Miről van szó?
A „melyik áram merre folyik?” című játék szükségessége abból ered, hogy a kapcsolási rajzok általában az összes földpontot ugyanúgy jelölik. Azonban ezeket mégsem érdemes akárhogyan összekötögetni, mert a valóságban a vezetékek ellenállása nem nulla, ahogyan induktivitásuk sem, így a rajtuk átfolyó áram feszültséget ejt a vezetékeken.
Ezért sokszor kifejezetten nem szerencsés, ha több áramot húzunk közös vezetéken, és így az egyik hibafeszültségét akaratlanul bemérjük a másik kiindulópontjába. Ground plane alkalmazásakor szintén fontos meggondolni, melyik áram merre keresztezi egymást, és esetleg némely földvezetéket érdemes kiemelni a ground plane-ből, vagy változtatni az áramköri blokkok elhelyezkedésén.
Hogy mikor kell erre figyelni? Mondjuk egy akkutöltő tervezésénél nem fogok ezen gondolkodni, de pl. a legegyszerűbb fejhallgató erősítő esetében már igen. Nagyfrekvencián pedig a kis vezetékinduktivitások is nagy impedanciát jelenthetnek, így ott is fontos lehet a jelenség. A témát hifi elektronikán mutatom be, de a leírtak általánosan igazak minden áramkörre, beleértve a digitálisakat is.
Mielőtt azt gondolnánk, hogy ez az egész csupán szőrszálhasogatás, ne tegyük! Adott esetben akár annyit is számíthat, mint maga a kapcsolás megválasztása. Vagy gerjedést, illetve egyéb diszfunkcionalitást okozhat, vagy teljesen működésképtelenné teheti az áramkörünket (pl. nagyfrekvenciás digitális áramköröknél). Ha a kiváló minőség elérése a cél, akkor pedig a nüanszok is sorsdöntők lehetnek!
Teljesítmény- és jelkör
Nézzük meg, milyen köröket alkot az áram folyása egy erősítőben! Az 1. ábrán berajzoltam két kört: naranccsal a jelkört, míg lilával a teljesítménykört az egyik félperiódusban.
1. ábra. Jelkör (narancs) és teljesítménykör (lila) egy erősítőben
Látjuk, hogy a hangszóróvezeték földjének árama a tápegységbe igyekszik vissza. Ettől független kör, amit a potméteren keresztülfolyó áram alkot. A feszültségek viszont nem lehetnek függetlenek, hiszen az erősítő bemenete nem láthat akármekkora feszültséget, ezért kössük össze a köröket egy ponton!
Na de a helyzet bonyolultabb: egyrészt az erősítő bemenetén is folyik áram, másrészt a visszacsatoló körön is folyik áram a föld felé. Ráadásul egy hifi erősítő általában többcsatornás. Hogyan is kell akkor a földpontokat összekötni egymással?
A legegyszerűbb azt mondani, hogy jelöljünk ki egy ún. csillagpontot, és az összes földet külön vezetékkel húzzuk be ide. Sokszor valóban ez jelentené a legjobb megoldást, de nem mindig akarjuk ennyire elbonyolítani a NYÁK-tervet. A legtöbb esetben megfelelő, ha a kisjelű földeket valahogyan összekötögetjük egymással, a nagyáramú földeket szintén egymással, majd a két kupacot/kört egyetlen helyen összekötjük. Én a potméter- és a kimeneti csatlakozó földjét szoktam összekötni, hogy a bemenetet és a kimenetet is ugyanoda mérjem. Ha a rajzunk a fentinél bonyolultabb, praktikus beszámozni, melyik földpont melyik körbe tartozik: pl. „1”-essel jelölni a kisjelű földeket, „2”-essel a nagyáramúakat.
2. ábra. Csillagpontos földelés
Mekkora hibát vétünk így?
Számoljuk ki! Egy 10 cm hosszú, 35 µm vastag, 60 mil (kb. 1,5 mm) széles NYÁK-huzal ellenállása 30 mOhm körüli (a néhányszor 10 nH körüli induktivitást most elhanyagoljuk). Ezt a vezetékellenállást képzeljük rá a kapcsolási rajzra a megfelelő helyre! Ez a 0,03 ohm a visszacsatoló kör 1 kOhmos ellenállásának 3E-5-szerese, így ha pl. a két csatorna visszacsatoló körét közösen húzzuk ezen a vezetékszakaszon, azzal 20*lg3E-5=-90 dB-es áthallást okozunk a csatornák között.
Ha a két fejhallgató áramát húzzuk együtt egy ilyen vezetékszakaszon, azzal pedig kb. 30-szor ekkora hibát vétünk, mert a példában a fejesünk impedanciája kb. harmincada az 1 kOhmnak. 20*lg(30)=~30, vagyis kb. -60 dB áthallást okozunk ezzel a két csatorna között. (Ezt elkerülhetjük, ha a fejhallgatócsatlakozó földpontjába kötjük a kisjelű földkört, nem a táppufferek közös pontjába. Más kérdés, hogy a fejhallgatócsatlakozó átmeneti ellenállása is összemérhető a 30 mOhm-mal, így csak felezzük a hibát, vagyis 6 dB körüli értéket nyerünk.)
Nézzünk egy példát arra is, ha a két kört nem választjuk szét egymástól! A 0,03 Ohmos vezetékszakaszon a fejes feszültségének 0,03/32=~0,001-ed része esik. Ez a kb. 10-edére leosztott és visszacsatolt jelnek nagyjából a 0,01-szorosa, vagyis -40 dB!
Utóbbi hibát egyszer követtem el egy hangszórós erősítőn, de ott ráadásul ez a hibafeszültség nagyon torz hang formájában jelentkezett, így az áthallás nem csak a sztereó teret rontotta el, hanem élvezhetetlenné tette a zenét. A torz hang oka az lehetett, hogy ez egy autóba szánt, aszimmetrikus táplálású, hidalt erősítő volt, kondenzátoros becsatolással. Vagyis a földvezetékén a belső áramköreinek áramai is átfolytak, nem csak a kimeneti áram. Pusztán a sztereó tér romlását nem biztos, hogy észrevettem volna akkor.
Még egy kört? Miért ne?!
Hadd osszak meg még egy történetet! Jó pár hónapja készítettem egy erősítőt, nevezzük CompositeAmp-nak. Majd nemrég egy másikat, amit nevezzünk Triloopnak. Az első nagyszerűen zenélt, míg a másiknak döglött hangja volt ugyan azzal az OPA+buffer párossal. Sajnáltam, mert sok munkám és alkatrészem volt benne, jobban megépített erősítő volt az elsőnél, ráadásul volt még a tápjában dupla kapacitássokszorozó is. Felfedeztem, hogy egyszerűen átalakítható CompositeAmp-pá, így át is alakítottam. Javult, de még mindig zavaró hangja volt, kifejezetten rossz volt hallgatni. Végül minden apróbb részletében megfeleltettem az elsőnek, de csak nem szólt úgy.
Az egyik különbség az maradt köztük, hogy az elsőnek csak differenciális módusban szűrtem a tápzaját az OPÁ-nál (ld. előző írásomat), míg a másodiknál féltáponként, és a szűrő földjét a jelföldre húztam rá, mondván, hogy a féltápokat a jelhez képest kell mérni az OPÁ-nál. Átvágva ezt a földvezetéket (és így differenciális szűrővé alakítva a szűrőt) az erősítő rögtön életre kelt, és végül ez a példány kapta a dobozolást!
Természetesen nem a féltáponkénti zajszűréssel volt a gond, hanem azzal, hogy a tápzajt rávezettem a jelföldre. Nem tudom, ez a tapasztalat kinek mennyire releváns, mert jelen erősítőnél passive virtual ground tápfelezést alkalmaztam, és ennek sajátságai miatt – utólag utánaszámolva – mintegy 30 dB-lel nagyobb tápzaj volt jelen a földvezetéken, mint jel. Ennek nagyrésze a pufferelkók által eltorzított monó jel, kisebb része a buffer okozta tápingadozás.
Annyi konklúzió talán levonható, hogy a tápzajokat érdemes külön földkörön huzalozni. Sőt, talán még egymástól is érdemes lehet külön húzni őket, hiszen ne feledjük, hogy a tápszűrőkondik nem csak szűrik a zajt, de be is csatolják azt a tápba, ha zajos földvezetékre kötjük őket!
Másik konklúzió, hogy ha áthallást mérünk (vagy ilyen mérési adattal találkozunk), akkor még nem tudhatjuk, mivel is állunk szemben. Az előző példákon láthattunk, hogy gyakran az, ami elrontja a csatornaszeparációt, egyben torzítást is okoz, ami sokkal zavaróbb lehet a nem tökéletes sztereó térnél!
Itt említeném meg, hogy a földelés kialakításánál ügyelni kell rá, hogy a földhálózatban ne keletkezzen zárt hurok! Ez ugyanis felületével egyenes arányban sugároz és össze is szedi a külső tereket, így zavarérzékennyé teheti az áramkörünket.
Ground plane
A ground plane-re gondoljunk úgy, mint egy nagy sekély tóra, amibe több helyen vizet töltünk bele és szivattyúzunk ki! Bonyolult áramlási tere lehet, cserébe ellenállása kisebb. (Persze a hasonlat erősen sántít, mivel az áramló víz gravomágneses tere elhanyagolható, de szemléltetésnél most ez mindegy.) A különböző nagyságrendű áramok keveredésének elkerülésére rendezzük úgy az áramköri blokkokat, hogy az egymásba záródó áram-körök minél kisebbek legyenek, és lehetőleg ne nagyon messék egymást! Ha ez nem megoldható, akkor a nagy áramokat vagy a kis jeleket szállító földvezetékeket kiemelhetjük a ground plane-ből csak egyik végüknél csatlakoztatva őket. Esetleg használhatunk több ground plane-t is különböző rétegeken.
Tanácsos még a NYÁK-tervező programban a földvezetékeket megrajzolni, hiába olvadnak bele teljesen a ground plane-be! Máskülönben esetleg nem vesszük észre, ha a később behúzott vezetékek pont ott vágják át a ground plane-t, ahol nagyon nem szerettük volna. Ha pedig egy vezeték hosszan elvágja a ground plane-t, akkor "összevarrhatjuk" azt több öltéssel a vezeték hossza mentén, a másik oldalon. Mindezek elsősorban kétoldalas NYÁK-terv esetén relevánsak, ahol általában nem tehetjük meg, hogy az egyik oldalt kizárólag a ground plane-nek szenteljük.
3. ábra. Vezeték kiemelése a ground plene-ből (jobb középen van hozzá kötve)
Tuning
Végül nézzük meg, mit tehetünk akár utólag is egy áramkör feljavításáért! A nehezebb út, ha a kritikus (nagyon kis jelű vagy nagyon nagy áramú) pontokon elvágjuk a földvezetéket több darabra (vagy kiforrasztjuk belőle az alkatrész megfelelő lábát) és az alkatrészeket külön huzalokkal huzalozzuk be a csillagpontba. A könnyebb út pedig, ha a kritikus földvezetékeket megvastagítjuk egy kábel ráforrasztásával, ezzel csökkentve az ellenállásukat. Esetleg a kábelt elég lehet csak a két végén beforrasztani, ha nem, akkor pontonként, pl. az alkatrészek lábánál. Mérlegelésnél a már bemutatottak szerint gondolkodjunk!
4. ábra. Csillagpontos földelés utólagos kialakítása. Még egy Naimnál is sokat hozott hangban! (Forrás. Tapasztalatok a #118-as és #129-es hsz-ben)
Sok sikert kívánok!
bkercso
IRODALOM
