Síťový filtr F4SX pro audio

Dozvíte se, proč je dnes kvalitní síťový filtr pro audio nutností, proč používáme nejmodernější nanokrystalické materiály, jaký má pasivní síťový filtr přínos pro audio a další zajímavosti.

Špetka fyziky na úvod

19. století přineslo smršť objevů a vynálezů na principu elektřiny. Ještě než Nikola Tesla vynalezl elektromotor a Graham Bell telefon, popsal v roce 1831 Michael Faraday elektromagnetickou indukci a položil tak základ celému elektrotechnickému oboru. Vlivem protékajícího proudu vodičem se kolem něj vytvoří magnetické pole. Tento jev nazýváme elektromagnetická indukce.

Permeabilita

Magnetické pole lze přenést magneticky vodivými materiály. Permeabilita je jakási materiálová konstanta, jejíž hodnota závisí také na dalších parametrech, např. na velikosti působícího magnetického pole, na frekvenci, hysterezi a dalších parametrech. Podle permeability dělíme materiály na paramagnetické a feromagnetické, kde μr je mnohonásobně vyšší než 1. Honba za co nejdokonaleji magneticky vodivým materiálem začala. Bylo zjištěno, že mnohonásobně větší permeabilitu než železo nebo ocel mají nejrůznější slitiny.

Permalloy

yl vynalezen v roce 1914 fyzikem Gustavem Elmenem v Bell Telephone Laboratories. Je to slitina asi 80 % niklu a 20 % železa. Permalloy běžně dosahuje 100x vyšší permeability ve srovnání s železem nebo ocelí. Supermalloy byl vynalezen v roce 1948 a je tvořen 79 % Ni, 16 % Fe a 5 % Mo.

Současnost

Dnes za použití komplexních simulací a díky rozvoji materiálového inženýrství a dokonalejším výrobním postupům, byly objeveny nanokrystalické materiály. Jsou známy tisíce slitin s nejrůznějšími specifickými vlastnostmi. Dnešní sortiment magneticky vodivých jader je obrovský. Jak to ale v životě bývá, absolutní ideál pro veškeré použití neexistuje. Je potřeba najít a otestovat vyhovující materiál, který zvládne požadovanou intenzitu magnetického pole, bude účinný na požadovaných frekvencích a bude cenově dostupný.

Síťový filtr F4SX

Chytře kombinuje celkem 4 filtrační sekce, které jsou navrženy pro filtraci symetrického i asymetrického rušení v širokém frekvenčním spektru. Filtr obsahuje také přepěťovou ochranu proti vysoce energetickým pulsům SURGE (blesk) a rychlým vysokofrekvenčním pulsům BURST. Detailní složení filtru neprozradíme, ale seznámíme vás s tím, jak filtr funguje. 🙂

Pasivní nebo aktivní filtrace?

Na začátek uvedu, že v audio oboru často používané slovní spojení „aktivní filtr“ je velmi zavádějící. Jedná se totiž o spínaný zdroj, který síťové napětí nejprve usměrní a potom ze stejnosměrného napětí pomocí pulsně-šířkové modulace sestaví sinusovku novou. Modulační frekvence se pohybuje na 20–40 kHz, kde na každé hraně pulsu vznikne velmi velké množství dalších harmonických frekvencí. Za touto „aktivní“ částí musí nutně následovat část pasivní, která alespoň částečně utlumí a odfiltruje špičky vznikající na ostrých hranách spínacích tranzistorů. 

Pasivní filtrace

Pasivní filtrace pevně stojí na ověřených elektrotechnických principech. Ve zkratce řečeno, zapojení je celá řada, každé má své výhody i nevýhody a skládá se ze základních součástek. Každá součástka má svou kvalitu, účinnost, ideální pracovní oblast, ale také své parazitní vlastnosti, které při výrobě umíme minimalizovat jen částečně. Stručně uvedu základní stavební kameny pasivních filtrů.

Tlumivka (indukčnost) – akumuluje energii ve svém magnetickém obvodu pomocí elektromagnetické indukce. Její parazitní vlastnost je vnitřní odpor a vlivem protékajícího proudu oteplení. Čím silnějším drátem bude tlumivka navinuta, tím bude rozměrnější, dražší, ale bude mít menší vnitřní odpor.

Kompenzovaná tlumivka – dvě indukčnosti na společném magnetickém obvodu. Je-li magnetický obvod vhodně navržen, odečítají se v něm od sebe vysokofrekvenční špičky symetrického rušení.

Kondenzátor (kapacita) – pomocí své kapacity (dielekrika) akumuluje elektrickou energii. Každý skutečný kondenzátor také vykazuje parazitní vlastnosti jako je indukčnost a odpor.

Skládáním základních součástek lze sestavit zapojení pracující na určité frekvenci. Například integrační, derivační článek, LC rezonanční obvod a další. Vhodnými kombinacemi základních součástek lze využít i některé jejich parazitní vlastnosti.

Šíření rušení v rozvodné síti

Rozvodná síť je společná pro všechny v daném napájecím okruhu. Zaruší-li někdo síť u sebe doma, zaruší ji pro všechny v napájecím okruhu celé trafostanice. Rušení všech spotřebičů se sčítají. Nejvíce negativní přínos mají všudypřítomné spínací zdroje, měniče, střídače, zářivky, které krom vysokofrekvenčního rušení také deformují tvar sinusové křivky (harmonické zkreslení proudu, THD). Aniž bych zacházel do detailů, trend zvyšujícího se rušení v rozvodné síti je zcela jasný. Každý spotřebič, který způsobuje rušení, by měl obsahovat účinný filtr, který jeho unikající rušení eliminuje natolik, aby neomezoval zařízení druhé. Limity povoleného rušení spotřebičů definují normy EMC, bohužel v praxi je rušení v síti mnohem více, než EMC normy připouští.

Proč síťové rušení ovlivňuje kvalitu audia?

Jednoduše, protože máme velmi citlivý sluch s rozsahem až 1:10^-12, tedy 12 řádů, což je jedna ku bilionu. Dále je podstatná schopnost vysokofrekvenčních složek rušení proniknout zdrojovou částí zařízení až na část analogovou. Čím větší rušení v síti, tím menší odstup signál/šum u toho, co slyšíme.

Parazitní vysokofrekvenční rušení se vyskytuje na mnohem vyšších frekvencích a z této své podstaty se chová úplně jinak, než napětí o síťovém kmitočtu 50 Hz. Součástky a zapojení navržené pro síťovou frekvenci se na vysokých kmitočtech chovají zcela odlišně. Na vysokých kmitočtech se mnohem více uplatňuje vzájemná kapacita a indukčnost mezi vodiči nebo plošnými spoji, velmi důležité je stínění. Ve filtrech je potom zásadní použití materiálů a součástek navržených právě pro tu či onu oblast vysokých frekvencí. 

Vysokofrekvenční rušení se v síti vyskytuje řádově v milivoltech a je namodulováno na střídavém napětí 230 V/50 Hz. Není nebezpečné svou velikostí (kromě krátkodobých přepětí SURGE/BURST), ale nebezpečné je hlavně svým charakterem, díky kterému velmi jednoduše může ovlivnit užitečný signál. A tomu se my audiofilové snažíme ze všech sil vyhnout. 

Měření rušení v napájecí síti

Nutno podotknout, že rušení se mění v čase podle množství a intenzity zdrojů rušení, lokality, kvality zemnění, impedance zemnění i impedance napájecí sítě. Zjednodušeně měříme v daném okamžiku, ve vašem okolí, na stejném napájecím okruhu a záleží kolik je připojených zdrojů rušení a jak moc ruší.

EMI Line Meter

Je jednoduché nekalibrované měřidlo, které však plně vyhovuje pro domácí použití. Měří ve frekvenční oblasti 10 kHz až 10 MHz. Na displeji ukazuje míru vysokofrekvenčního rušení v milivoltech, efektivní hodnotu síťového napětí ve voltech a také má sluchátko, ve kterém je síťové rušení slyšet. 

Osciloskop

Měří hodnotu napětí v čase. Na osciloskopu může být patrná deformace sinusové křivky, jako na videu níže, ta ale není pro kvalitu audia zásadní. Deformace je způsobena především spínanými zdroji, které odebírají proud pouze na vrcholu sinusové křivky a nazýváme ji jako vyšší harmonické proudu, více se lze dočíst zde. Deformace sinusové křivky pro audio není až tak podstatná. Mnohem důležitější jsou takové drobné chloupky převážně na vrcholech sinusovky. To jsou ony parazitní vysoké frekvence, které nás nejvíce zajímají.

Lépe vybavené osciloskopy umožňují dopočítání frekvenčního spektra pomocí matematické funkce Fourierovy transformace (FFT), kde je deformace díky nerovnoměrnému odběru proudu (pouze na vrcholech sinusové křivky) patrná. První vrchol je na 50 Hz a ten by měl být správně jediný. Další vrcholy ve frekvenčním spektru jsou právě ty vyšší harmonické složky, které nechceme. Jejich porovnáním a výpočtem můžeme zjistit celkové zkreslení THD.

Na videu níže je v reálném čase zachycen detail spodního vrcholu sinusové křivky rozvodné sítě. Podstatné jsou právě ty zubaté chloupky, kdybychom graf zvětšili ještě více, na těchto chloupcích budou další chloupky, atd. Toto uvidíme dále u měření spektrálním analyzátorem.

Na výstupu filtru F4SX vidíte zcela potlačené vysoké frekvence. Energie vysokofrekvenčního rušení je rozprostřena na mnohem větší časové základně. S takovýmto zaobleným průběhem napětí si zdrojové části audio komponentů bez problému poradí. Průběh níže je bez zatížení, při zátěži (protékajícímu proudu) se průběh mnohem více vyhladí.

Spektrální analyzátor

Je speciálně zkonstruován pro analýzu frekvenčního spektra, pro domácí použití je velmi drahý a svou citlivostí náchylný ke zničení při neodborném zapojení. Na ose X je zobrazena frekvence a na ose Y energie pro konkrétní frekvenci. Ve spodní části vidíte frekvenční spektrum a jeho okamžitou hodnotu v čase, v horní části ubíhá spektrogram, který zaznamenává průměr všech naměřených hodnot. 

Na videu je pomocí spektrálního analyzátoru znázorněno síťové rušení. Po prvních třech sekundách je analyzováno výstupní napětí audio filtru F4SX. Všimněte si výrazného poklesu rušení. Po padesáti sekundách videa je spektrální analyzátor přepojen opět do sítě. Všimněte si výrazného nárůstu rušení.

Závěrem

Síťový filtr F4SX je speciálně navržen pro napájení audio komponentů. Výrazně potlačuje síťové rušení a přispívá tak k většímu odstupu signál/šum, zpřesní se dynamika i mikrodynamika nahrávek, zdůrazní se prostorovost nahrávek. Navštivte naše poslechové studio a sami se přesvědčte…