用高級的二蕊麥克風線(18 AWG)來連接. 隔離網一頭接地作為屏蔽. 有時用銅箔膠帶也可.
- (2) 直流供電, 有穩壓和穩流二種
這道理不用說了, 陰極電阻及電容可接在任何一端. 也可用Amperite的穩流管來串.
- 上面所敘燈絲的連接及接地法大致適用, 但間接燈絲的管子有一種特殊的哼聲只能用墊高燈絲電壓來解決. 原因是間接燈絲的管子工作原理是由燈絲加熱陰極產生電子雲,
陰極是緊包著燈絲(但不
接觸)電子雲被屏極吸引產生電流由屏極到地.
- 但燈絲被加熱後也會產生熱電子, 陰極電位如果等於或高於燈絲電壓,那陰極也會像屏極一樣吸引這種熱電 子而產生電流往燈絲流動, 這時如果是用AC點燈的話, 陰極就有像燈絲電壓一樣的AC電流產生.
- 這也說明為何DC點燈不易有哼聲. 燈絲電位如果遠比陰極高, 燈絲產生的熱電子就會被陷住, 而陰極產生的電子由於塗布面方向的關係是很難往燈絲跑的.
- 但是在一電路中通常所有燈絲是接在一起的, 我們會用一個中間值來使, 在管子的 spec中陰極對燈絲參考電壓是有二個值的(正或負), 若超過都會產生跳火, 縮短壽命. 當然, 最好的方法是一管配一組燈絲變壓器.
- 也有人將直熱式那套想法及作法搬到這兒. 如圖, R1, R2分壓後由C濾波後加入哼聲平衡電阻的中點. 這在Fender的電路中極常看到. 我比較懶, 我只作過直接接或是接二根100R的中點的電路. 沒哼聲啦.
- 另外還有人用燈絲扼流圈(filament choke)來抑制哼聲. 即燈絲變壓器再串上一扼流圈, 這方法太貴了沒試過. 另外我也懷疑它的作用. 在發射管中filament choke 是用來壓制寄生振盪的, 和本文用途不一.
- 規劃良好的地迴路, 會使的噪訊比增加, 音樂細節增多, 是DIY中非常重要的一項技能, 讀者不可輕視它!
- 在ucc大大的網站上有一些裝機資料, 我在這利用這劃好的圖, 再根據前面的理論來做一些建議.
- 這是標準星狀接地及一點接地的代表作. 我的意見如下:
- 輸入的地和輸出的地似乎不用接在一起
• 輸入可接一local地, 或接1nF再入地.
• 輸出的地, 接輸出PCB地上
• 輸入如用隔離線, 地只接一頭
- 上圖:這是標準星狀接地及一點接地的代表作, 不用改
- 這也是非常標準的接地, 我只會動前級輸入的地點.
- 有購買SIB的網友對這佈局應是非常熟悉的. 接地要點為:
A. 輸入RCA用10nF陶片電容區域性接地(接機殼)
B. 為B+
C. 為PCB輸入地. 接音量地及電源地, 音量地也從輸入RCA來
D. 電源地也接機殼, 若確認家中電源地是OK的, 也可接IEC電源端子地
- 最後, 容我出一道習題, 這是一友人的近作, 內部猛料十足, 完工後哼聲大到可以做120 Hz訊號產生器, 大家看看, 問題出在那兒?
