Audiotehnika_tema_10

AUDIO SISTEMI- Tema 10

275

10. POVEZIVANJE I NAPAJANJE AUDIO UREĐAJA 10.1 Uvod Svaki audio sistem se sastoji od izvesnog broja uređaja koji su međusobno povezani provodnicima. Zbog toga se na svakom spoju dva uređaja u audio sistemu pojavljuje kolo kakvo je prikazano na slici 10.1. Uređaj koji u tom spoju predstavlja izvor signala modeluje se generatorom elektromotorne sile i izlaznom otpornošću, a uređaj koji ima funkciju prijemnika signala predstavljen je svojom ulaznom otpornošću. Audio signal koji se prenosi dalje pojavljuje se kao napon na ulaznoj otpornosti (vul).

e Rg Rp vul

Slika 10.1 - Osnovna šema veze dva uređaja u audio sistemu.

Audio uređaji se međusobno povezuju kablovima u kojima se nalaze spojni provodnici nezanemarljivih električnih karakteristika. Svaki par provodnika kojim se ostvaruje veza ima svoju otpornost, induktivnost i međusobnu kapacitivnost. Svi električni parametri kabla kojim su uređaji vezani postaju pasivni dodaci kola sa slike 10.1. Vrednosti ovih dodatnih elemenata kola zavise od fizičke konstrukcije kabla, materijala od kojih su napravljeni provodnici i izolator, kao i njegove ukupne dužine. Dužina spojnih kablova zavisi od fizičkog rastojanja uređaja u prostoru i u praksi može biti u rasponu od nekoliko desetina santimetara (veza uređaja koji stoje neposredno jedan pored drugoga) do reda stotina metara. Na sve provodnike u spojnim kablovima između uređaja deluju spoljašnja električna i magnetska polja koja nastaju raznim uticajima iz okruženja. Gotovo sva savremena tehnička sredstva koja rade na struju generišu nekakva zračenja u svojoj okolini. Parazitska polja koja ovako nastaju u provodnicima spojnih kablova audio sistema indukuju generatore elektromotorne sile smetnji koji stvaraju signale smetnji sabrane sa korisnim audio signalom. U praksi takvi uticaji najčešće nastaju blizinom elektroenergetskih kablova kroz koje teku struje mrežnog napajanja, pa se u provodnicima kojim su vezani audio uređaji pojavljuju signali koherentni sa mrežnim naponom. Uticaj mrežnog napona kao parazitskog signala koji se sabira sa korisnim audio signalom nastaje i kroz proces preslikavanja mrežnog talasnog oblika na vrednost potencijala tačke označene kao masa, odnosno tačke koja treba da bude na 0 V. Putevi takvog preslikavanja su relativno specifični i zavise od načina povezivanja.


276

Uticaj kablova u audio sistemima, generalno posmatrano, nije

zanemarljiv, ali postoje okolnosti kada uloga kablova skoro da postaje najznačajnija tema. Takav slučaj je u okolnostima kada rastojanja između pojedinih uređaja u sistemu iz nekih razloga moraju biti relaivno velika. Problem velikih rastojanja se javlja u audio sistemima za ozvučavanje koncerata, u pozorišnim salama, i uopšte, u salama svih vrsta gde se primenjuje ozvučavanje.

Na primer, na koncertima koji se održavaju u halama ili na otvorenom prostoru trasa kojom prolaze kablovi između bine i mesta odakle se upravlja sistemom za ozvučavanje može biti digačka 100 m, pa i duža. U pozorišnim salama kablovske instalacije za mikrofone između bine i audio režije, koja je po pravilu u njenom zadnjem delu, ne mogu ići najkraćim putem već prolaze geomtrijski složenim obilaznim trasama, kakve su u datim okolnostima na raspolaganju. Zbog toga ukupne dužine audio instalacija mogu biti znatno veće od neposrednog rastojanja bine i režije. Čak i u prostorijama normalnih dimenzija, kakvi su na primer studijski prostori, fizička rastojanja koja savladavaju provodnici mogu biti relativno velika jer moraju poštovati zakone estetike, zbog čega se uobičajeno vode obilazno, po ivicama prostorije.

U koncertnim aplikacijama audio sistema ili pri prenosima reportažnim kolima veza između mikrofona i miksete ostvaruje se preko takozvanih ″motalica″. To su višeparični kablovi namotani na poseban bubanj sa koga se pri povezivanju odmotava potrebna dužina. Zbog toga signal iz mikrofona uvek prolazi kroz čitavu dužinu namotanog kabla, bez obzira na realna postojeća rastojanja. Uobičajena dužina kablova na motalici je 80-100 m, pa se svi signali sa bine uvek provode kroz toliku dužnu provodnika.

Smetnje iz elektroenergetske mreže ne potiču isključivo od napona napajanja, već i od raznih oblika parazitskih napona koji se pojavljuju na kontaktima mrežnih priključnica 220 V. Ovaj oblik smetnji na mrežnim priključcima može se pojaviti na dva načina: kao posledica raznih spoljašnjih polja koja iz okoline deluju na sve provodnike, pa i na one u elektroenergetskim instalacijama kojima se uređaji napajaju, a mogu poticati i od raznih drugih elektronskih uređaja koji preko svog mrežnih priključka za napajanje vraćaju smetnje složenog spektralnog sadržaja u energetsku mrežu. U stepenima za napajanje audio uređaja, odnosno u njihovim ispravljačima, postoje putevi kojima ove smetnje mogu uticati na režim rada pojačavačkih kola i tako se preslikati u audio signal. Prema tome, u praksi se osnovno kolo veze dva audio uređaja sa slike 10.1 proširuje sa tri kategorije parazitskih komponenti:

- pasivnim elementima koje unose provodnici kabla, - generatorima elektromotornih sila koji nastaju uticajima spoljašnjih polja na

provodnike kabla i - generatorima elektromotornih sila koja se javljaju kao posledica raznih uticaja iz

električne mreže, odnosno iz stepena za napajanje uređaja. U tom smislu, ove tri grupe uticaja su označene na slici 10.2. Zbog toga povezivanje i napajanje audio uređaja predstavlja jedinstvenu inženjersku temu. Njihovi uticaji na kvalitet signala se kroz kolo veze svaka dva međusobno povezana uređaja u praksi prepliću na složene načine. Njihova primetnost u audio signalu, a to znači pre svega na mestu slušaoca, zavisi od mnogo faktora.


277

e Rg Rp

IZVOR SIGNALA PRIJEMNIK SIGNALA

SPOJNI KABL

uticaj spoljašnjeg elektricnog i magnetnog polja

uticaj elektricnihvelicina u kablu

uticaj napona napajanja napotencijal referentnih tacaka(0 V) i uticaj smetnji iz mreže

Slika 10.2 - Šematski prikaz uticaja koji postoje u kolu spoja dva uređaja u audio sistemu.

10.2 Uticaj električnih parametara spojnih kablova Spojni kablovi u audiotehnici u najopštijem slučaju nisu vodovi u tele-komunikacionom smislu te reči, jer u njima u opštem slučaju nema manifestacije prostiranja talasa. Na najvišoj audio frekvenciji 20 kHz talasna dužina signala u žičanom provodniku je:

ms

smfv 000.15

)/1(000.20)/(000.000.300

===λ (8.1)

Prema tome, uobičajene dužine provodnika kraće su za tri reda veličine, pa i više, od najkraće talasne dužine signala u njima. Otuda u audio kablovima važi uslov da je:

λ >> l (8.2) Zbog toga kablove kojima se spajaju audio uređaji, sem u retkim slučajevima, ne treba modelovati kao vodove već ih treba posmatrati kao obične provodnike sa njihovim koncentrisanim električnim parametrima.

Prosta računica pokazuje da se na frekvenciji 20 kHz pri dužini kabla od oko 42 metra na njegovom kraju javlja fazna razlika usled kašnjenja koja je oko 1o. Na nižim frekvencijama je to srazmerno manje. Takvo male promene su za audio aplikacije zanemarljive.

Veza dva uređaja realizovana spojnim kablom može se predstaviti detaljnijom razradom šeme sa slike 10.1. Tako se dobija ekvivalentna šema prikazana na slici 10.3. Na šemi su označeni električni parametri kabla: otpornost provodnika Rk, induktivnost provodnika u kablu Lk i kapacitivnosti između provodnika Ck.


278

e Rg Rp

IZVOR SIGNALA PRIJEMNIK SIGNALA

Rk CkLk

Slika 10.3 - Ekvivalentna šema veze dva uređaja sa označenim električnim parametrima kabla. Realna vrednost parametara Rk je takva da je ona uvek mnogo manja od ulazne otpornosti prijemnika signala Rp. Zbog toga se ona u posmatranom kolu u opštem slučaju može zanemariti. Izuzetak je samo povezivanje pojačavača sa elektrodinamičkim zvučnikom, što je objašnjeno u narednom poglavlju. Svi električni parametri kabla, kao podaci, iskazuju se po jedinici dužine. U prospektima kablova za audio aplikacije mogu se naći vrednosti podužne otpornosti (Oma/m), podužne kapacitivnosti (pF/m) i podužne induktivnosti (µH/m). U realnim okolnostima podužna induktivnost je izuzetno mala, manje od 1 µH/m, pa se na audio frekvencijama pri ovakvim vrednostima uticaj induktivnosti u kablu u najvećem broju realnih sistema takođe može zanemariti. Samo u nekim okolnostima u oblasti najviših frekvencija, to jest u neposrednoj okolini gornje granice od 20 kHz, može se eventualno primetiti njen uticaj. Tako uticaj kapacitivnosti kabla ostaje jedini parametar veze dva uređaja koji realno figuriše u mnogim tačkama audio sistema i stvara primetne efekte. Prema tome, kolo veze dva audio uređaja može se svesti na šemu prikazanu na slici 10.4.

RpCk vule Rg

Slika 10.4 - Šema spoja dva audio uređaja nakon svih zanemarivanja.

Kao što se vidi na slici, parazitski kapacitet između provodnika spojnog kabla formira RC kolo. Ono ima poznatu frekvencijsku karakteristiku niskopropusnog filtra prvog reda. Granična frekvencija tog kola (-3 dB slabljenja) određena je vrednostima ukupne otpornosti u kolu i kapaciteta kabla, uz uslov da je:

ωg RC = 1 (8.3) odakle je:

RCf g π2

1= (8.4)

Jasno je da granična frekvencija RC kola koje formira kapacitivnost kabla mora da bude viša od 20 kHz. Danas gotovo svi elektronski uređaji koji se koriste u audio sistemima imaju frekvencijsku karakteristiku koja na 20 kHz ima slabljenje reda veličine 0,1 dB. U takvim okolnostima i uticaj kabla bi trebao da se približi tom redu veličine. Zato zahtev za gornjom graničnom frekvencijom RC kola kabla mora biti strožiji.


279

Ulazna otpornost uređaja je uobičajeno reda 1 kOma. Ako se želi da

granična frekvencija RC kola bude 20 kHz, onda je maksimalni dopušteni kapacitet kabla pri otpornosti u kolu 1000 Oma:

pFFRf

Cg

000.8108101022

121 9

34max =⋅≈⋅⋅

== −

ππ

Da bi se razumelo kolika je ova granična kapacitivnost, potrebno je dobijenu vrednost uporediti sa realnim vrednostima podužne kapacitivnosti audio kablova. Vrednosti kod običnih audio kablova su reda 100 pF/m. To znači da kapacitivnost od 8.000 pF ima kabl dužine 80 m. Kada se kabl te dužine upotrebi za povezivanje dva audio uređaja javlja se slabljenje 3 dB na frekvenciji 20 kHz. Treba imati u vidu da se slabljenja duž sistema akumuliraju, pa se umnožavanjem ovakvih veza u okviru jednog audio sistema može dobiti veliko slabljenje i sa više kraćih kablova. Time ceo problem kapaciteta kablova dobija na značaju. Na tržištu se mogu naći kablovi za upotrebu u audio sistemima čija je podužna kapacitivnost manja od navedenih 100 pF/m.

10.3 Povezivanje pojačavača i niskoimpedansnog zvučnika Specifičan slučaj veze dva audio uređaja javlja se pri povezivanju pojačavača snage i elektrodinamičkog zvučnika. Dva su osnovna uzroka specifičnosti ove veze:

- mala vrednost impedanse zvučnika i - reaktivna komponenta impedanse zvučnika.

Šema veze izlaza pojačavača sa zvučnikom prikazana je na slici 10.5. Vrednost nominalne impedanse danas korišćenih elektrodinamičkih zvučnika relativno je niska. Njena vrednost je standardno 4 Oma ili 8 Oma. Ranije su korišćeni i zvučnici sa većim nominalnim vrednostima impedanse, na primer 16 Oma, ali je danas to praktično napušteno. Specifičnost zvučnika kao potrošača zahteva prilagođavanje kola veze, pre svega svođenje izlazne otpornosti pojačavača na dovoljno malu vrednost.

e Rg

ZzPOJACAVAC

ZVUCNIK

Slika 10.5 - Šema veze izlaza pojačavača sa niskoimpedansnim zvučnikom.


280

Elektrodinamički zvučnici imaju kompleksnu impedansu koja je posledica postojanja induktivnosti namotaja u motoru zvučnika, preslikane reaktivne komponente akustičke impedanse zračenja i kompleksnog akustičkog uticaja kutije u koju je zvučnik ugrađen. U tom pogledu se ova veza razlikuje od međusobne veze ostalih audio uređaja, kod kojih su izlazne i ulazne impedanse, po pravilu, čisto termogene. Impedansa zvučnika samo na rezonantnoj frekvenciji ima termogeni karakter (videti komenar u okviru). Ova frekvencija se nalazi na samoj donjoj granici radnog opsega elektrodinamičkog zvučnika, pa se ta okolnost generalno može zanemariti.

Nominalne vrednosti impedanse elektrodinamičkih zvučnika koji se danas koriste su 4 i 8 Oma. Međutim, vrednost impedanse zvučnika je funkcija frekvencije. Na slici je prikazan jedan tipičan oblik impedanse zvučnika. Dijagram je dobijen merenjem na jednom komercijalnom niskofrekvencijskom zvučniku.

20 100 1000 100000

10

20

30

40

50

8 Oma

impe

dans

a (O

ma)

frekvencija (Hz) Impedansa zvučnika ima vrednost koja je bliska nominalnoj u radnom opsegu frekvencija iznad njegove rezonance, sve do granice kada postaje dominantna induktivnost kalema, zbog koje impedansa počinje monotono da raste.

Uticaj pojačavača i damping faktor Osnovni problem u koji se javlja u principima povezivanja zvučnika na poječavač proizilazi iz činjenice da on u svojoj konstrukciji sadrži elektrodinamički motor, kao što je prikazano šematizovanim presekom na slici 10.6. Kada se delovanjem signala pobudi membrana zvučnika, ona započinje kretanje. Kada pobuda prestane, stanje kretanja membrane uslovljeno je mehaničkim inercijalnim silama u njenoj konstrukciji. To znači da se u radu zvučnika javljaju stanja u kojima, po prestanku pobudnog signala, kretni sistem zvučnika teži da nastavi sa kretanjem. Kada se membrana zvučnika kreće po inerciji, bez pobudnog signala, to podrazumeva i kretanje namotaja u magnetskom polju. U provodniku namotaja se tada generiše elektromotorna sila koja prouzrokuje struju u kolu veze zvučnika i pojačavača, i koja deluje inerciono na stanje kretanja membrane. Sve to zajedno stvara jednu karakterističnu parazitsku pojavu sa aspekta rada zvučnika, jer kvari njegov impulsni odziv. Zbog toga je osnovni cilj u težnji ka idealnom odzivu


281

zvučnika da se u svakoj takvoj prilici membrana najkraćim putem vrati u svoj ravnotežni položaj.

RgY0

Slika 10.6 - Skica zvučnika u preseku.

Da bi se efekat ove parazitske elektromotorne sile minimizirao potrebno je na neki način postići da se krajevi zvučnika okolnostima kratko spajaju pri svakom prestanku pobude i tako vrši električno kočenje kretnog sistema. Za to je potrebno da izlazna otpornost pojačavača teži nuli, odnosno da bude dovoljno mala, kao što je označeno na slici 10.6. Prema tome, na odziv zvučnika kao pretvarača utiče i pojačavač iz koga se napaja. Nemoguće je napraviti pojačavač kome je izlazna otpornost jednaka nuli, ali se može učiniti da njena vrednost bude veoma mala. Da bi se ovaj uticaj pojačavača kvantifikovao uvedena je veličina koja se naziva damping faktor (DF). On predstavlja pokazatelj stanja u kolu sa slike 10.6. Damping faktor je, po definiciji, odnos modula nominalne impedanse zvučnika i izlazne otpornosti pojačavača:

g

z

RZ

DF = (8.5)

S obzirom da su nominalne vrenosti impedanse zvučnika koji se danas koriste standardizovane na dve moguće fiksne vrednosti (4 i 8 Oma) i da se pojačavači dizajniraju za rad sa unapred definisanom impedasom potrošača, damping faktor je veličina koja predstavlja karakteristiku pojačavača. Njegova vrednost je dominantno određena konstrukcijom izlaznog stepena pojačavača. U literaturi se navodi da se smatra poželjnom vrednost DF veća od 100, a mnogi pojačavači imaju ovu vrednost do 400. Postoje na tržištu i pojačavači kod kojih je ova vrednost čak do 1000 pri nominalnoj vrednosti impedanse zvučnika 8 Oma, ali se to uglavnom postiže posebnim intervencijama u povratnim spregama pojačavača. Vrednost DF je frekvencijski zavisna, i po pravilu se zbog raznih parazitskih uticaja smanjuje na najvišim audio frekvencijama. Uticaj električnih parametara kabla za vezu zvučnika U okolnostima kada je izlazna otpornost pojačavača ekstremno mala, a pri tome vrednost impedanse zvučnika kao njegovog opterećenja je svega nekoliko Oma, jasno je da električni parametri provodnika koji povezuju pojačavač sa zvučnikom, pre svega njihova otpornost, moraju uticati na stanje u kolu sa slike 10.5, a time i na proces kočenja


282

membrane. Uticaj provodnika za povezivanje zvučnika sa pojačavačem snage može se posmatrati sa tri aspekta.

1. Ako je parametar od interesa snaga koju iz pojačavača dobijaju zvučnici, onda se kablovi moraju posmatrati kao potrošači snage na kojima se javljaju izvesni gubici. 2. Ako se teži što višem kvalitetu reprodukcije, veza pojačavača i zvučnika se mora posmatrati kroz veličinu damping faktora. Tada pri određivanju realne vrednosti DF treba uzeti u obzir otpornost provodnika i sabrati ih sa izlaznom otpronošću pojačavača. 3. Ako se problem posmatra sa aspekta najfinijih karakteristika zvučne slike na granici ljudske percepcije, onda se ulazi u jednu složenu oblast eventualnog uticaja reaktivnih komponenti koje u kolo veze unose kablovi. U ozbiljnijoj inženjerskoj literaturi se tvrdi da značaj toga još uvek nije naučno utemeljen (to ostaje tema o kojoj se mnogo diskutuje, pre svega u literaturi namenjenoj audiofilima).

Promene u impulsnom odzivu zbog suviše male vrednosti damping faktora najbolje se mogu ilustrovati odgovarajućim promenama u frekvencijskom odzivu. Na donjoj slici je prikazan dijagram relativne promene frekvencijske karakteristike jednog zvučnika kada se veštački pokvari vrednost DF pomoću na red vezanog otpornika tako da vrednost DF postane samo 0.2. Ovo je svakako veoma drastičan sličaj degradacije DF, ali zato dobro ilustruje prirodu uticaja pojačavača na odziv zvučnika.

50 100 1000 10000-5

0

5

prom

ena

u fre

kven

cijs

koj k

arak

teris

tici (

dB)

frekvencija (Hz) U dizajniranju velikih sistema za ozvučavanje obavezno je sagledavanje otpornosti kablova kao dodatnih potrošača snage u kolu, jer snaga koja se disipira na njima može biti nezanemarljiva. Njihova uloga se može videti na slici 10.7. Očigledno je da se snaga troši na zagrevanje provodnika za vezu, samo je pitanje praga dopuštenih gubitaka. Snaga gubitaka na provodnicima, izražena u decibelima, relativno u odnosu na ukupnu snagu, je:


283

zk

zk RR

RP+

=∆ log20 (8.6)

U sistemima za ozvučavanje često se postavlja kao uslov da gubici na kablovima kojim se povezuju zvučnici, definisani gornjim izrazom, ne prelaze 1 dB. Odatle se može izračunati da za zvučnike nominalne impedanse 8 Oma otpornost kablova mora biti manja od 0,1 Om. Naravno da postoje okolnosti kada se na kablovima mora prihvatiti i veći gubitak od 1 dB da bi presek provodnika koji se koriste ostao u razumnim okvirima poprečnog preseka.

e

Rk /2

Rz

Rk /2

Slika 10.7 - Kolo zvučnika sa označenim potrošačima snage.

Sa šeme prikazane na slici 10.5 vidi se činjenica da se sa aspekta rada zvučnika otpornost kablova sabira sa izlaznom otpornošću pojačavača. Zbog toga kablovi utiču na efektivnu vrednost DF koja se manifestuje u kolu. S obzirom na ekstremno male vrednosti izlaznih otpornosti kvalitetnih pojačavača snage, kakvi se koriste u audio sistemima, može se reći da praktično svaki provodnik utiće na smanjenje teorijske vrednosti damping faktora pojačavača utvrđene izrazom (8.5).

Na primer, kada je vrednost damping faktora pojačavača koji napaja zvučnik impedanse 8 Oma deklarisana vrednošću 200, njegova izlazna otpornost je samo 0,04 Oma. Pri dužini od oko 10 m i provodnici veoma velikog preseka mogu imati otpornost reda veličine 0,1 Om. To znači da će u takvom slučaju realnu vrednost damping faktora određivati isključivo kabl, bez obzira na performanse pojačavača.

10.4 Povezivanje zvučničkih sistema visoke impedanse Postoje okolnosti kada je potrebno na jedan pojačavač povezati veći broj zvučnika postavljenih na relativno velikim rastojanjima. Takva okolnost se javlja u audio sistemima za oyvu;avanje po stanicama, u robnim kućama, aerodromskim zgradama i u drugim sličnim objektima. Njihova osnovna namena je emitovanje govornih poruka, eventualno ambijentalne muzike. Tehnička rešenja u takvim okolnostima nameću primenu većeg broja manjih zvučnika distribuiranih na odgovarajući način po prostoru. Korišćenje standardne veze niskoimpedansnih zvučnika u takvim okolnostima imalo bi dva problema. Prvi je način na koji bi se kombinovala međusobna veza zvučnika da bi se povezali na jedan pojačavač. U bilo kom slučaju vezivanja više zvučnika na isti pojačavač nominalna vrednost impedanse (4 ili 8 Oma) mora biti očuvana, pa se mora pribeći relativno složenim kombinacijama njihovih rednih i paralelnih veza. Drugi problem proizilazi iz neminovnih dugačkih žičanih veza koje zahtevaju velike preseke provodnika.


284

To utiče na poskupljenje čitavog sistema, na probleme fizičkog provlačenja kablova kroz instalacione trase i, najzad, na gubitke u digačkim provodnicima gde bi se trošio nezanemarljiv deo snage. Rešenje ovoga problema nađeno je u drugačijem principu povezivanja, u kome se koriste zvučnici koji prema pojačavaču pokazuju visoku vrednost impedanse. Istovremeno, pojačavač snage se adaptira tako da na izlazu daje relativno visoke naponske nivoe izlaznog signala. Vremenom je u ovakvom sistemu povezivanja postignuta standardizacija, pa se pri nominalnoj (što znači maksimalnoj) snazi svih pojačavača na njihovim izlazima ostvaruje izlazni napon 100 V. Zbog toga se vremenom u praksi za ovakvo rešenje vezivanja zvučnika oustalio naziv ″stovoltni sistem″, odnosno ″stovoltni zvučnici″ (u Americi je usvojen standard sa naponom 70 V). Način vezivanja zvučnika sa visokom impedansom prikazan je jednom ilustracijom na slici 10.8. Da bi, na primer, zvučnik čija je nominalna snaga 10 W pri naponu iz pojačavača 100 V dobio tu snagu potrebno je da prema pojačavaču pokazuje otpornost 1000 Oma. Ako je njegova nominalna otpornost 8 Oma, potrebno je primeniti transformator za prilagođenje impedanse sa prenosnim odnosom 125:1, kao što je označeno na slici 10.8. Primenom takvog transformatora prema pojačavaču se ostvaruje prelazak sa niske impedanse zvučnika na impedansu koja odgovara nominalnoj snazi zvučnika. Da bi pojačavač na svom izlazu ostvario traženi napon njemu se na izlazu dodaje odgovarajući izlazni transformator. Prenosnim odnosom tog tranformatora treba podesiti da izlazni napon pri maksimalnoj snazi pojačavača bude 100 V.

10 W8 Oma1000 Oma

125 : 1

Slika 10.8 - Objašnjenje povezivanja zvučnika preko transformatora impedanse

Takozvano ″stovoltno″ povezivanje zvučnika u sistem šematski je prikazan na slici 10.9. Visoka vrednost impedanse zvučnika, prilagođena njegovoj snazi koju treba da dobija iz pojačavača pri nominalnom naponu, uslovljava da se svi zvučnici međusobno vezuju u paralelu, bez obzira koliko ih ima. Jedini uslov je da zbir snaga svih povezanih zvučnika bude manji od maksimalne snage pojačavača (u praksi treba uzimati u obzir i izvesne gubitke koji postoje na transformatorima i kablovima, tako da zbir niminalnih snaga zvučnika treba da bude malo manji). Postoje dve bitne prednosti ovakvog načina vezivanja zvučnika u okolnostima kada se na jedan pojačavač povezuje veći broj zvučnika postavljenih u širem prostoru. Prvo, ne postoj zahtev očuvanja nominalne vrednosti impedanse grupe zvučnika prema pojačavaču, odnosno osmišljavanja i formiranja složenih redno-paralelnih veza među njima. Kod takvih složenih veza nikakvo naknadno dodavanje zvučnika nije moguće bez reorganizacije čitavog sistema i pronalaženja nove kombinacije redno-paralelnih veza koja će sa dodatim zvučnikom zadovoljiti nominalnu vrednost impedanse. U sistemu sa visokom impedansom svi zvučnici se vezuju u paralelu, čime se izvođenje zvučničkih instalacija veoma pojednostavljuje. Drugo, napajanje zvučnika sa višim naponom pri istim snagama podrazumeva manje vrednosti struje u provodnicima, a time i manju disipaciju snage u njima. Tako otpornosti provodnika postaju zanemarljive u odnosu na vrednosti preslikanih otpornosti zvučnika na transformatorima (u pokazanom primeru se vidi da zvučnik od 10 W prema pojačavaču pokazuje otpornost čak 1000 Oma). Zanemarljivost gubitaka omogućava da


285

se primene mnogo duži kablovi za vezu, a takođe da se koriste tanji provodnici koji su, samim tim, i jeftiniji.

POJACAVAC SNAGE

Slika 10.9 - Princip povezivanja zvučnika u

sistemu sa visokom impedansom.

Nedostatak u sistemima visoke impedanse leži upravo u primeni transformatora kao načina da se ostvari adekvatno prilagođenje impedanse pojačavača i grupe zvučnika. Iako je danas tehnologija izrade transformatora za audio primene omogućila relativno visok nivo performansi, činjenica je da su oni u audio sistemima i dalje kritični elementi. Dva su razloga za to: gubici koji se neminovno javljaju u transformatoru i nelinearnosti njegove prenosne karakteristike koja je uvek veća nego u ostalim komponentama audio sistema. Zbog toga se povezivanje pojačavača i zvučnika u sistemu stovoltnih veza koristi samo u okolnostima kada se ne zahteva najviši mogući kvalitet. To su upravo razni audio sistemi za obaveštavanje, gde su dugačke linije do zvučnika neminovne, a gde je dobitak koji donose dobre osobine stovoltnog povezivanja mnogo značajniji od izvesnog gubitka u kvalitetu reprodukcije zvuka. 10.5 Asimetrična i simetrična veza uređaja Osnovni način vezivanja uređaja, poput onoga sa slike 10.1, naziva se asimetrična veza. Princip ove veze je prikazan na slici 10.10. Jedan od dva provodnika kojim se spajaju izvor signala i prijemnik povezan je na masu, odnosno jedan kraj izvora signala i jedan kraj ulaza prijemnika povezani su sa tačkom nultog potencijala. Ulazni audio signal se tada pojavljuje kao napon između ulaza prijemnika i mase. Od dva kontakta na ulaznim i izlaznim priključicma uređaja na jednom se javlja napon signala (takozvani ″živi kraj″) a drugi je povezan sa masom. Ovaj način vezivanja uobičajen je u audio uređajima za kućnu upotrebu. Takođe se koristi i na raznim električnim instrumentima (električne gitare, klavijature i slično) i odgovarajućim pojačavačima za njih. Može se reći da je to način vezivanja koji se promenjuje u okolnostima kada su uređaji na bliskim rastojanjima i kablovi za vezu imaju malu dužinu. Zato se asimetrični ulazi i izlazi koriste na uređajima za koje se predpostavlja da će raditi u takvim okolnostima.


286

eRg

Rp vul

ulaz

masamasa

izlaz

Slika 8.10 - Princip asimetrične veze dva uređaja. Na slici 10.11 šematski je prikazan princip simetrične veze. Ona se ostvaruje tako što se u izlazu izvora signala formiraju dva protivfazna generatora elektromotorne sile, svaki sa polovinom veličine signala (e/2). Na simetričnom izlazu se tako pojavljuju dva audio signala, uobičajeno označavana kao ″+ izlaz″ i ″- izlaz″. Oba napona su definisana u odnosu na nulti potencijal mase koja je zajednička u čitavom audio sistemu. Zbog toga se u kablu za vezu može izostaviti provodnik koji se vezuje na masu, pa je Između uređaja dovoljno voditi samo dva signalna provodnika.

vul

e2

e2

Rp 2

Rp 2

Rg 2

Rg 2

+

+

+ ulaz+ izlaz

− izlaz − ulaz

Slika 8.11 - Princip simetrične veze dva uređaja. Na ulazu prijemnika u simetričnoj vezi pojavljuju se dva protivfazna audio signala, uobičajeno označavana kao ″+ ulaz″ i ″- ulaz″. Da bi se dobio koristan signal u punoj veličini potrebno je da u prijemniku postoji kolo za desimetrizaciju, što se u praksi nazva "simetrični ulaz". On mora principijelno da izgledati kao što je to nacrtano na šemi sa slike 10.11. Centralna tačka ulazne otpornosti prijemnika vezuje se za masu, tako da je ulazni napon signala jednak zbiru dva signala sa ulaza. Osnovni razog korišćenja simetrične veze dva audio uređaja je zaštita od smetnji koje bi mogle da se pojave u kablu. Pod uticajem spoljašnjih polja u provodnicima kabla pojavljuju se elektromotorne sile smetnji, kao što je prikazano šematski na slici 10.12. S obzirom da se dva provodnika u kablu prostorno nalaze neposredno jedan pored drugoga, može se smatrati da su elektromotorne sile smetnji koje se u njima indukuju međusobno jednake. Zbog toga se naponi, koje će ovi generatori stvarati u ulaznom kolu prijemnika, poništavaju jer su suprotnog smera. Tako je rezultantni ulazni napon smetnje na prijemniku nula. Uspešan ishod poništavanja smetnji simetričnom vezom dominantno zavisi od podešenosti simetrije ulaznog kola prijemnika. Sa šeme na slici 10.11 jasno je da svaka


287

nejednakost između gornjeg i donjeg dela ulazne otpornosti činiće da poništavanje napona koje stvaraju struje iz ″+″ i ″-″ grane ne bude potpuno, pa će se na ulazu prijemnika ipak pojaviti neki napon smetnje. U tom smislu kvalitet izvođenja kola simetričnog ulaza ima veliki značaj.

vul

e2

e2

Rp 2

Rp 2

Rg 2

Rg 2

+

+

+

+

esm

esm

ism

ism

Slika 8.12 - Poništavanje smetnji indukovanih u provodnicima.

Simetrični ulazi i izlazi su nužni uvek kada postoji mogućnost da se uređaji povezuju kablovima veće dužine. Zbog toga svi mikrofoni standardno imaju simetrične izlaze, a miksete simetrične ulaze jer su uobičajeno mikrofonske veze u audio sistemima najduže. Bez obzira na moguće dužine kablova, svi audio uređaji za profesionalnu namenu imaju simetrične ulaze, odnosno izlaze. Protivfazni signali na simetričnom izlazu najjednostavnije se dobijaju transformatorom sa dva sekundarna namotaja, kao što je prikazano na slici 10.13. Na isti način, pomoću transformatora sa dva primarna namotaja, može se formirati simetrični ulaz uređaja. Za simetrizaciju izlaza i ulaza uređaja takođe se koriste i aktivni sklopovi sa operacionim pojačavačima. Transformatorska veza, posebno simetrični ulaz sa transformatorom, ima izvesne prednosti u odnosu na realizaciju sa aktivnim kolima. Osnovna prednost je u činjenici da se umetanjem transformatora unosi galvansko odvajanje povezanih uređaja, ali i zbog nekih pogodnosti u odnosu na pojavu smetnji, što je objašnjeno kasnije. Nažalost, transformatori vrhunskog kvaliteta koji se koriste za ovu funkciju veoma su skupi, pa se transformatorska simetrizacija ulaza i izlaza primenjuje samo u najkvalitetnijim, a to znači i skupljim audio uređajima. U nekim slučajevima to predstavlja opciju koja se može posebno zahtevati pri naručivanju uređaja.

Slika 8.13 - Realizacija simetričnog izlaza uređaja

pomoću izlaznog transformatora.


288

10.6 Zaštita uređaja od smetnji iz kablova Na slici 10.2 prikazano je da su kablovi kojim se povezuju audio uređaji, osim uticaja sopstvenih električnih parametara koje unose u kolo, značajni i zbog činjenice da se pod uticajem spoljašnjih polja u njihovim provodnicima indukuju smetnje. U svakom provodniku izloženom spoljašnjim poljima pojavljuju se ekvivalentni generatori koji u kolu veze generišu signale smetnji. Kao rezultat toga, na ulazu u prijemnik postoji mogućnost da se signal smetnje superponira u uređaju sa korisnim audio signalom i da nastavi dalje put ka izlazu audio sistema. Prirodno okruženje u kojima se koriste audio sistemi bremenito je raznim smetnjama. Jedan od najčešćih izvora smetnji u praksi su sistemi tiristorski kontrolisane rasvete. To je slučaj koji se javlja u salama i TV studijima gde postoji scena koja se osvetljava reflektorima. Kontrola rada rasvetnih tela tiristorima, koja se zasniva na principima sečenja talasnog oblika mrežnog napona, povlači za sobom pojavu brojnih harmonika koji prate osnovnu mrežnu frekvenciju 50 Hz, pa spektar struje kroz kablove za napajanje rasvetnih tela zadire značajno u audio opseg (videti teks u okviru). Dugački kablovi kojima se povezuju reflektori kada kroz njih idu napajanja tako izmenjenih talasnih oblika predstavljaju antene koje zrače smetnje čujnih frekvencija. Kada se u takvom okruženju nalaze mikrofonski kablovi kroz koje idu veoma mali signali, javljaja se potreba za intenzivnom zaštitom od smetnji. Pojavni oblici signala smetnji U zavisnosti od načina na koji spoljašnja smetnja deluje na provodnike kabla moguća su dva osnovna pojavna oblika signala smetnje na ulazu u prijemnik signala: zajednički i diferencijalni oblik signala (common mode i differential mode). Njihova priroda je ilustrovana na slici 10.14.

Rp

PRIJEMNIK SIGNALA

vsm

Rp

PRIJEMNIK SIGNALA

vsm

vsm

Slika 10.14 - Dva tipa signala smetnji: diferencijalni (levo) i zajednički (desno). Diferencijalni pojavni oblik signala smetnje, ili kratko diferencijalna smetnja, podrazumeva pojavu napona smetnje između ulaznih krajeva prijemnika. Kao rezultat toga, kroz ulaznu otpornost prijemnika teče struja smetnje i na njemu se javlja ulazni napon smetnje. Zajednički pojavni oblik smetnje, ili kratko zajednička smetnja, podrazumeva da se isti napon smetnje pojavljuje između svakog od krajeva ulaznog priključka prijemnika signala i mase. Ovakva pobuda ne stvara struju kroz ukupnu ulaznu otpornost prijemnika, ali postoje konfiguracije ulaznog kola uređaja koje sa izvesnim slabljenjem i ovakvu pobudu prenose u uređaj. Zbog toga je jedan od pokazatelja


289

kvaliteta ulaznog kola i podatak u decibelima o veličini potiskivanja diferencijalne pobude (CMRR - common mode rejection ratio). Koja će vrsta smetnje dolaziti iz kabla na ulaz nekog prijemnika zavisi od načina kako je konfigurisana veza sa izvorom signala i od vrste polja koje izaziva smetnje (električno ili magnetsko).

Tiristorska regulacija osvetljaja se vrši sečenjem talasnih oblika mrežnog napona 50 Hz. Na sonjoj slici je prikazan talasni oblik za slučaj kada je snaga rasvetnog tela podešena na 50%.

Spektralni sadržaj takvog signala je prikazan na donjoj slici. Vidi se da je on osim osnovne mrežne frekvencije 50 Hz bogat harmonicima relativno velikih amplituda. Vidi se da su na frekvencijama iznad 1.000 Hz harmonijske komponente potisnute svega 30-40 dB u odnosu na osnovni harmonik 50 Hz. Kroz kablove za napajanje reflektora teku velike struje, srazmerno njihovoj snazi, koje mogu biti reda kW, pa je i polje koje nastaje oko reflektorskih kablova značajnog nivoa.

30 100 1000 10000-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

rela

tivni

niv

o (d

B)

frekvencija (Hz) Ovakva tiristorska regulacija se često koristi i u kućnoj rasveti, mada sa značajno manjim snagama rasvetnih tela. Tiristorska regulacija rasvete se zbog ove pojave ne koristi u studijima za snimanje zvuka.

Smetnja u kolu asimetrične veze uređaja Kada se dva uređaja povežu asimetričnom vezom pomoću jednostavnih provodnika, kao što je to prikazano na slici 10.15, onda se pri dejstvu spoljašnjeg električnog polja u svakom od njih javlja ekvivalentni generator elektromotorne sile. U asimetričnoj vezi jedan od dva provodnika je na oba kraja vezan na masu, pa je indukovani generator u tom provodniku kratkospojen i ne utiče na struju u unutrašnjoj otpornosti prijemnika. Indukovani generator smetnje u drugom provodniku stvara struju smetnje kroz ulaznu otpornost, pa se, kao rezultat, u prijemniku javlja napon smetnje koji se sabira sa naponom korisnog signala.


290

eRg

Rp vul+vsm

esm1

esm2

ism1

Slika 10.15 - Jednostavna veza dva uređaja i efekat uticaja smetnji. Osetljivost na smetnje asimetrične veze osnovni je razlog zašto se audio uređaji ne mogu povezivati na način prikazan slikom 10.15. U okolnostima kada se zahteva veliki dinamički opseg signala i kada u okruženju postoje razna parazitska polja, ovakva veza bi neumitno bila uzrok značajne degradacije signala. Zbog toga je u slučaju asimetrične veze neophodna primena koaksijalnog kabla, kakav je principijelno prikazan na slici 10.16.

Slika 8.16 - Koaksijalni kabl sa jednim provodnikom u obliku provodnog oklopa i

signalnim provodnikom u centru.

Veza uređaja koaksijanim kablom podrazumeva da se oko signalnog provodnika nalazi elektrostatički oklop koji se vezuje za masu. Na taj način je signalni kabl zaštićen od uticaja spoljašnjih električnih polja. Sam provodni sloj uzemljenog oklopa predstavlja zaštitu od uticaja električnog polja, dok je zaštita od magnetskog polja mnogo manje izražena. Za tako nešto bilo bi potrebno primeniti oklop od posebnih magnetskih materijala (na primer: ″Mimetal″, ″Supermaloj″ i slično). Ovi materijali se, inače, primenjuju za izradu zaštitnih oklopa audio transformatora i sličnih komponenti. Međutim, to je neizvodljivo zbog fizičkih svojstava tih materijala, odnosno njihove krutosti koja ne omogućava savitljivost kabla. U audio sistemima se koristi više različitih vrsta kablova u kojima se mogu nalaziti oklopi različitih tehnologija izvođenja. Postoji kategorija kablova koji su nameni fiksnim instalacijama, što znači da oni ne trpe stalna savijanja tokom eksploatacije, već pri instalisanju dobiju geometrijsku formu koja ostaje konstantna. U takvim kablovima se oklop često izrađuje od aluminijumske folije koja potpuno pokriva unutrašnji provodnik. Međutim, ako je kabl namenjen upotrebi uz neki pokretni uređaj, kao što je to slučaj sa mikrofonima, električnim instrumentima i slično, neophodno je da on ima veliku fleksibilnost. U kablovima takve namene oklop se izrađuje od većeg broja upredenih tankih provodnika (″licne″) koje formiraju mrežu oko centralnog provodnika. Takvom formom se obezbeđuje neophodna savitljivost, ali mreža provodnika kojom je formiran oklop po prirodi stvari ne pokriva 100% spoljašnje površine kabla. To u nekim okolnostima može biti uzrok nedovoljne zaštite. Zbog toga u nomenklaturi karakteristika audio kablova postoji i specificiran ″procenat zaštite″, odnosno procenat pokrivenosti površine kabla oklopom. Oklop od aluminijumske folije ima taj procenat uvek 100%, a u kablovima sa mrežastom strukturom oklopa od tankih provodnika taj procenat je manji. U


291

praksi je moguće birati kablove prema tom pokazatelju, a prema njihovoj konkretoj nameni i ambijentu u kome će se koristiti i mogućoj ugroženosti smetnjama.

Jasno je da je eventualni uticaj smetnji zavistan od veličine korisnog audio signala, odnosno od značaja je njihov relativni odnos. U tom smislu najosetljiviji na spoljašnje smetnje su mikrofonski signali. Izlazni naponi mikrofona su reda milivolta pa i mikrovolta.

Jednostavna računica može ilustrovati značaj problema smetnji u mikrofonskim instalacijama. Ako je osetljivost mikrofona -60 dB re 1 V/1 Pa, onda je pri nivou zvuka 94 dB koji deluje na njega, što odgovara zvučnom pritisku 1 Pa, nivo izlaznog signala -60 dB re 1 V, što iznosi 1 mV. Međutim, nivo zvuka 94 dB je buka visokog nivoa, a isti mikrofon mora da registruje i mnogo tiše zvukove. Ako je, na primer, nivo zvuka koji deluje na mikrofon 34 dB, nivo mikrofonskog signala je tada 120 dB re 1 V, što iznosi samo 1 µV. Ovakva prosta računica pokazuje značaj kvaliteta zaštite od smetnji u mikrofonskim kablovima.

Zaštita od smetnje upredenom paricom Dalji korak u zaštiti od smetnje je uvođenje upredne parice kao načina da se formiraju provodnici u kablu. Principijelni izgled upredene parice je prikazan na slici 10.17. Ovakvo formirani provodnici su odavno u upotrebi u klasičnoj telefoniji, a postali su i standard sa kablove u računarskim režama (takozvani UTP, što je engleska skraćenica sa značenjem "neoklopljena upredena parica"). Po svojoj fizičkoj struktuti upredene parice su kompatibilne sa simetričnom vezom uređaja.

Slika 10.17 - Upredena parica.

Kada na upredenu paricu deluje spoljašnje magnetsko polje, od petlje do petlje menja se smer po elementarnim konturama provodnika, kao što je prikazano na slici 10.18. Na taj način se u kablu indukuju elektromotorne sile koje se međusobno poništavaju, odnosno

0=∫ SdB (8.7)

Kao rezultat toga, upredena parica svojom konstrukcijom ostvaruje potiskivanje uticaja magnetskih smetnji iz okoline. Zbog toga se u audio sistemima, sem u slučaju veoma kratkih veza, stanardno koriste ovakvi kablovi. Pogotovo kada se radi o signalima niskih nivoa, kao što je to slučaj sa mikrofonskim signalima. Naravno, poništavanje uticaja magnetskih smetnji nije apsolutno, jer geometrija upredenih parica kabla nije apsolutno identična, pa gornji izraz u praksi nije apsolutno jednak nuli. Ipak, za najveći broj aplikacija primena upredenih parica je dovoljna zaštita.


292

+ -

B

Slika 10.18. - Ilustracija uz objašnjenje principa poništavanja uticaja magnetskog polja na upredenu

paricu.

U izuzetno kritičnim aplikacijama koriste se mikrofonski kablovi kod kojih su oba provodnika upredene parice izvedena od dva posebna upredena provodnika. Na taj način kabl u sebi ima ukupno četiri provodnika od kojih se po dva vezuju zajedno. Dvostrukim upredanjem postiže se najveća praktično ostvarljiva zaštita.

Zbog ozbiljnosti problema zaštite od smetnji u zahtevnim audio aplikacijama standardizovana je kombinovana zaštita. Audio kablovi sadrže upredenu paricu i oklop oko nje, kao što je prikazano na slici 10.19. Vezivanjem oklopa za masu, efekat potiskivanja upredanjem se kombinuje efektom elektrostatičkog oklopa.

Slika 10.19 - Upredena parica sa oklopom (takozvani mikrofonski kabl.

Povezivanje audio uređaja u sistemima standardno podrazumeva primenu simetrične izlaze i ulaze i korišćenje oklopljenih upredenih parica (na tržištu su najčešće označeni kao ″mikrofonski kablovi″). I pored svega toga, osnovna mera zaštite od smetnji je pažljivi izbor putanja kojim će prolaziti audio kablovi da bi se postiglo maksimalno fizičko udaljavanje audio i energetskih kablova. U pozorišnim i sličnim salama uobičajeno se vrši podela tako da trase duž jedne strane sale pripada audio instalacijama, a duž druge reflektorskim instalacijama. Postoje okolnosti kada sve ovo nije dovoljno, odnosno ne pruža dovoljnu zaštitu. Tada se primenjuje dodatna mera zaštite, pa se svi kablovi vode kroz uzemljene čelične cevi. Takav način montaže je uobičajen u pozorištima. Konektori u audiotehnici Principi povezivanja audio uređaja koji su ovde prikazani uslovili su standardizaciju posebnih vrsta konektora koji se uklapaju u te osnovne principe. U tom smislu se za povezivanje kablova sa uređajima koriste dve osnovne vrste konektora: konektori za asimetričnu i za simetričnu vezu. Osnovni oblik konektora za asimetričnu vezu uređaja je konstrukcija koja se uobičajeno naziva ″činč″ konektor, ili u anglosaksonskoj literaturi označen je i kao ″RCA″ konektor. Ovaj konektor se standardno koristi na kućnim audio uređajima i ima dobro poznatu formu. Za simetrične veze ustanovljen je poseban konektor za audio aplikacije označen kao ″XLR″. On ima tri kontakta, što omogućava povezivanje dva provodnika upredene parice i oklopa. Pored toga, ovaj konektor ima i poseban sistem zabravljivanja


293

kada je spojen, čime se obezbeđuje mehanička stabilnost kontakata. Varijante izgleda ovog konektora prikazane su na slici 10.20.

Slika 10.20 - Izgled XLR konektora. S leva na desno: muški kablovski, muški panelski, ženski panelski i ženski kablovski.

10.7 Principi povezivanja na uzemljenje u audio sistemima Pojam uzemljenja u elektrotehnici podrazumeva tačku sa nultim potencijalom koja je neophodna za rad električnih i elektronskih uređaja i sistema. Principi uzemljavanja su opšti za čitave telekomunikacije, odnosno za sve oblasti koje se bave uređajima i signalima, i nisu specifičnost samo audiotehnike. Možda uzemljenje kao takvo ima veći značaj u audio sistemima nego u drugim elektronskim sistemima zbog činjenice da se zahteva ekstremno veliki dinamički opseg i što se pri tome u nekim tačkama pojavljuju veoma mali naponi signala. U sistemu napajanja audio sistema mogu se prepoznati tri vrste uzemljenja: - sistemsko uzemljenje - zaštitno uzemljenje i - tehnološko uzemljenje Smisao ove tri vrste uzemljenja ilustrovan je na slici 10.21.

uticnica uredjaj

fazanula

sistemskouzemljenje

zaštitnouzemljenje

tehnološkouzemljenje

Slika 10.21 - Ilustracija uz objašnjenje tri vrste uzemljenja. Sistemsko uzemljenje je ono kojim se postiže da jedan provodnik sa sekundara distributivnog transformatora bude na nultom potencijalu (otuda nazivi ″faza″ i ″nula″). Sistemsko uzemljenje se realizuje u trafo stanici, ili po potrebi u tački gde elektroenergetsko napajanje ulazi u zgradu. To je uvek u glavnom elektroenergetskom


294

razvodnom ormanu objekta, a na njemu se postavlja oznaka da je sistem ″nulovan″. Nulovanjem se obezbeđuje da na priključnicama po objektu potencijal nultog priključka mreže zaista bude 0 V. Prema tome, može se reći da je smisao sistemskog uzemljenja u obezbeđenju kvaliteta napajanja električnom energijom. Zaštitno uzemljenje služi za opštu zaštitu od strujnog udara osoba koje rukuju uređajima. Povezivanje uređaja na ovo uzemljenje ostvaruje se preko posebnih kontakata šuko utičnice i koji se, po standardu, nalaze sa obe njene strane. Ovo uzemljenje obezbeđuje da u slučaju nekog kvara u uređaju njegova kutija, dostupna dodiru od strane korisnika, bude na dovoljno niskom potencijalu, a u idealnom slučaju na potencijalu 0 V. Tehnološko ili tehničko uzemljenje, kako se negde naziva, ima funkciju postizanja nultog potencijala u uređajima i audio sistemu u celini. Ovo uzemljenje ima najveći značaj za audio sisteme i po pravilu se izvodi nezavisno od zaštitnog uzemljenja. Razdvajanje tehnološkog uzemljenja od ostala dva je nužno u svim okolnostima kada se zahteva kvalitetna zaštita od smetnji, jer se neke od ranije opisanih mera zaštite upravo zasnivaju na vezi sa tačkom čiji je potencijal ″stvarnih″ 0 V. Otpornosti uzemljenja Da bi neko uzemljenje pouzdano obezbeđivalo tačku čiji je potencijal 0 V u svim okolnostima, neophodno je da njegova unutrašnja otpornost bude dovoljno mala. Pod pojmom otpornosti uzemljenja u audio sistemima podrazumeva se ona vrednost otpornosti koja se ″vidi″ na priključku uzemljenja za koje je sistem vezan. Pri tome u tu vrednost ulaze i otpornosti provodnika kojima je tačka priključka za uzemljenje sistema povezana sa sistemom metalnih elemenata, ukopanih negde u tlu, koji u fizičkom smislu čini uzemljenje. Činjenica je da se za te veze koriste ekstremno debeli provodnici, ali i oni imaju neku konačnu vrednost otpornosti. Osnovni problem pri povezivanju raznih uređaja na zajedničko uzemljenje leži u činjenici da u svakim od njih može, u slučaju kvara, doći do veze između faznog provodnika iz napajanja i priključka za zaštitno uzemljenje. U tom slučaju će kroz provodnik uzemljenja poteći neka struja, kao što je prikazano na slici 10.22a. Ta struja će izazvati pad napona na otpornosti provodnika za uzemljenje i otpornosti samog uzemljenja, što će učiniti da tačka nultog potencijala u drugim uređajima povezanim na isti vod uzemljenja ne bude više 0 V. Zbog toga je važno da ta otpornost bude što je moguće manja, odnosno da se sa aspekta priključenih uređaja postigne njena minimizacija. U prikazanom slučaju sa slike to se postiže na način koji je šematski ilustrovan na slici 10.22b. Posebnim nezavisnim vezivanjem svih uređaja direktno na zemljospoj minimizira se mogućnost promene potencijala mase, i tada ona zavisi samo od kvaliteta zemljospoja i njegove otpornosti. U standardima koje propisuju esnafske organizacije audio inženjera, ali i velike radiodifuzne kuće za svoje interne potrebe, navodi se zahtev za maksimalno dopuštenom vrednošću otpornosti uzemljenja koje se koristi za uzemljavanje složenijih audio sistema (pre svega audio režije u radio i TV stanicama). U najstrožijim uslovima zahteva se da ta vrednost bude manja od 0,5 Oma, što je veoma teško postići u praksi. Uticaj spoja uzemljenja na smetnje Povezivanje audio uređaja podrazumeva simetričnu vezu oklopljenom paricom, kao što je prikazano na slici 10.23. Na oba kraja oklop kabla je prirodno povezan za masu uređaja, a oba uređaja su na neki način povezana sa uzemljenjem. Sa slike se vidi


295

da pri takvoj vezi postoji formirana zatvorena provodna kontura koja se zatvara preko uzemljenja, kao što je označeno na slici. Spoljašnje polje smetnje će u tako zatvorenoj konturi da indukuje struju. Zbog toga kroz oklop kabla, iako kroz njega ne teče struja signala, javiće se tok struje smetnje. Svaki struja kroz oklop kabla generisaće smetnje i u unutrašnjim provodnicima kabla, pa se, iako je kabl oklopljen, u njegovim provodnicima javlja smetnja upravo zahvaljujući zaštitnom okopu.

Ruz

UREÐAJ 1

UREÐAJ 2

R1

R2

iv

Ruz

UREÐAJ 1

UREÐAJ 2

R1

R2

Slika 10.22 - Ilustracija pojave promene potencijala mase zbog konačne vrednosti otpora uzemljenja i zbog drugih uređaja povezanih na zajedničko uzemljenje.

i Slika 10.23 - Formiranje zatvorene petlje u kolu uzemljenja.

Intenzitet opisane pojave zavisi od konkretnih okolnosti. Problem je veći ako se u okruženju nalaze jaki izvori smetnje, odnosno ako su spoljašnja polja jaka, a može biti neprimetan ako je ambijent u elektromagnetskom smislu ″čist″. Intenzitet ovakve smetnje je takođe funkcija površine zatvorene petlje koju formiraju kabl i zemlja. Veća površina te petlje značiće intenzivniju smetnju. Zbog toga su kritične okolnosti kada je provodnik fizički udeljen od površine tla, jer se tada površina petlje povećava. Ako ovako generisana smetnja prelazi prag prihvatljivosti, jedini način da se ona spreči je da se oklop kabla povezuje sa masom samo na jednom njegovom kraju, to jest samo prema jednom od uređaja, kao što je prikazano na slici 10.24. Tada ne postoje zatvorene konture u kojima bi se spoljašnjim poljem generisala struja. Jasno je da je prekidanje spoja oklopa sa masom na jednoj strani moguće samo kada se koriste kablovi sa upredenom paricom i oklopom. U slučaju asimetrične veze uređaja preko koaksijalnog kabla prekidanje nije moguće jer oklopom prolazi signal.


296

Slika 10.24 - Vezivanje uzemljenja pri nizanju uređaja u sistemu

Povezivanje uređaja sa oklopom kabla koji je razdvojen od mase na jednoj svojoj strani pokazuje da eliminacija petlji u kolu uzemljenja vodi ka zvezdastom povezivanju masa. Može se reći da veze uzemljenja treba formirati kao stablo. Ovaj princip je načelno prikazan na slici 10.25. Osnovni kriterijum pri tome je da se nigde u sistemu ne pojavi međuveza uzemljenja između uređaja koja bi stvorila zatvorenu konturu. U praksi je uobičajeno da mikseta bude tačka u kojoj se stiču vodovi uzemljenja ostalih uređaja povezanih u sistem. Da bi se u jednostavnijim slučajevima kao što su kućni sistemi za preprodukciju muzike olakšalo međusobno povezivanje uređaja, periferni uređaji poput CD reproduktora imaju mrežni kabl bez provodnika za uzemljenje. Cilj toga je da se predupredi slučajno formiranje petlje preko zaštitnog uzemljenja uređaja. Pri tome se podrazumeva da će se veza sa masom ostvariti preko kablova kojim se signal iz takvog uređaja vodi na neki centralni uređaj za reprodukciju. Treba imati u vodu da u okolnostima kada su međusobne veze u sistemu kratke, kao što je to slučaj u studijima ili kućnim sistemima za reprodukciju, formiranje petlji preko oklopa kablova ne predstavlja ozbiljan tehnički problem. To postaje značajno uvođenjem dužih veza, na primer između priključaka na bini i tehničke režije odakle se upravlja sistemom, kod veza reportažnih kola i slično.

Slika 10.25 - Princip vezivanja uzemljenja audio sistema u

formi stabla.

10.8 Mrežno napajanje audio uređaja Mrežno napajanje uređaja sa aspekta zaštite audio sistema od smetnji značajno je iz dva razloga. Napajanje može biti:


297

- put kojim u uređaje mogu dospeti smetnje audio frekvencija i - izvor parazitskog mrežnog signala frekvencije 50 Hz (takozvano ″brujanje″). U oba slučaja u pitanju je prodiranje nekih signala iz mreže u uređaj, samo se između navedene dve kategorije pravi razlika u njihovom spektralnom sadržaju i načinima kojim dospevaju u koristan audio signal. Ovaj aspekt mrežnog napajanja nije specijalitet samo audio sistema, već svih telekomunikacionih uređaja. Razlika je samo u tome što su mogući uticaji u audio sistemima mnogo veći zbog nižeg spektra korisnog signala (lakše je ugroziti signale audio učestanosti nego telekomunikacione signale koji su na mnogo višim frekvencijama) i zbog zahteva za velikim dinamičkim opsegom. Pojave smetnji u elektroenergetskoj mreži Na priključcima utičnice za elektroenergetsko napajanje, osim mrežnog napona, mogu se javiti i razni električni signali koji predstavljaju smetnje. Sa aspekta rada običnih električnih uređaja, raznih termičkih i elektromehaničkih energetskih potršača, takva pojava je zanemarljiva, s obzirom da su signali smetnji malih amplituda u odnosu na napon napajanja 220 V. Međutim, za audio uređaje veličine tih signala su dovoljne da mogu predstavljati problem. Postoje brojni električni uređaji koji se koriste u svakodnevnom životu, a koji u svom radu generišu parazitske signale i vraćaju ih u elektroenergetsku mrežu. Energija tih signala je raspršena po frekvencijama koje su znatno više od mrežne frekvencije 50 Hz. To je posebno slučaj sa raznim impulsnim smetnjama širokog spektra, koji predstavljaju i najzastupljeniji oblik. Postoji nekoliko vrsta uređaja koji su sa aspekta audio prakse standardni izvor smetnji. To su, u prvom redu, uređaji koji nemaju mrežni transformator u svom stepenu za napajanje već umesto njih imaju odgovarajuće tiristorske sklopove (u žargonu nazvani ″svičeri″). U tu kategoriju spadaju svi računari, ali je sve više i tiristorskih pretvarača za halogene svetiljke koje rade na 12 V i koje se koriste u enterijerskoj rasveti. Drugi veliki izvor smetnji su kolektorski motori sa četkicama. Takve motore imaju usisivači, fen za kosu, mlin za kafu, kuhinjski mikser i slično. Svi oni pri radu vraćaju u mrežu širok spektar impulsnih smetnji. Pored smetnji koje su u elektroenergetsku mrežu dospele kao signal vraćen iz raznih uređaja priključenih na istu fazu, elektroenergetski vodovi po pravilu imaju velike dužine savladavajući rastojanja kroz zgradu. Oni su zbog toga izloženi elektromagnetskim uticajima raznih spoljašnjih polja. Sa aspekta energetskog napajanja takva pojava je zanemarljiva, ali za rad audio uređaja može biti značajan razlog za pojavu smetnji na utičnici. Putevi preslikavanja signala iz elektroenergetske mreže u audio signal U stepenu za napajanje audio uređaja postoje dva puta kojima signal audio frekvencija iz elektroenergetske mreže može preći na sekundar mrežnog transformatora i dalje u uređaj. Diferencijalni signali, kakav je i mrežni napon 50 Hz, prolaze kroz transformator induktivnom spregom primara i sekundara. Samo difierencijalna pobuda na priključcima njegovog primara stvara struju kroz ovaj namotaj. Ovakac tip preslikavanja karakterističan je za niže frekvencije, jer transformator kao sklop ima osobine niskopropusnog filtra. Frekvencijska karakteristika za diferencijalni pobudni signal jednog tipičnog mrežnog transformatora prikazana je na slici 10.26. Vidi se da prenos primar-


298

sekundar slabi sa porastom frekvencije, pa samim time mrežni transformator učestvuje u smanjenju uticaja diferencijalnih smetnji viših frekvencija.

10 100 1k 10k 100k-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

slab

ljenj

e (d

B)

frekvencija (Hz)

Slika 10.26 - Frekvencijska karakteristika prosečnog mrežnog transformatora za

diferencijalni oblik pobude.

Smetnje nastale vraćanjem signala iz raznih uređaja u mrežu uglavnom su po svojoj prirodi diferencijalni. Međutim, signal smetnje koji u kablovima elektroenergetske mreže nastaje dejstvom spoljašnjih polja imaju prirodu zajedničkog signala (common mode) jer oba provodnika, budući da se u prostoru nalaze jedan pored drugog, trpe istu vrstu i intenzitet pobude. Smetnje koje nailaze kao zajednički signal ne mogu prolaziti induktivnom spregom kroz transformator, jer pri takvoj pobudi nema toka struje kroz njegov primarni namotaj. Ova vrsta signala prolazi na stranu sekundara posredstvom kapacitivne sprege koja u svakom transformatoru postoji između namotaja, što je šematski prikazano na slici 10.27.

Cpar

Cpar

Slika 10.27 - Parazitska kapacitivnost između primatra i sekundara mrežnog transformatora.

Kolo ispravljača i stabilizatora, koje u audio uređajima sledi nakon mrežnog transformatora, ima zadatak da potisne mrežnu frekvenciju da bi se dobio stabilan i čist jednosmerni napon napajanja. Međutim, u praksi takvi sklopovi zbog raznih parazitskih uticaja imaju značajno manje slabljenje na višim frekvencijama. Sa aspekta kvaliteta jednosmernog napona napajanja takva pojava nema značaja i ne razmatra se pri dizajnu


299

ovih kola, ali smetnje koje prođu kroz transformator na putu do uređaja imaju samo kolo ispravljača i stabizatora kao prepeku. Na slici 10.28 prikazan je principijelni izgled karakteristike slabljenja signala iz mreže prosečnog ispravljačkog kola. Vidi se da eventualne smetnje na frekvencijama reda 100 kHz koje iz mreže prođu kroz transformator prolaze kroz ispravljač gotovo bez slabljenja.

10 100 1k 10k 100k-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

slab

ljenj

e (d

B)

frekvencija (Hz)

Slika 10.28 - Principijelni izgled karakteristike slabljenja signala koje

prosečan ispravljač za napajanje ostvaruje na višim frekvencijama.

U takvim okolnostima značajno je slabljenje signala koji parazitskim kapacitivnostima prelazi na sekundar mrežnog transformatora. Umanjenje uticaja parazitskih kapacitivnosti između primara i sekundara se postiže posebnom konstrukcijom, što podrazumeva da se između primarnog i sekundarnog namotaja postavi elektrostatički oklop koji se povezuje sa masom (″Faradejev kavez″). Ova varijanta transformatora se šematski označava na način prikazan na slici 10.29. U literaturi se navodi da se adekvatnim zatvaranjem oba namotaja u uzemljene elektrostatičke oklopa kapacitivna sprega između primara i sekundara može smanjiti na vrednost reda veličine 0,001 pF, pa i manje.

Cpar

Slika 10.29 - Oznaka transformatora sa elektrostatički odvojenom namotajima primara i sekundara, čime se vrednst Cpar smanjuje.

Transformatori sa elektrostatičkom izolacijom koriste se u napajanju studijskih energetskih instalacija kao poseban, dodatni uređaj i postavljaju se u napojnom vodu iz koga se napajaju svi audio uređaji. Nazivaju se rastavni transformatori i predstavljaju zaštitu audio sistema od smetnji iz mreže, ali istovremeno galvanski odvajaju napajanje


300

uređaja od elektroenergetske instalacije. Često se na njima postavljaju posebni izvodi sa odgovarajućim preklopnikom, čime se omogućava fino podešavanja veličine napona na sekundaru. Takva opcija je pogodna na lokacijama gde elektroenergetsko napajanje nema dovoljan kvalitet, odnosno gde mrežni napon značajnije varira. Jedan od problema zaštite od smetnji primenom rastavnog transfomatora je u tome što sva električna snaga potrebna za rad sistema prolazi kroz njega. To uslovljava da on kod većih sistema mora imati relativno velike dimenzije (posledica velikog poprečnog preseka jezgra). To dalje uzrokuje veliku težinu takvog transformatora i, naravno, značajnu cenu. Mnogi studiji nižeg nivoa nemaju rastavne transformatore, već umesto toga koriste jednostavnije uređaje, takozvane mrežne filtre, u kojima se jednim kalemom i kondenzatorom formira filtar niskopropusnik kojim se takođe u izvesnoj meri potiskuju smetnje iz mreže. Preslikavanje signala 50 Hz u audio signal Postoje okolnosti u audio sistemima u kojima se, i pored potpune ispravnosti stepena za napajanje, može na izlazu pojaviti komponenta mrežne frekvencije 50 Hz. Osnovni razlog zbog koga nastaje takva pojava prikazan je na slici 10.30. U svakom uređaju postoji neki parazitski kapacitet između provodnika mrežnog priključaka, odnosno primara transformatora, i mase uređaja i njegove šasije koja je povezana sa zaštitnim uzemljenjem. Preko tih kapacitivnosti fazni provodnik je za naizmenični signal povezan sa masom. Zbog toga će kroz provodnik uzemljenja teći neka struja frekvencije 50 Hz, čija veličina zavisi od impedanse parazitskih kapaciteta. Sve to pod određenim okolnostima može imati uticaja na signal, pre svega ako su te kapacitivnosti relativno velike. Zbog nejednakosti parazitskih kapacitivnosti koja uvek postoji između dva kraja mrežnog priključka, nekada jednostavno obrtanje utikača u utičnici može da smanji brujanje. U takvim okolnostima i odvajanje kritičnog uređaja od uzemljenja može doneti poboljšanje u pogledu brujanja.

220 V Slika 10.30 - Parazitske kapacitivnosti preko kojih postoji sprega mrežnog napona sa

masom i kućištem uređaja.

Iste parazitske kapacitivnosti mogu stvoriti problem sa brujanjem u okolnostima kada se dva međusobno povezana uređaja u sistemu napajaju sa različitih faza. Ovaj slučaj je ilustrovan šematski na slici 10.31. Činjenica da se priključne tačke dva uređaja nalaze na različitim fazama znači da između njih postoji međufazni napon (380 V). Zbog toga se preko parazitskih kapacitivnosti i provodnika mase u kablu uspostavlja struja mrežne frekvencije 50 Hz, kao što je označeno na slici. Taj tok će proizvesti u signalnom provodniku smetnju frekvencije 50 Hz koja se sabira sa korisnim signalom.

Ovaj primer pokazuje nužnost da se svi međusobno povezani uređaji moraju napajati sa iste faze. To je jedan od tehničkih aksioma koji se u svakoj prilici mora ispoštovati. U okolnostima kada to iz nekih razloga nije moguće, kao na primer kada su neki delovi audio sistema relativno udaljeni i napajaju se potpuno nezavisno, pojava smetnje iz elektroenergetske mreže može se otkloniti prekidanjem provodnika


301

uzemljenja u kablu, što proizvodi kao posledicu prekidanje toka parazitske struje 50 Hz. Jasno je da to zahteva simetričnu vezu između uređaja jer se jedino tada može razvezati provodnik uzemljenja. Prema tome, problem smetnje iz mreže se rešava istom merom kao i u ranije prikazanom slučaju sa slike 10.24.

220 V 220 V

i50Hz

Slika 10.31 - Šematski prikaz nastanka brujanja kada se međusobno povezani uređaji napajaju

sa različitih faza. 10.9 Fantomsko napajanje Kondenzatorski mikrofoni po svojoj prirodi u sebi sadrže elektronska kola koja zahtevaju napajanje, a takođe im je potreban napon polarizacije. Stariji modeli studijskih mikrofona imali su kao svoj prateći deo i poseban ispravljač za tu namenu. I danas se u mnogim studijima mogu videti takvi mikrofoni. Jasno je da prisustvo ispravljača, koji mora biti u neposrednoj blizini mikrofona, u značajnoj meri ograničava njegovu primenljivost. Danas postoje mikrofoni u kojima je napajanje rešeno jednom baterijom smeštenom u njihovom kućištu, ali to podrazumeva ograničeno vreme rada uslovljeno kapacitetom baterije. U audio sistemima postoji potreba da se, zbog jednostavnosti upotrebe, potreba napajanja kondenzatorskih mikrofona rešava bez primene posebnih ispravljača ili baterija. Jedini način da se to reši je odgovarajućim sistemom napajanja kroz spojni kabl iz mikrofonskog predpojačavača, odnosno iz mikrofonskog ulaza miksete. Za te potrebe standardizovan je sistem u kome se signalni provodnici u mikrofonskom kablu koriste za napajanje. Takav način se naziva ″fantomsko napajanje″. Danas je za fantomsko napajanje standardizovan napon 48 V, i svi mikrofoni se prave da prihvataju taj ulazni napon. Principijelna šema fantomskog napajanja prikazana je na slici 10.32. Preko otpornika se ″+″ pol napajanja vodi na oba provodnika parice mikrofonska kabla, a ″−″ pol se povezuje sa masom. Kondenzatorima se signal odvaja od jednosmerne komponente. Umesto kondenzatora može se jednosmerna komponenta odvojiti ulaznim transformatorom. Na sličan način se vrši razdvajanje napajanja u mikrofonu. Osnovna prednost ovog oblika napajanja je u tome što je imun na kratak spoj u signalnim prvodnicima. Do eventualnog krakog spoja između parica može doći slučajno, ali je i povezivanje dinamičkog mikrofona okolnost koja ima odlike kratkog spoja zbog činjenice da je otpornost namotaja kalema u mikrofonu veoma mala. Fantomsko napajanje danas postoji u svim miksetama. Uobičajeno je da se na mikrofonskom ulazu svakog njenog ulaznog modula nalazi preklopnik kojim se, po potrebi, uključuje fantomsko napajanje priključenog mikrofona. Fantomsko napajanje imaju i svi drugi uređaji na koje se direktno priključuju mikrofoni, kao što su nezavisni mikrofonski predpojačavači, prenosni snimači koji imaju mikrofonske ulaze i slično.


302

Istovremeno, svi elektrostatički mikrofoni, dakle elektret mikrofoni i klasični kondenzatorski mikrofoni, koji se danas mogu naći na tržištu predviđeni su za ovakav oblik napajanja.

−+

+V

mikrofon

mikseta

Slika 10.32 - Principijelna šema fantomskog napajanja mikrofona.

Kroz istoriju su postojali i drugi sistemi napajanja mikrofona preko signalnih provodnika. Poznat je standard nazvan ″T″ napajanje. Za razliku od fantomskog napajanja, kod koga su oba signalna provodnika povezana zajedno na isti pol jednosmernog napona a oklop u kablu na drugi, u ″T″ sistemu napajanja korišćeni su dva signalna provodnika za vođenje oba polariteta jednosmernog napajanja, a zaštitni oklop kabla nije korišćen. Nedostatak ovoga sistema je što u slučaju da se na ovakav ulaz miksete, zbog neznanja da je uključeno napajanje, priključi dinamički mikrofon sa malom unutrašnjom otpornošću namotaja, dolazi praktično do kratkog spoja izvora napajanja. To može rezultovati realtivno velikom strujom kroz namotaj mikrofona koja može da ga uništiti.

10.10 Fizička realizacija audio uređaja Svi audio uređaji osim miksete, a to znači procesori i većina snimača/reproduktora, fizički se smeštaju u posebne ormare u okviru kojih se rešava njihovo mehaničko pričvršćivanje, povezivanje na mrežno napajanje i dovođenje, odnosno odvođenje signala. Vremenom je utvrđen standard za dimenzije audio uređaja koji utvrđuje širinu njihove kutije na 19 inča (skrađena oznaka je 19"). To znači da se svi audio uređaji mogu međusobno razlikovati samo po visini, a širina im je uvek ista, određena ovim standardom. Na slici 10.33 prikazan je tipičan izgled kutije jednog uređaja (prikazan je jedan audio procesor). Radi dalje standardizacije i pojednostavljenja montaže audio sistema utvrđen je i standard za dopuptene visine kutije uređaja. Tako je definisana jednica visine kutije koja se uobičajeno označava skraćenicom HE ili U. Zbog toga se može se reći da je moguća visina audio uređaja kvantovana, jer njihove kutije mogu biti visoke 1HE, 2HE, 3HE. Retki su uređaji, i to uglavnom u oblasti video tehnologije, koji zahtevaju kutiju visine 4HE ili više. Radi ilustracije, uređaj sa slike 10.33 ima kutiju visine 2HE. Ovakav pristup sa standardizovanom širinom i kvantovanom visinom kutija uređaja značajno olakšavaju planiranje i projektovanje tehnoloških sistema u studijima. Zahvaljujući tome unapred je moguće planirati prostor u ormarima za smeštaj opreme.


303

Vremenom je razvijen i mehanički pribor kojim se olakšava montaža uređaja u ormanima za smeštaj opreme, a i sami ormari širine 19″ predstavljaju danas standardni proizvod.

Slika 10.33 - Standardni izgled uređaja širine 19 inča.

Documents

Audiotehnika_tema_10