浅谈音响与供电

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浅谈音响与供电

对于现代音响系统而言，可分为数字系统和模拟系统，数字系统电路目前都在朝着高速度、高精度、低供电电压发展，处于这一技术核心地位的微芯片却依赖着清洁电能才可实现其性能。更快的速度、更高的精度和更低的电压意味着对电能质量有着更高的要求。少许的干扰就可以造成其性能降低甚至出现错误。模拟系统电路目前都在朝着宽频、高速、低噪音方向发展，以前的线路频宽有20k就可以了，现在已经扩展到上百K，甚至有些厂家的电路频宽已达1M以上。更宽的频带更高的信噪比无疑需要更纯净的能源，否则它将对电网的干扰成分进行放大，最终体现在音质表现上，得到事与愿违的结果。可见现代音响系统对用电有了更高的要求，而且器材档次越高，运算精度也就越高，频宽也越宽，相对对电能质量要求也就越高。


作为器材的能量之源，电源在进入器材前一定会受到各种污染，包括高频干扰、谐波成分、直流成分、高压尖峰等，因电网负载的变化及线路内阻等原因，电网的电压会出现波动、浪涌、突陷等，这些因素都会直接影响器材表现。虽然国家一再投入大量资金以改造电网，但所起的作用也仅仅是在供电能力方面有所提高，对电网的各种干扰不但无力治理，还正日趋严重！因此用户终端必须对此采取相应措施，包括使用各类电源处理设备、良好的接地、科学的布线、合理的电源分配等方法来改善电源，提高现有器材表现效果。

电能质量问题

电能质量问题有很多，与音响系统关系比较密切的有以下几个方面：

1、电压问题，包括长时间电压误差、周期性电压波动、电压突变。

2、干扰问题，包括谐波干扰、差模干扰、共模干扰、直流成分干扰。

3、突发问题，包括雷击、静电放电、配电故障。


电压问题

由于供电内阻和负载的变化，电网的电压每时每刻都在变化，大致来说，因供电网络内阻所致，靠近变压器的地方电压会高些，远离变压器的地方电压会低些，这个就是长时间电压误差。因负载的变化所致，用电高峰电压会低些，用电低峰电压会高些，这个就是周期性电压波动。一般电器要求供电电压误差小于10%，音响供电建议电压误差小于5%。上述可以用数字电压表分段监测。因一些大功率或冲击性用电设备的接入或启动，电压会突降。因一些大功率设备的撤出，电压会突升。特别是一些工厂的大型设备撤出时，电压会瞬间升至很高。电压的突降和突升共称为电压突变。电压突变因变化速度很快，在业余条件下比较难测出范围（专业的用过程记录分析），但大致可以从灯光的亮度去判断，如果灯光经常出现明显亮度变化，则说明这个问题比较严重，应采取措施。电压突降一般会造成机器死机、关闭、保护、重启等问题，电压突升会造成烧保险、击穿损坏等问题。这个问题处理起来不太容易，因为相应的处理设备要有很快的调节速度和很宽的调节范围。

随着国家对电网改造的大力投入，目前大多数地方电压都比较稳定，电压突变问题也不是太明显，所以电压问题可以排为次要考虑因素。当然，这并不是说就不需要稳压，精确稳压和精确校正对音响肯定是有好处，只是因为大功率、高精度、高速度、无二次污染的稳压校正电源造价太高，而一般的稳压电源却会带来较多负面影响，所以在有限的投资前提下，如果电压基本在允许范围内，暂时先不要考虑稳压。


干扰问题

纯净的电能如果用示波器观察其波形，只会看到一个干干净净的50HZ纯正弦波波形，但实际情况却并非如此。用示波器观察，可看到其并非干净的纯正弦波，而是扭扭曲曲的类似正弦波形，上面还有很多毛刺和尖峰等。如果把基波去掉，可看见一连串低频波形，这就是谐波成分。如果再把这些谐波去掉，可看见一系列杂乱无章的高频信号，这就是高频差模干扰。如果再把这些高频干扰去掉，可看见一个直流电位，这就是直流成分。如果在火线、零线对地之间加一个高通相加滤波器，可看到一连串杂乱无章的高频信号，这就是高频共模干扰。一般来说，谐波干扰幅度大于其余干扰幅度，但很庆幸，因为它的频率很低，生命力不强，经过器材本身整流滤波后基本可完全去掉，对电路不会造成比较大的影响。差模干扰有时候幅度也会比较大，但同样很庆幸，它的频率也较低，经过简单的电路对其进行抑制就可以达到比较理想的效果。


那么剩下的就是直流成分和高频共模干扰了，高频共模干扰频率很高，最高可以达到数GHZ，有很强的辐射能力，可以直接由空间辐射到电路元件或经过电路甚至地线而窜到音乐通道，对数字电路和模拟电路都会造成严重破坏。干扰幅度小时会干扰甚至掩盖音乐的一些细节信号，造成音质毛糙、干、冷、刺耳、空间定位漂移等问题，干扰幅度大时甚至会造成信号阻塞，出现严重失真或工作失常。高频共模干扰主要来自辐射，任何高频率的信号都有辐射能力，比如高速开关的开关电源的功率管、高速开关的D类功放的功率管、高速开关的节能灯电子镇流器的开关管、高速开关的PWM逆变电源的功率管、电台信号、电视台信号、无线通讯信号等等。这些处于高速开关状态的电器数量庞大，一栋居民楼里就有数百台电视机、数百台电脑、数千盏节能灯，其产生的污染程度可想而知。这些高频干扰信号比光线还要厉害，不但可以经过空间辐射，还可以穿透绝大多数非金属材料。

而我们的供电网络相对地线来说，恰好相当于一个巨大的接收天线网络，将这些干扰信号统统的接收进来混合到电能送到所有用户的机器里，造成严重的复合交叉感染。 人类高速发展的今天，对环境造成了巨大破坏，包括这些充满所有空间的电磁辐射，随着低碳生活和低成本商业推广理念的推广，那些高效率、低成本的开关类型电路设备还会被无限量扩展应用，可见此类问题还会在很大程度上进一步恶化。当这个干扰严重到一定程度后，甚至会对人体造成严重威胁，比如有些手机打久了会头疼，有些设计不良的开关电源，工作时会辐射很强的射频，导致周边的人出现头疼、头晕、恶心等症状。这些高频干扰信号不但会对音频产生严重污染，还会对视频产生严重污染，致使视频画面清晰度下降、出现网纹、抖动、色彩差异等等。直流成分就是交流电里面掺杂了直流电。


对于电力变压器而言，直流成分来自两个方面：

1、太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生地磁风暴，地磁场的变化在地球表面诱发电位梯度，地表电位梯度在变压器绕组中产生低频率的感应电流，幅值可达100安培，频率为0.001HZ-1HZ。

2、直流输电系统以大地为返回方式单极运行时，大地中的直流电流会通过交流变压器的中性点而流经变压器绕组。

而用户终端电网产生的直流成分除了可能跟上述有一定关系外，还可能来自电网的非对称负载。因固态开关控制器件的大面积应用，其本身的非对称开关特性导致电网正、负半周负载不对称，过零线偏移，产生直流。直流成分可造成音响器材内变压器产生直流偏磁。变压器在直流偏磁条件下工作，直流磁通与交流磁通相叠加，形成偏磁时铁芯总磁通。与直流偏磁方向相一致的半个周期铁芯饱和度大大增加，而另外半个周期饱和度却反而减小，励磁电流呈正、负半波不对称形状，变压器的这种状态导致铁芯磁通密度饱和程度加剧，内损加大并产生大量谐波。直流偏磁较轻时，可造成变压器出现异常噪声、震动、发热、效率降低等问题，影响器材的性能，严重时将产生磁饱和，烧毁相应部件。直流偏磁造成影响的轻重与直流成分成正比，与变压器直流内阻成反比，现代音响大都选用优质低内阻环形变压器，而且越高级的变压器内阻就越低，一般功放的变压器直流内阻都是零点几欧姆，有些使用OA变压器的甚至低于0.1欧姆，对直流成分相当敏感。很多厂家开始时也考虑过对高频干扰和直流成分进行处理，但最终发现这不是简单的问题，在有限的成本下，根本无法实现满意效果，故最终放弃，这就是目前音响技术方面最大的漏洞。

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突发问题

突发问题主要来自雷击、静电放电、配电故障，雷击和静电放电会形成瞬间巨大电流，配电错误会导致电压达到300V以上，这些都会导致器材直接损坏，需要采取相应保护措施。

处理手段

随着干扰源的增多和固态开关控制的普遍使用，电网高频干扰和直流成分正日趋严重！故目前这个问题排为首要考虑因素。因这个问题普遍存在，所以添置此类相关设备必不可少。很多朋友对电源处理设备心存顾忌，是因为之前受一些不合适的、不合格的、不科学的相关设备所影响。只要正确选用，对系统音质会有很大帮助。处理直流成分最好的办法是用主动相位校正类型处理器，抑制高频干扰最好的办法是用精密隔离电源。因大功率隔离变压器对直流成分极其敏感，故隔离电源必须与相位校正器配合使用，入电先进行相位校正抑制直流成分后再到隔离变压器进行隔离输出。


常见的相位校正电路有下列3种：

1、由数个二极管和电容组成的简单被动电路，这种电路优点是简单、成本低。缺点是精度差、内阻大、容易产生谐振。

2、由取样电路和削波电路组成的并联式主动相位校正电路，这种电路优点是精度高，缺点是电路相对复杂，耗电巨大，校正范围窄。

3、由取样电路、放大电路叠加电路组成的叠加校正式主动相位校正电路，这种电路优点是精度高，效率高，校正范围宽，缺点是电路复杂，成本高。

上述第一种电路由于负面影响明显，目前已基本退出市场。第二和第三种电路一般应用基本都可以达到要求，可酌情选用。隔离变压器有很多种，从用途来说，可以分为安全隔离变压器、直流隔离变压器、高频干扰隔离变压器。从外形来说，价格从低到高有F形、EI形、C形、OD形、R形、OA形。安全隔离变压器一般应用在防触电方面，比如一些机床、操作台等，用以避免漏电对人体造成伤害。直流隔离变压器一般应用在一些逆变电源输出直流隔离，如电信、医疗、银行、实验室、数据中心等，用以避免当逆变电源故障时很强的直流输出对负载设备造成破坏性损坏。


高频隔离变压器主要作用是隔离高频共模干扰，应用在音频、视频、精密设备上。用以抑制高频共模干扰对精密电路造成干扰。一般市面上常见的二手隔离变压器99%都是安全隔离变压器和直流隔离变压器，对高频干扰基本没有抑制能力，不能用于音频系统。由于变压器的物理特性所致，C形和R形变压器最适合做高频干扰隔离变压器，常规来说其余形状的变压器在此方面性能欠佳。R形变压器在磁路性能上优于C形变压器，故R形变压器最适合做精密隔离变压器。精密隔离变压器内部都有多层屏蔽层，用以屏蔽初级和次级线圈，避免初级和次级之间产生电磁泄漏以及避免线圈受外界干扰辐射。一台好的精密隔离电源除了要有一个好的隔离变压器外，还要有很多辅助措施才可达到实际要求，比如机箱区域屏蔽、避震，输入相位校正、输出二次抑制等等。目前市面可见一般隔离电源和二手进口隔离变压器基本都达不到上述要求，隔离高频干扰能力很差，而且还加大线路内阻、加大高频辐射、增加磁场泄露干扰等，自然负面影响占绝大部分。对于雷击和静电放电，一般用并联放电管或压敏电阻进行保护就可以达到较好效果，对于配电错误，一般用过压自动保护电路。


综上所述，在电压比较稳定的地区，就音响系统而言，对电能处理首要考虑方面是高频干扰抑制、直流成分抑制、突发故障保护。如果条件许可，可增添大功率、高精度、高速度、无二次污染的稳压校正电源，对电能进行精确稳压和波形校正，以治理电压误差、电压周期性波动、电压突变、谐波干扰等问题，实现真正纯净、稳定供电。

qinglei

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