Sposoby redukowania szumów EMI/RFI
Zakłóceniom elektromagnetycznym i radiowym poświęcamy coraz więcej uwagi, bo wydaje się, że są winne poważnej degradacji sygnału dźwiękowego w systemach audio. Przypomnę co to za zakłócenia:
- ZAKŁÓCENIA ELEKTROMAGNETYCZNE określane skrótem EMI, to degradacja sygnału użytecznego w części urządzenia, znajdującego się w polu oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie elektromagnetyczne to przemieszczające się w przestrzeni z prędkością światła połączenie zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego. Długość fali takiego pola jest fizyczną odległością jaką pokonuje fala w czasie jednego cyklu (okresu). Jeśli urządzenie znajduje się w odległości mniejszej niż 1/6 długości fali od źródła promieniowania, to mówi się, że znajduje się on w polu bliskim źródła. Większość systemów audio znajduje się w polu bliskim dla wszystkich częstotliwości poniżej 1 MHz, oczywiście 50Hz należy uwzględnić wraz z jego harmonicznymi (przydźwięk sieciowy). W polu bliskim zawsze dominuje albo pole elektryczne, albo magnetyczne. Każde z nich wymaga innego rozwiązania eliminującego interferencje i tak na przykład skrętka redukuje wpływ pola magnetycznego, a ekranowanie zmniejsza wpływ pola elektrycznego.
- ZAKŁÓCENIA RADIOWE, w skrócie RFI, powstają gdy źródło promieniuje z częstotliwością większą niż 1 MHz. Pola magnetyczne i elektryczne przemieszczają się razem w formie fali, przenikając się nawzajem. Systemy audio bez wyjątków narażone są na działanie dalekich pól o częstotliwościach radiowych, stąd określenie interferencje częstotliwości radiowych (radio-frequency interference).
Obecnie stosowany termin EMI obejmuje również interferencje częstotliwości radiowych. Interferencje RF mogą powstawać jako promieniowanie zamierzone, jak i niezamierzone. Promieniowanie zamierzone wywołują nadajniki radiowe, telewizyjne, telekomunikacyjne, radiostacje amatorskie oraz telefonia komórkowa. Natomiast promieniowanie niezamierzone powstaje przy spawaniu elektrycznym, emitują je- elektryczne silniki szczotkowe, przekaźniki i przełączniki, wyładowania na izolatorach linii energetycznych. Naturalnym i powszechnym źródłem chwilowych zakłóceń RF są pioruny.
Należy uwrażliwić tych co budują sobie system audio marzeń, że zależnie od częstotliwości, prawie każdy przewodnik może stać się anteną– nawet zwykły kabel audio lub obwód na płytce drukowanej w sprzęcie. Bywa i tak, że interferencje RF są wywoływane przez kable sygnałowe, które następnie indukują napięcia zakłócające w urządzeniu audio. Kable albo ścieżki na płytkach drukowanych stają się szczególnie efektywnymi antenami, kiedy ich długości równe są połowie, ćwierci lub 1/8 długości fali przy częstotliwości interferencji. Kabel o długości około 1 metra może być efektywną anteną VHF/FM, bo to wynika z długości fal tego zakresu.
Sposoby walki z szumami elektromagnetycznymi i radiowymi
- Najczęściej spotykanym, tanim sposobem ograniczenia interferencji powyżej 20MHz, a nawet czasami poniżej 3MHz, są łatwo instalowane na zewnętrznych kablach ferrytowe rdzenie w postaci klamry, takie jak przedstawione na zdjęciu poniżej. W większości przypadków działają one najlepiej gdy umieści się je na kablu możliwie blisko samego urządzenia. Można próbować zwiększyć ich efektywność zawijając przez nie kable kilkakrotnie.
- Metoda przez tzw. redukowanie to jedna z częściej spotykanych. Gdy prąd płynie przewodem elektrycznym, wokół niego wytwarza się pole magnetyczne, a jak wiemy kierunek linii pola magnetycznego zależy od kierunku przepływu prądu w przewodzie. Jeżeli dwa przewody są częścią tego samego obwodu elektrycznego, to w jednym z przewodów elektrony płyną ze źródła napięcia do jakiegoś celu, a drugim wracają, a więc kierunki są przeciwne. Jeżeli te dwa przewody umieszczone są blisko siebie, to ich pola magnetyczne są również sobie przeciwne, a tym samym redukują się nawzajem. Efekt ten jest wzmacniany przez skręcenie ze sobą przewodów (jak na fotografii niżej). Skręcaniem przewodów to efektywna metoda zapewnienia redukcji szumów dla par przewodów
- Osłanianie od wpływów elektromagnetycznych to jednocześnie prosta metoda i skomplikowana, zwłaszcza wtedy gdy zależy nam na skuteczności. Pierwszym najpowszechniej stosowanym jest ekran z siatki miedzianej lub folii aluminiowej. To skuteczna metoda ale nie w 100%. Skuteczność ekranowania zależy od grubości osłony, właściwości materiału, z którego ją wykonano oraz tzw. gęstości krycia (określa ona procentowo, jaka część powierzchni kabla jest zakryta przez ekran). Konstrukcja osłony wpływa także na mechaniczne właściwości okablowania – na przykład na jego giętkość oraz odporność na zginanie. Najczęściej spotykane są ekrany w postaci folii metalizowanej oraz oplotu. Zaletami ekranów z folii metalizowanej są mały koszt , elastyczność oraz duża skuteczność ekranowania w zakresie dużych częstotliwości. Ich wadą jest mała skuteczność ekranowania w zakresie niskich częstotliwości. Skuteczność ekranów z plecionki miedzi lub miedzi ocynowanej zależy od gęstości oczek oplotu i nigdy nie wynosi ona 100% (zwykle mieści się w przedziale od 70% do 90%). Jednak miedź ma większą przewodność niż aluminium, więc skuteczność ekranowania plecionką jest większa niż tych z folii metalizowanej.
- Z wyjątkiem kabli zasilających, ekranowanie zabezpieczające przed wpływami EMI/RFI jest rzadko, jeśli w ogóle, brane pod uwagę przy projektowaniu urządzeń audio, a przecież jest jednym z największych winowajców powstawania sonicznych szumów tła w sprzęcie nagłaśniającym.Producenci oczywiście zmierzają do obniżania kosztów, więc odpowiednia kontrola EMI / RFI nie jest na liście ich priorytetów. Zwalczać zakłócenia jednak trzeba, więc inne firmy, które lepiej rozumieją potrzeby audiofilów, próbują tworzyć arsenał do walki o lepszy dźwięk. I tak powstała następna grupa materiałów używanych do zwalczania zakłóceń EMI i RFI- ich pochłaniacze i rozpraszacze. Jednym z prekursorów tego typu rozwiązań jest firma Stillpoints przeznaczając do sprzedaży arkusze ERS (o wymiarach 279x206mm). Rdzeń arkusza jest wykonany z mieszanki włókien węglowych o różnych długościach i rozmiarach, a one są powleczone niklem. Włókna te redukcji szumy RFI / EMI do wartości około 60 dB w zakresie częstotliwości od 10 MHz do 17 GHz. Aby uczynić materiał łatwiejszym w obsłudze i użytkowaniu z zewnątrz arkusze są laminowane tkaniną poliestrową z obu stron. Tkanina poliestrowa co prawda izoluje rdzeń ERS do pewnego stopnia, ale może być łatwo przenikalna na ostrych krawędziach arkuszy, więc wymaga zachowania ostrożności przy stosowaniu jej w bliskim sąsiedztwie obwodów elektrycznych. Prostą metodą wykazania potencjalnej skuteczności ERS jest położenie arkusza w pobliżu dowolnego obwodu cyfrowego, na przykład, nad lub pod odtwarzaczem CD lub DAC’iem. Można też owinąć kable AC lub umieścić ERS w pobliżu listwy zasilającej. Wszystkie te próby szybko pokazują jaki potencjał drzemie w tym materiale. Gdzie te arkusze kłaść? Najłatwiej pokryć pokrywy górne komponentu od strony wewnętrznej i to jest zupełnie dobre miejsce. Tak należałoby rozpocząć, bo powinno się pamiętać, że tym komponentem niejako stroimy system, co oznacza, że nie można po prostu opatulić arkuszami ERS cały system audio bo efekt dźwiękowy nas zaskoczy i owszem lecz negatywnie. Powinno się przede wszystkim osłaniać zasilacze i cyfrowe układów scalone. Bardzo skuteczną modyfikacją może stać się owinięcie przewodów zasilających taśmą ERS, jednak nie należy przesadzać z ilością warstw. Niestety rozsądne użycie arkuszy ERS wymaga dostrajania co wymaga od modyfikujących dużej dozy cierpliwości i osłuchania (meloman/audiofil musi dokładnie znać swoje preferencje i musi „umieć” słuchać). Rodzi się pytanie ile potrzeba arkuszy, by próbować w miarę skutecznie i nie przepłacając przenieść system audio na wyższy poziom. Otóż, mimo że każdy z systemów będzie potrzebował innej ilości ERS’ów, to sugeruję na początek zakup dwu arkuszy na jeden komponent audio, dla wyłożenia nimi górnych pokryw.
- Ekranowanie mają też zapewniać zaślepki na wejścia/wyjścia RCA i XLR, by ochronić układy wzmacniaczy, odtwarzaczy CD i przetworników DAC przed wpływem fal RFI i EMI. Szerzej omówiłem ich działanie w artykule „Noise Stopper Caps”.
- Skuteczną metodą zwalczania wpływu fal elektromagnetycznych jest zamiana ich w ciepło. Polska firma Verictum właśnie tę metodę obrała jako właściwą dla efektywnego oczyszczenia podstawowego sprzętu audio z szumów EMI i RFI. Znakomite recenzje ich wyrobów potwierdzają skuteczność konstrukcji X-Block’ów, X-Bulk’ów i filtrów stosowanych jako zespolone składniki kabli i dystrybutorów prądu AC. Jak są te akcesoria zbudowane konstruktorzy firmy nie zdradzają. Ja te produkty znam doskonale, więc potwierdzę, że rzeczywiście przywracają co utracone zostaje w wyniku zaburzania przepływu prądu przez fale elektromagnetyczne- rozdzielczość (dzięki wyciszeniu muzycznego tła), wypełnienie w harmoniczne tonów podstawowych, doskonała przestrzenność i naturalność barw. Te zalety się oczywiście ujawniają gdy sprzęt audio jest prawidłowo skonstruowany, bo przecież trudno przywrócić coś czego nie byłoby już na wstępie.
- Admiratorem użycia materiałów naturalnego pochodzenia, podobnie jak firma Verictum jest szwecki Entreq. W ich produktach tłumienie szumów RF i EMI polega na przemianie w postać ciepła, dokładnie jak w filtrach Verictum. I chyba na tym kończą się podobieństwa, bo i wewnętrzne okablowanie jak i użyte materiały w filtrze są różne. Zresztą jego skład jest tajemnicą firmową tak w przypadku Entreqa jak i Verictum.. Podobne rozwiązanie znajdziemy też w produktach Acoustic Revive (o tym niżej). Entreq’owe modele czyszczące energię elektryczną to- Cleanus, Srebrny Cleanus i Atlantis Cleanus. Są wyłącznie pasywnymi filtrami prądów AC. Można dokładniej opisać je jako separatory wysokich częstotliwości. Cleanus zakłócenia te zmniejsza, ale bez utraty dynamiki. Filtrowanie tego typu wycisza tło muzyczne (wywołuje tzw. ciemno tło). Innym przykładem jest dystrybutor prądu Powerus (na zdjęciu poniżej), w którym ma elementów elektronicznych- pasywnych czy aktywnych, a filtr umieszczony jest w otaczającym wewnętrzne okablowanie „płaszczu” z odpowiednio dobranych minerałów. Powerusa można wzmocnić podłączając tzw. „wirtualną masę” w postaci Minimusa lub Tellusa, wzorniczo bardzo zbliżonych. Entreq jest jeszcze w jednym bardzo podobny do Verictum, a mianowicie używa wyłącznie gniazd i wtyków firmy Furutech, które powszechnie uważa się za wzorcowe. Innym przykładem jest dystrybutor prądu Powerus (na zdjęciu poniżej), w którym ma elementów elektronicznych- pasywnych czy aktywnych, a filtr umieszczony jest w otaczającym wewnętrzne okablowanie „płaszczu” z odpowiednio dobranych minerałów. Powerusa można wzmocnić podłączając tzw. „wirtualną masę” w postaci Minimusa lub Tellusa, wzorniczo bardzo zbliżonych. Entreq jest jeszcze w jednym bardzo podobny do Verictum, a mianowicie używa wyłącznie gniazd i wtyków firmy Furutech, które powszechnie uważa się za wzorcowe.
- Acoustic Revive wspólnie z partnerską firmą HWT opracowała moduł filtrujący oparty na oryginalnej idei zmarłego pana Shibata, polegającej na zbudowaniu unikalnej konstrukcji obwodu złożonego z kombinacji specjalnych cewek, które pozwalają usunąć efektywnie szum wysokiej częstotliwości z toru zasilającego. Charakterystyczny jest brak efektów ubocznych, bo konstrukcja ta nie używa kondensatorów i rezystorów, więc nie ma strat energii w ogóle. W efekcie działanie filtra RPC-1 skutkuje dźwiękiem, który poprawia dynamikę i energię z ulepszonym stosunkiem sygnału do szumu. Aplikacja tego urządzenia jest prosta, wystarczy podłączyć go do najbliższego gniazda nieobsadzonego AC.
- W przeciwiństwie do RPC-1 komponent o nazwie RGC-24 jest biernym, wykorzystujacym naturalny kruszec, który ma ujemny potencjał elektryczny. Acoustic Revive RGC-24 tak został przez firmę opisany- „„W przypadku produktu audio szczególnie istotną sprawą jest obecność wysokiej klasy uziemienia. Wielu ludzi doświadcza jednak związanych z tym problemów, wynikających z tego, gdzie mieszkają. Z tego powodu może dochodzić do wtórnego indukowania się prądów w postaci szumów i sygnałów radiowych (RF), dodawanych do sygnału audio. Także wtedy, kiedy gdzieś w uziemieniu systemu jest błąd łatwo można doprowadzić do powstania pętli masy, a wtedy do sygnału dodany zostanie brum. RGC-24 wpływa na potencjał elektryczny obudowy urządzenia oraz pole elektromagnetyczne wokół niego, dodając wirtualną „ziemię”. Dzięki temu stabilizuje się przetwarzanie sygnału, a co za tym idzie – poprawia dźwięk”. Właściwie można uznać, że to co wyżej zostało napisane może służyć za najlepszą rekomendację, ale rzeczywistość nie jest tak różowa jak ją przedstawia Acoustic Revive… W dwóch systemach audio w jakich dane mi było słyszeć wpływ kondycjonera uziemienia RGC-24, ten był znikomy i problematyczny w ocenie przydatności.
- Kalifornijska Shakti Innovations tworzy bierne elementy pochłaniające promieniowanie EMI i RFI.Stosuje się je w sprzęcie audio nad transformatorami i zasilaczami. Skuteczność jest różna- od subtelnej do odczuwalnej, audiofilom najczęściej się podoba i doceniają różnicę, ale są i tacy którzy słyszy w dźwięku różnicę, ale uważają, że jest to krok wstecz. Podobnie jak w przypadku wielu produktów w naszym hobby, ocena może się wahać. Moje odczucia są takie- kamienie Shakti są skuteczne, ale nie w takim stopniu co produkt polskiego producenta- Verictum. Słuchanie wrażeń słuchowych pozwala ocenić, że poprawa odnosie się szczególnie do lepiej definiowanych tonów wyższej częstotliwości z mniejszą ilością sybilantów. Te tony brzmiały słodziej. Efekt nie był oszałamiający, ale był, co jest wystarczającym powodem by je wykorzystać w swoich systemach gdy nie stać nas na Verictum X-Blocka.
- Niewiele mogę napisać o płytkach Holfi The Magician… Nie dość, że niewiele informacji posiadam na ich temat to i niewiele zachęcających efektów słyszałem gdy mój przyjaciel audiofil mi prezentował ich działanie, kładąc nad głośnikiem wysokotonowym na obudowie zespołów Kudos Super 20. Może i absorbuje zakłócenia RFI, może i niszczy pola elektromagnetyczne, ale robi to w sposób trudny do wychwycenia, a przecież pisze się, że „płytka HOLFI zastosowana przy sprzęcie audio powoduje poprawę definicji dźwięku, radykalnie poprawia głębię sceny dźwiękowej, eliminuje rozwłóczony bas, eliminuje wyostrzenia wysokich tonów”. Według mojej oceny te życzeniowe opinie są przesadzone. Jednak należy spojrzeć na ten produkt życzliwie, choćby z powodu niskiego kosztu zakupu.
- Ograniczeniu wpływu RFI z urządzeń stereofonicznych mają pomóc akcesoria pana Kiuchi Kazuo z Enacom należącego do japońskiego Combaka. Seria ta obejmuje trzy rodzaje produktów. Jednym z nich jest linia Enacom AC, czyli filtr zasilania, który jest wkładany do nieczynnego gniazda listwy zasilającej lub sąsiedniego gniazda ściennego AC. Jest on zdolny do eliminowania szumów RF przesyłanych za pośrednictwem przewodu zasilającego. Drugi produkt włącza się w gniazda głośnikowe przy zwrotnicy. Głośnika. Ma eliminować zakłócenia RF generowane przez indukcję w przewodach głośnikowych. Trzeci to filtr linii sygnałowej RCA. Powinny być połączone szeregowo pomiędzy przewodem sygnałowym i zaciskiem wejściowym wzmacniacza sygnału. Wszystkie filtry Enacom są zamknięte w bardzo solidnych tulejach miedzianych. Słyszałem jaki efekt wywołuje wpięcie Enacom’a AC w systemie mojego przyjaciela… Różnica uwidaczniała się pod postacią większej wyrazistości, rozdzielczości. Typowe objawy jakie poznaję codziennie wsłuchując się wpływowi filtrów firmy Verictum we własnym systemie audio, z tą różnicą, że były sporo subtelniejsze (powinienem napisać w mniej zawoalowany sposób- sporo słabsze), ale nieznacznie mocniej odczuwalne niż przy zastosowaniu kondycjonera Acoustic Revive RGC-24 czy kamienie Shakti
- Sprytnym rozwiązaniem jest integracja promieniującego filtra EMI/RFI z platformą na której będzie stawiany sprzęt audio. Synergistic Research TRANQUILITY BASE, bo o nim mowa, jest przede wszystkim podstawą antywibracyjną, z rolą dodatkową- minimalizacją szumów RF w urządzeniu, który na niej stoi. Prawdopodobnie zestaw niewielkich modułów opartych na cewce Tesli emitują pole filtrujące. Moduły są zasilane zewnętrznym zasilaczem, a prąd przez nie przepływający można regulować. Pod modułami znajduje się płyta ekranująca uziemiona przez pośrednictwo kabla zakończonego wtyczką sieciową. Działanie filtra jest odczuwalne natychmiast po wpięciu zasilacza do gniazda AC i uziemienia. Zmiana w dźwięku jest wyraźna- przede wszystkim w zakresie średnicy i góry pasma częstotliwości. Z pop dietą do sieci AC platformą wymieniony zakres staje się bogatszy, lepiej separowany. Dźwięk był też czystszy (klarowniejszy).
Wnioski:
W przypadku częstotliwości umiejscowionych znacznie powyżej pasma akustycznego obwody elektroniczne urządzeń audio zachowują się w inny sposób niż by to wynikało z ich schematu elektrycznego. Ścieżki na płytkach drukowanych stają się antenami i cewkami, kondensatory również zachowują się jak cewki, rezystory jak kondensatory, a transformatory jak sprzężone kondensatory. Na dokladkę, półprzewodniki- diody, tranzystory, układy scalone, mają tendencję do demodulowania zakłóceń RFI, wytwarzając artefakty dźwiękowe. W efekcie są słyszalne na tle muzyki dźwięki proste, na przykład brzęczenie w przypadku interferencji fal TV. Winnych szukać należy wśród konstruktorów, a oni zapewne palcem wskażą na księgowych… Projektują bowiem układy z prostszym odfiltrowywaniem, z asymetryczną nieliniowością wzmacniaczy oraz asymetrycznym ograniczeniem narastania sygnału. A przecież każdy produkt audio powinien być tak skonstruowany by zapewniał, poza spełnieniem podstawowych zadań audio, skuteczne uziemienie i ochronę przed wpływami fal EMI/RFI. Ale że to niemożliwe, to inni producenci komponentów audio próbują szukać rozwiązań, które mają „zatykać dziury” pozostawione przez konstruktorów sprzętów podstawowych. A nawet jeśli uziemienie w sprzęcie wykonane jest poprawnie, to i tak trudno o właściwe rezultaty ze względu na niską rezystancję uziemienia. Zwykle prowadzi to do negatywnych zmian w brzmieniu. Ponadto, może zdarzyć się błąd w sztuce podłączeń i dodatkowo może generować się pętla masy co da w efekcie towarzyszące nieznośne buczenie.
W idealnej sytuacji sygnał zero powinien być całkowicie odizolowany od uziemienia elektrycznego, a izolacja tak doskonała, że zapobiegająca przeciekom prądu zmiennego i impulsom napięcia do uziemienia, a więc dzięki prawidłowemu uziemieniu i skutecznemu odprowadzeniu szumów elektromagnetycznych, przepływ prądu w urządzeniu staje się stabilny z poprawionym stosunkiem sygnału do szumu. W efekcie ograniczenia zakłóceń szczegóły dźwiękowe nie są zamazane, poprawia się trójwymiarowość obrazów dźwiękowych, dynamika i głębia, a scena muzyczna się powiększa. Subiektywnie odbieramy lepiej oddaną artykulację, rytmikę nagrania czyli to co się składa na muzykalność. Skala tych zjawisk zależy i od konkretnego urządzenia wspomaganego przez akcesoria anty szumowe, ale też i od przemyślanie dobranych akcesoriów wspomagających. Pole do popisu dla audiofilskiego wyczucia technicznego jest jak widać z powyżej przedstawionych projektów bardzo duży…
Artykuł opisujący podobne zagadnienia:
„pasywne akcesoria wspomagające” >>