音响、录像的电源质量与接地问题（一）

yinxiangw · 发表于 2007-2-28 08:21:11

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音响、录像的电源质量与接地问题（一）

使用全新的数字电器设备必须丢弃以前各种各样的接地、偶合、屏蔽方法。　　
时代在变化，我们的电器产品也在变化，模拟电源、电子电路和电源功放领域正逐渐让位于数字转换和逻辑设计等新领域。灯光控制领域中，这一变化业已完成。尽管我们中已有不少人注意到了这一进步，但是，我们使用原来的模拟电子产品时，会伴随有AC电源连接，接地及影音系统连接等问题，当我们使用操作性能更稳定的全新数字电器产品时，与之相关的这些因素又有怎样的变化呢？　　
首先我们来看，模拟电路元件是用来放大和组合新的电子信号的，所以模拟音频前级放大器和混频器就是用电势计来直接改变输入到电路元件上的信号电平。电势计有旋转型和滑动型两种，时间久了就会产生噪音。全新数字电路的控制类型相同，但有一点不同，即：他们可以改变集成电路的通信增益是根据电势计电阻从交流到直流转换过程产生的数字二进制值逐步改变的。噪音在转换过程中以被过滤掉。　　
有些用于混频和增益的控制器以不再使用电位器，现在从光学的磁性角度来说，他们都偶合了数字编码器，其旋钮的旋转或扳手的滑位直接转化数字脉冲，即二进制数码，然后我们就有了灯光控制系统、音视频混频器和类似电路产品，如通过数字连接的手提式或台式PC机系统，尽管性能更好的纤维光导连路越来越稳固，但平衡连路通常被受欢迎，如RS-232型或RS-422型，无线电系统也同时并存并同样使用控制和信号连路，只是仍用线材缠绕起来，以获取与连路的电器里的信号。这些电器的有线部分会使用数字型信号或其他专利信号。　　
一旦我们说起实际控制，即新型数字电器产品处理音、视频信号时，我们就发现，这些信号全都是数字式的，用震荡器再也看不到相位转换、幅度变化的交流电波形、直流电定位正弦、模拟波形信号。现在他们是一串串的方形波、脉冲宽度调协式（PWM）或代表全数字控制的若干已编码的二进制数字、音视频信号等。经常在PC机上使用音、视频光碟的人都熟悉这个，因为只有模拟信号才能与话筒或音箱相连。　　
即使研究一下交、直流电源，我们现在也只能找到两处使用直流电（输入过滤电容和逻辑或应用电压输出总接头）；其他的电路都控制一、两种方形波。一万赫以内的频率和PWN电路在电源内布进行会合。相反，模拟电路电源在发电过程中只有50Hz～60Hz的交流电输入到整流器上，其他地方或者可能发现脉动120Hz直流电或一些"纯"电平的直流电。旧式线性电源（模拟或线性设计）的结构原理；新式开关型电源（SMPS），两者区别很大。　　
电源功放可能是数字改革后仅剩的一种应用。一般而言，其输出最终会反馈到模拟传感器（也叫扬声器）上，而模拟信号出现于功放中则又是另一回事。在功率放大器上，数字电路在各方面都超出了最后输出点，甚至使用数字电源放大电路和特殊过滤来消除高频元件（如载波器）。然后用过滤器帮助冲建视频波段信号作好模拟电压和电流。　　
在模拟电器领域中，我们尤其喜欢颇有口碑的单点接地（SPG）系统和静地面接地电极，通常具有1的神秘特性，只需连接到电器上。这一应用一直保留着250个产品中有一个NEC损坏--接地。从此前提发出的所有地面接地都要求防火、防震、防电，通过使用屏蔽接地避雷针可以解决这个问题，从电子学上讲与其他的电极一样。建筑电子系统的（安全）电器接地导体（EGC）系统，包括金属电缆管道、金属电器箱体和电源线上著名的绿线。　　
现在的情况完全变了，因为现代的模拟及数字电器中使用的建议接地设计,接受交流电源系统的电源接地绿线法连接，忽略了所有型号的特殊连接。例如：我们在房间里架好了电器，这些电器都用信号电平缆线接好了，并使用信号参考支架（SRG）以保证具有带宽接地功能，而普通型号的噪音在相互连接的单元中以被衰减。下面还将讲述许多关于SRG的内容。　　
全新数字电器明显与众不同，且一点不受模拟电器困扰我们的问题所影响。但我们中已有人发现了与数字电器有关的新问题亟待解决。我们现在应该去注意新出现的重要规则，尤其是针对全新数字电器的，这些一般也用于模拟电器，例如：有些电器接地规则以做了重要修正。我们还将看到，有一些具有影响力的缆线屏蔽规则，除非是视而不见，否则闪电和电子保护要求都已出现，就是不被理解，比我们使用的电子承载电器更重要，尤其是对数字电器。　　
有了这些了解之后，让我们开始探索数字视听器材这一新领域，及其与建议交流电源、接地和视听缆线系统的关系。　　
电源质量与性能问题　　
在应用上，计算机系统显示数值（1或0）的逻辑电路和视听电器的数字电路几乎没有差别，因此，在计算机领域成功开发的众多信息直接适用于压缩机运做的电器中。（别忘了这是以计算机电器为出发点）。当我们研究CBEMA曲线时，这一点就可以得到证明。　　
CBEMA代表旧式框架形计算机生产商协会。该曲线是由CBEMA的功率界面协会为第三号（SC-3）开发的，可用来确定交流电源质量和各种数字逻辑电器之间的关系。　　
X轴表示时间及标准美国60Hz电源线频率每秒钟运行的圈数。Y轴表示电压的+/-参数。Y轴上的参数百分之百等于所选额定rms交流电电压。例如：120伏交流电在百分之百那一行；当电压上升时，曲线会沿Y轴上升（标注两倍、三倍等交流电额定电压的增量，直至百分之百）。
当缆线电压下降时，曲线会顺着Y轴降至0点，整个电源消失。对数的X轴决定了被跟踪情况的持续性，例如：如果交流电源轴线降至0度，电压达一分钟时；然后数字心又恢复成百分之百曲线。当然，这可以推断：电压可恢复到120V交流电，即百分之百曲线。若不能恢复，曲线需要恢复到他最后的电平状态。　　
瞬间低压或倾斜现象　　
最常出现的电源质量问题之一叫倾斜。倾斜情况有好几种不同的说法，如下降、俯冲等，但根据IEEE的《绿宝手册》规定"倾斜"一词以广为接受。其额定电压存在于倾斜发生之前或之后，因为倾斜会导致有效电压明显地下降一圈或好几圈。　　
常见的情况是由突然应用有较高的瞬间开始或流入电流的系统或承载电路引起的。这种常见的承载由整块面板、马达、大常见整流器及交直流电源表示，其中交、直流电源有个大值输入电容器，通过整流器直接插过曲线。用一个大而空的电容器，大型充电电流能够因此而存在于第一个半圈，但在随后的半圈里会逐渐减少，直到电容器再充上电压。　　
瞬间高压或膨胀现象　　
如所期望的一样，膨胀是与倾斜相反的情况。膨胀也被称为涌压，但这个词不太正确，因为"涌"更适合用于持续更短的情况，包括瞬间高压，如闪电产生的电压。膨胀这个术语现在也被IEEE正式收录，表示上述发生的情况对膨胀正确的认识，其中额定电压存在于膨胀发生之前或之后，会导致明显地有效电压上升一圈或好几圈。　　
常见的膨胀情况常常是由取消电子系统或有较高流动电流8t大型承载电路而引起的。这种承载是由面板、马达、整流器和大型的'不与一个电源关闭控制同时相连的交、直流电源所表示的。　　
脉冲电压现象　　
常见的脉冲现象有许多名字，如假信号、尖峰信号、刻痕、螺状触须、过渡脉冲等。其特点是极性辅助循环，或是频段辅助循环。正是这唯一特性但却会使脉冲成群出现，也许与某个原因有关，也许与之没有关。脉冲与交流电曲线的电压或电流要么同步，要么异步。
脉冲将在C8EMA曲线中出现在左边8.33毫秒处，和辅助循环区，脉冲会全部保留在10004曲线之上或之下，也会部分保留在该曲线之上或之下。这也许有衰减的震荡特性。快速过渡时间与脉3中紧密相连，但其衔接除了AG电源系统基本频率的变化比例之外一点也不明显。
总而言之、脉冲总是有个过渡时间，在AC电路上用毫秒或微秒表示。当脉冲源十分接近测量点时，过渡时间会加快，这是因为AC电路在高频时间是有损耗的发射曲线，倾向于随着距离的增加而衰减HF信号。　　
震荡电压衰变现象　　
脉冲衰变可能会与衰减震荡电流或电压波形有关，依靠它最初是怎样启动的，多是怎样通过干涉AC电源系统接线发射出去的。注意：所涉及的AC电源系统包括有电抗，而且就是LC电路，在基础频率或和谐的相关频率时甚至会产生共振。因此，震荡现象在这个电路上很常见。
这些震荡分频度根据LC电路上涉及的有线系统的Q值的不同或其它损失的不同而不同。一般情况下，只有少数的甚高频脉冲衰减重覆能被看到，因为它在AG电源电路的指数式中很快会被分频掉。超低频衰减震荡分频时会延续稍长点，通过更长的有线路径可以传播出去。　　
AC电源线上常驻见的衰减震荡现象可在CBEMA曲线上8.33毫秒左边及在辅助循环干扰区内可以看到。但有时候，也并非如此，8.33毫秒线会与震荡波形的波形的尾部相交。震荡一般运动在100％电压线之上或之下，但有时候会出现DC偏极现象，并徘徊在该线上下。
有一个好例子，即：AC电源系统衰减震荡现象是由一排排电源因素电容器打开到"进口"(有时为"出口")而产生的。这些现象职有能量，又包含有许多低频内容。这些因素结合起来会使干扰引出去，而在电子补给系统进入设备及电器之前过好几英里英里的距离之后没有大幅衰减。装有开关的　　
一串电源因素电容器的常见电路简图。这里的一般规则是：电容器bank离所影的子设备越近，潜在干就会越大，反之亦然。
多数电源校正电容器banks安装在三相干扰电路上，用于电子补给系统本身，在设备的主进给装置系统内，或两个位置都有。两种情况下，不需要的效果极易达到建筑的辅助进给装置及分支电路系统中，并到达连接的电子承载设备。
电容器怎样引起衰减震荡现象?当一套放电电容器直接在高峰由压附近连在AC线上时就会引起部分问题。另一种方式，充电电容器可在曲线电压大大低于电容器电压时连接到AC线上即可产生。　　
在第一种情况下，电容器从AC线上获得许多电流。由于上流电源电路阻抗之缘故，电容器会令电压产生暂时突降现象，通过顺流载荷看上去象是无准备的电压下降01E第二种下，电容器给AC线加了压。这个加压会在线路导体上引起不需要的电压从电容地连接点瞬时双向突增。
尽管这个上升看上去像是双向瞬时突增，但它的实际增向是荷载向。当用于连接三个电容器bank的机械联系没有同步联系次数时，又会产生另一问题，即导前致两个电容器先被连接上，直接结果是在两个相关的电源系统导体上产生特殊干扰。伴随这一干扰的还有普通干扰。　　
这两种情况的任意一种，包括电容器和AC线的LG产品都会产生震荡条件直到电容器的充电变得与线路电压频率同步。作为与线路相连的简单电抗载荷，由于阻抗的缘故，电容器产生有倾向性的电源因素校正影响。　　
通讯障碍

yinxiangw · 发表于 2007-3-9 12:17:57

　　
经常可以见到AC线上的电压波形，它们与从波形上去除的一、二障碍同时存在。任何地方都会产生这种障碍，且是按时间顷序从开始时间一直持续下去。它们被称为通讯障碍，一般是由瞬间的短路引起的，己控制的整流器会在一个打开而另一个被关闭之间位于AC线的中间。有了SCR，即相位转换开关后，易看到障碍沿著X轴波动，它们一般位于GBEMA曲线上和辅助循环区的8.33毫秒线的左边。　　
电波上的若干零十字　　
在电容器的衰减震荡现象中，零度电压曲线会与该现象的震荡部分或和谐电压有若干交叉点。如果在深层障碍边缘存在震荡，并与零度电压线相交时也会发生这种现象。在这两种情况中，结果都会产生多个电压零十字，对任何依靠60Hz曲线电压的零十字点进行计时或SCR整流的电器产品都会产生严重影响。
有些SGR的灯光控制系统会受到此类问题的严重影响。如果依靠电压波形计算零十字的数字表或计时器在60Hz电路上每180度会得到不止一个电压零十字时，速度就会加快! 　　
和谐电压波形失真　　
利用非线性承载，如各种整流器电源(线性和SMPS），电流在相关的频率中从120伏交流电源线流到60HZ。一般而言，所有电流都是以脉；中形式在90度到270度之间运行，以避免沿著所给电压波形线性流动。常见的用于SMPS的输入电流波型。
该波形包括一个高峰电流，在受其影响的电路上，有大幅度电压降、穿过AC电源电路的阻抗包括接线，电源变压器阻抗、震荡器绕阻或其他AG电源的内部阻抗。出于考虑和兴所趣所致，上述阻抗可由用于暂时AC电源系统的灵活的电源线设备大量提供。如果长分支电路同扩展电线连起来运用的话，则又是一个新发现!在非线性载荷和AC电源之间，放置一个电源调制设备，如电线电压调制器，有时会使情况更糟，因为常用的电源调制设备通常有许多内电阻，而内电阻会直接增加电压波形的失真问题。常见的非线性承载，如与120伏交流电相连的SMPS就要求基本频率电流与和谐电流两者都达到第19(19HZx60HZ或1，140H2)o多数情况下，电流来自奇数谐波中(3，5，7，9..….)，而且是由低到高顺序(特别是第三、第五、第七谐波)。　　
一旦非线性承载(如整流器)需要从AC电源电路中获得和谐电流，就会出现电压下降，并在系列连路中穿过各种阻抗。这样，如果所给数量的第三谐波电流在上流电路中下降10伏，则这种情况会被认为是从10伏180Hz用数学方法增加到120伏肋Hz基波电压。
从这种现象中观察到的电压波形会出现高峰和低谷，或称为驼峰电压，这取决于人们是怎样描述该失真现象的。与AMP的基波电流的60HZ频率相比，电流通路中1A180Hz(第三谐波)的电感电阻(XL＝2fL)总量会使电压下降3倍，这个关系也适用于更高层次的谐波电流系统，因为电感电阻是随著频率的增加而按比例增加的。　　
注意：和谐的失真电压波形所拥有的总面积没有不失真的正弦波所拥有的总面积多，而且其高峰电压也更低。这对于相连的线性电源来说，问题比SMPS的设计更多。前者损失了固定空间，越运行越热，因为作为低压现象，在输出时，相连的线性电源会做出相应的反应。而SMPS有较多的可利用空间，以后会为90度、—270度的主能量存储电容器简单地用一个更高的高峰充电电流来补偿。有了足够的失真，两个电源最终都会失去固定空间，但线性电源总是先行，而且稍多点。　　
一项重要建议：如果想在没有携带正弦波形的AC电源导体上测量电压或电流，那么只能使用真正有效的仪器。常见的模拟或数字电流或V表并非真正的有效仪器，但是一般的测量仪(有效校准设备)。换而言之，正是全波整流的DC仪器才标有到度，可在纯正弦波上精确到有效的O.707值。在谐波典型的失真波形上，这种仪器读不出曲线下部地区的精确值，其读数结果会误差50％左右。
换而言之，在这样的仪器上，20A的有效电流可能会被读做10A左右的值。这样会令使用者误以为：电路没有严重载荷。电压波形上会发生同样的问题，使用者会误以为：AC线电压太低，需要提高，当然包括电压和电流的计算，这种情况也有弄错的时候。　　
常见SMPS和线性电源上的倾斜影响　　
研究CBEMA曲线的另一种方式是确认在丫轴上和8.33毫秒点左边区域100％线以下的面积，把它作为缺少优质能量储备的地区。在常见的SMPS输入中，过滤电容器发生了作用。在设计良好的SMPS单元中，这是相对较大的电容器，来自全波桥式整流器，直接穿过AC线输入。
这个电容器已充满了电，几乎达到AC线的高峰线路电压(169伏直流电，在120伏交流电线上)，并能储存大量电能(Q＝CE)，可在电源中通过提取，比在SMPS中用逻辑电压固定电路更优越些。因此，这就象个飞轮,一旦发动机启动，机器就会一直运转下去。
但是,劣质的SMPS电源或良于的但却过分承载的电源都容易缺少存储能量，在主输入电容器上，一旦AC线电压下降就必须为倾斜现象的持续提供再充电电流。在SMPS中，该点被描述为：当用于SMPS输出的全波整流器上时，高峰AC或者小于那个半环上的电流的电压电平。
因为线性AC—DC电源操作来自输入下降变压器上的低压状态下的所有过滤电容器。
电容器所充的电压与线性电压调整器持续工作所充的电压两者差别不大。人们把这个差别称为“空间”。这两种设计之间没有什么对比——所以这场竞赛持续了下来，且SMPS成了赢家。　　
由于Q＝CE，所以对于同样尺寸的电容器来说，120伏AC线在17幅峰电压时的有效存储能量的总量要比25伏AC辅助变压器40高峰电压时的存储能量大得多。而且，想一下，除了在240伏AC输入时能可以操做之外，和120伏AC输入单元相同的SMPS中又能储存多少能量呢?
再说地SMPS中，电容器还直接连在整流器的输入上！有了线性设计，二者就没有区别了，因为降压变压器的辅助电压也不会改变，只有基础电压会变；因此结果就是空间没有改变。　　
在模拟电源的DC输入和同样输出比率的SMPS上。线性电压倾斜与SMPS的联系甚少，对比一下它们相同的电源输出比率和线性AC—DC电源即可明了。数码差异与输出比率相同的线性电源相比，性能更好，价格更低，音量更小，SMPS重量更轻。只有当线性电源与其所支持的商品相比，供应不足，成本更高，体积和重量都变大时，才能与它们相竞争！　　
多数AC电源研究(IBM、Bell等)己确认了AC线电压倾斜现象，这己不足为怪，而且电子、计算机使用者根据经验都把它作为最平常的电源质量问题。尽管忽略了如倾斜现象这样的AC线电源问题之后，人们都认为SMPS数码电器要比模拟电器好，但是仍有一点点倾斜现象会导致性能故障。　　
常见SMPS与线性电源的膨胀效果　　
膨胀是向SMPS输入时产生的，其结果可预见为：它尽全力结全波整流器充实电后，再给输入能量储存电容器充电。在普通的SMPS中，这是个相当大的数目,所以这个努力并不象看上去的那么容易。此处包含一个RLC连续时间，它不仅包括电容器，还包括膨胀到达的整个上流有线系统的电抗和电阻。
所以，很难充满电容器；相反，它只是引入现有的、并把它储存以备后用。如果这能产生比线性高峰更高的电压，那么电容器就不会简单地在下一个半圈上接受任何新电荷，直到一些SMPS插入载荷之后的半圈已经把电容器的电压消耗到低于AC线高峰电压以下之后才开始接收新电荷。　　
SMPS电源的变压器是高频(一般为几万赫)开关电路，涉及到关闭与饱和设备的交替，其能量来自主输入能量存储电容器。辅助变压转换器是全波整流，用于给辅助能量存储电容器在接近连接载荷使用的电压处充电。通过脉冲宽规定的变压器(控制其工作循环)，我们可以在这个电容器上控制充电电平。　　
即使主输入能量存储电容器在穿过终端时可能有大量电压变化，最终在变压器服务的辅助能量存储电容器上也会得到一个稳定的电压G注意／不论何时穿过辅助能量存储电容器，出现电压太大时，变压器都会’被脉冲宽带规定电路临时切断。这就是在SMPS的某些部位设置了自动保护措施，避免输入线到达载荷而产生超压干扰，效果很好。　　
使用线性电源时，膨胀会使输入转换器的低压辅助主能量存储电容器充电过多，而由它供电的线性电压调节器电路又不能承受过量电压，所以就会对服务载荷失去调节功能，结果电源输出的DC电压太多，不能扰乱或破坏相连的载荷。另外一点，调节电路本身会受损。DC电平消弧电路有时是唯一能保护它避免出现这类问题的方法，但这不是—个好方法，特别是它不会自动调节，而需要由电磁干扰来触发。　　
其它影响　　
因为几乎各种脉冲和震荡现象包含的频率元件都比经常出现的倾斜或膨胀的频率高，所以它们可以影响由EMI效果而产生的附加电源。　　
经常出现的问题均涉及到AC线已扩展的电子干扰，一般包括提供不需要的输出、输入(和与之相连的较高的电平电路)藕合电源设计。当涉及高达几万或几千赫的频率，而少量散逸电抗又能形成重要电路间的藕合时，上述情况尤为真实。电源内的一般问题涉及的是安装点，与e-field相反，因为电流相对较高，电路阻抗和电压又相对较低，这样，多数问题都涉及散射磁场及有线装置和PC板扫描点的路线等方面。　　
关于EMI抗扰度问题，SMPS的成功经验已广为人知，因为在其电路中它就是丰富的EMI发电机。这样，SMPS必须据EMl和电磁兼容点进行良好设计，否则，它不会起作用，或者对它正在使用的电器设备产生干扰，使它免于自己中毒，具有抗外用EMI的理想效果，如在与之相连的AC电源线上。这种情况与常见的线性电源不一样，常见的线性电源本身是很安静的，通常不是按EMI抗点来设计的。　　
现举例来说明。经常是：某项电路设备内拥有线性电源，而它同时又受到AC线EMl问题的影响，所以把与载荷兼容的一可切断电源(UPS)置于载荷和受损AC线之间。这种变化一般是能够解决问题的，但它又是怎样解决的呢? 　　
其实很简单。就是在“受害”电路中把SMPS放在AG电线和线性电源之间。而且除了UPS之外，AC电源UPS和电器中的电器中的SMPS之间真正差异是高电源，而没有整流过的变压器输出给载荷提供的是60HZ电源而非DC电源。UPS电池和SMPS主输入能量存储电容器之间的相同之处显而易见，此处不再赘述。

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[资讯] 音响、录像的电源质量与接地问题（一）

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