Immuniteit voor elektromagnetische velden.

[EMCjack]

Als radioamateur, worden mijn versterkers blootgesteld aan sterke RF velden. Niet alleen mijn eigen versterkers maar ook die van mijn buren.
Bij mij 300 meter vandaan staat bovendien een commercieel FM station wat een flinke veldsterkte neerzet. Met een oscilloscoop meet ik dit FM station (100mV @ 107 MHz) common mode op mijn luidsprekerkabels.

Sterke RF velden beinvloeden de kwaliteit van een audioketen. Dit kan zich op verschillende manieren goed waarneembaar uiten:
- brom, ruis, vervorming
- klikken
- demodulatie in de audio versterker wat kan leiden tot kortegolf ontvangst
- terugmenging van meerdere RF signalen naar het hoorbare gebied

Minder goed waarneembaar is:
- enigzins scheeftrekken van de versterker DC instellingen als gevolg van RF demodulatie
- slechtere signaal/ruis verhouding
- verslechterd dynamisch bereik
- je hoort dat er iets niet goed is maar je weet niet wat

Bij versterkers die je in een winkel koopt worden eisen gesteld aan immuniteit en emissie (CE/FCC). Maatregelen zijn dan getroffen om door de EMC testen heen te komen. De vraag is in hoeverre dit is gebeurd bij zelfbouw versterkers. Dit gaat namelijk niet vanzelf goed.

Ik heb de mogenlijkheid om mijn zelfbouw versterkers te testen volgens de geldende EMC normen (immuniteit, emissie voor zowel conductive als radiation maar ook ESD)

Er zijn soms nogal wat maatregelen nodig om door deze testen heen te komen.
Zie de plaatjes van mijn Amp10-basic op: http://home.wanadoo.nl/jjleijssen/Audio/Doc1.htm

In de volgende zaken geloof ik niet als we het hebben over meer dan 100dB signaal/stoor verhouding (voor zover dit waarneembaar is ).
- houten versterkerkasten
- afwezig zijn van common mode filters in de kabels
- afwezig zijn van een netfilter
- schakelende voedingen

Graag reactie

[dekkersj]

Welke amplitude heeft het signaal bij die 100dB SNR?

(want hier haal ik als ik het signaal maximaliseer 94,5dB en dan heb ik geen netfilters, geen common-mode filters, geen behuizing en alle kabels kris-kras door elkaar)

Groet,
Jacco

[EMCjack]

Jacco,

Even de achtergrond van die 100dB.
Een jaar of vijf geleden was ik een van de medeontwikkelaars van een harddisk videorecorder voor een klant van ons bedrijf.
Deze klant verkoopt high-end audio/video apparatuur. De eis voor deze harddisk recorder was >100dB SNR in het audiopad.
Gemeten van scardplug1 naar scardplug2 (0,5V - 1V RMS) over de printplaat door een stuk sillicium heen. Deze printplaat bevatte dus ook de digitale elektronica, high-speed SDRAM enz.
Het audiopad hebben we zoveel mogelijk differentieel opgezet. We hebben uiteindelijk 106dB gehaald. Echter het grootste probleem kwam niet van binnen het apparaat maar van buiten. Niemand had dit verwacht.
De SNR verslechterde tot ruim onder de 100dB als in de buurt (paar meter afstand) van de harddisk recorder de TV aanstond. Dit kwam door de beeldbuis van de TV, vermoedelijk E-veld rondom de beeldbuis die wat instraalde op de kabels. (LCD en plasma zijn trouwens ook niet stoorvrij)
Waar het mij om gaat is dat er een aantal externe invloeden zijn bij audioapparatuur, die de uiteindelijke SNR domineren.
Althans goed meetbaar, hoorbaar weet ik niet. Zelf hoor ik het niet.
Ik zou eerst deze stoorbronnen aanpakken, alvorens over te stappen tot andere maatregelen om de kwaliteit te verbeteren.
Gelukkig komt deze storing common-mode binnen. Met ferriet clamps en dergelijke kun je er wat aan doen zonder de audio kwaliteit aan te tasten.

Groet Jack.

[dekkersj]

Bedankt voor je antwoord en het maakt het plaatje wat mij betreft af. 1Vrms en dan 100dB halen is inderdaad geen sinecure. Even helemaal los of je er iets van zou horen.

Zelf probeer ik mijn audioschakelingen te ontwerpen dat het in die triple digits komt en dat is niet triviaal. Met een standaard voedinkje haal je 80dB op de sloffen, maar die laatste 20 a 30dB is de uitdaging. Dat dan gemeten in een audiobandbreedte. Ik hoop er binnenkort wat meer over te vertellen (er is een recent ontwerpje in de maak) en ik ben ook benieuwd of het bestand is tegen bursts op het net. Op mijn werk heb ik een provesorisch EMC-labje waar ik eenvoudige testen kan doen. Mag eigenlijk maar een kleine naam hebben, maar toch.

Groet,
Jacco

[Pjotr]

Tja, in vroeger tijden wilden sterke AM zenders nog wel eens goed te ontvangen zijn via de platenspeler. W.d.b. niets nieuws onder de zon.

Maar je hebt het nu over HF, wat dacht je hoeveel instraling je kunt hebben van het netsnoer op signaalkabels? De laadpulsen van de voedingselco's kunnen er ook wat van.

[EMCjack]

Peter,

In de professionele elektronica ontwikkeling keken wij er altijd als volgt tegen aan. Antwoord is wat uitgebreid omdat ik de voorkennis van de lezers niet kan inschatten. Overigens emotie speelde bij ons daar nooit een rol in. De stelregel was altijd "meten is weten".

Maar je hebt het nu over HF, wat dacht je hoeveel instraling je kunt hebben van het netsnoer op signaalkabels?

Iedere audioversterker, met tegenkoppeling, heeft van nature een CMRR (common mode rejection ratio) en PSRR (power supply rejection ratio).
Het hedendaagse lichtnet is niet zo schoon, denk aan fase aansnijdingen, schakelende voedingen (sterk kostprijs geoptimaliseerd dus smerig) enz.
Een ongefilterde voeding geeft alle rommel op het net door aan de voeding van de versterker. Je vertrouwt erop dat de CMRR en de PSRR van de audioversterker het uitgangssignaal schoon houden. Als je niet verder kijkt dan een 60dB SNR is dat ook wel het geval.
Echter als er RF signalen in de versterker komen gebeuren er onvoorspelbare dingen. De zaak trekt scheef mede als gevolg van demodulatie wat een DC verschuiving geeft. CMRR en PSRR gaan aan de haal.
Voorkomen van deze RF stromen is mogelijk door gebruik van common mode filters in de in- en uitgangssignalen en een netfilter.
"EMC radiated susceptibility" testen met een antenne werden bij ons gedaan met veldsterkten van 10V/m van 30MHz tot 1GHz.
"EMC conductive susceptibility" via geleiding geinduceerd op de kabels van 100KHz tot 30MHz. (veldsterkten zou ik moeten nakijken)
Al deze testen mochten geen verslechtering van de SNR tot gevolg hebben. De eerlijkheid gebied mij te zeggen dat we wel eens hebben moeten smokkelen;-)

De laadpulsen van de voedingselco's kunnen er ook wat van.

Gegeven een gelijkrichtschakeling met een bruggelijkrichter en een afvlakcondensator. Veel mensen denken dat de diodes een halve periode van de 50Hz sinus geleiden.
Dit is niet waar, pas als de spanning op de anode 0,7V hoger is dan de kathode gaat de diode geleiden. Als de afvlakcondensator al tot een bepaalde spanning is opgeladen gaat de diode pas geleiden als de anode spanning 0,7 V hoger is dan de condensator spanning. M.a.w. de condensator wordt piekvormig geladen gedurende een klein gedeelte van de tijd van een halve periode. De diodestroom is een piek met steile flanken. Deze steile flanke bevatten hoogfrequente componenten tot honderden KHz aan toe, in een ritme van nog steeds 50 of 100Hz. Deze hoge frequenties worden door de PSRR veel minder onderdrukt.
Ook stralen deze hoge frequenties makkelijker door naar de ingangssignalen. Dit kun je soms duidelijk horen als een zacht 50 of 100Hz geknetter (brom).
Vaak zie je in versterkers dat men over de diodes in de voeding kleine condensatoren heeft geplaatst om de steile diodeschakelflanken wat de dempen (10-100nF).

Jack.

[Pjotr]

Pjotr,

In de professionele elektronica ontwikkeling keken wij er altijd als volgt tegen aan. Antwoord is wat uitgebreid omdat ik de voorkennis van de lezers niet kan inschatten. Overigens emotie speelde bij ons daar nooit een rol in. De stelregel was altijd "meten is weten".

Laat ik je wat dat betreft uit de droom helpen: Voor mijn werk ontwerp ik powerconverters > 1 kW en die lopen tegenwoordig op zo'n 400 kHz.

Vaak zie je in versterkers dat men over de diodes in de voeding kleine condensatoren heeft geplaatst om de steile diodeschakelflanken wat de dempen (10-100nF).

Jack.

Tja, lang geleden stond er een DIY FM tuner op mijn tafel, opgebouwd met kant en klare Görler bouwblokken. Ding ontving bijna niets was de klacht. Vier keramische schijfcondensatoren over de brugcel en het probleem was opgelost ....

Maar je punt is valide, over EMC zaken wordt veel te weinig nagedacht of aandacht aan besteed in DIY land. Het is ook taaie materie, zelfs voor menig vakelektronicus.

Ook professionals kunnen er wat van. Ooit repareerde ik een Denon eindversterker uit het topsegment. Zaten daar doodleuk alle draden, dus de netleiding, speakerleidingen, voedingsleidingen EN de ingangs sigaalkabeltje in 1 kabelboom samengebonden....

[EMCjack]

Laat ik je wat dat betreft uit de droom helpen: Voor mijn werk ontwerp ik powerconverters > 1 kW en die lopen tegenwoordig op zo'n 400 kHz.

Mooi zo,

Je ziet dat veel mensen die professioneel in de techniek werkzaam zijn er thuis ook nog wat in hobbyen (dit zijn de echte!).
Nu ik het er toch over heb, en versterkers het onderwerp is, ik ken twee mensen uit de ontwikkelwereld die bouwen voor hun hobby professionele versterkers voor de gouden oren. Ze verkopen ook aan studio's. De markt voor deze dingen is niet zo groot. Hun website: www.arrayaudio.nl (nee ik krijg hier geen provisie voor;-)
Zes jaar hebben ze gedaan over de ontwikkeling van deze versterker. Naar wat ze zelf zeggen moet dit absolute topklasse zijn. De grap is dat het ding een bandbreedte heeft van 120MHz. Bij deze bandbreedte verdwijnt alle vervorming in de tegenkoppeling.

Ook professionals kunnen er wat van. Ooit repareerde ik een Denon eindversterker uit het topsegment. Zaten daar doodleuk alle draden, dus de netleiding, speakerleidingen, voedingsleidingen EN de ingangs sigaalkabeltje in 1 kabelboom samengebonden.... .

Waarschijnlijk wordt tijdens veranderingen in het productieproces de SNR niet meer nagemeten. Dit heeft te maken met kostprijs, mijlpalen, haast en managers die het beter denken te weten. Ik weet het want ik kom ook uit deze wereld.
Vergelijk een audio versterker even met een opamp. Net als een opamp worden signalen die op de + en - ingang even groot zijn en met dezelfde polariteit, niet versterkt. Dit is de reden dat een audio versterker met een differentiele ingang, minder gevoelig is voor storing op de kabels. Immers een storing komt zowel op de - als + ingang even sterk binnen, het verschil is dus nul. Differentiele ingangen op versterkers zijn in termen van kostprijsoptimalisatie niet handig vanwege duurdere kabels en pluggen. Daarom heeft men er lang geleden al voor gekozen om een van de ingangen van de verschilversterker op de ground/aarde aan te sluiten. Dit kan zowel de + als - ingang zijn. In de professionele wereld zie je veel vaker differentiele ingangen. Je zult daar zelden zien dat de afscherming van een kabel tevens signaal leider is. In de kostprijs geoptimaliseerde wereld (high volume consumer electronics) wordt niet anders gedaan dan afschermingen als signaal leider gebruiken.
Boven de 100dB SNR wordt dat lastig te beheersen. Alle ADC's vanaf 16-bit (96dB bereik) hebben differentiele inputs, dat is niet voor niets.
Mijn streven is een ruime 100dB SNR onder alle omstandigheden. Niet dat ik het ga horen maar ik wil weten wat de beperkingen hiervoor zijn.

[Pjotr]

Zes jaar hebben ze gedaan over de ontwikkeling van deze versterker. Naar wat ze zelf zeggen moet dit absolute topklasse zijn. De grap is dat het ding een bandbreedte heeft van 120MHz. Bij deze bandbreedte verdwijnt alle vervorming in de tegenkoppeling.

<quote>
"Al onze versterkerschakelingen (ook de stroomversterkers in de eindtrappen) zijn uitgerust met minimaal 100 MHz (open-loop unity gain) bandbreedte. Waarvoor, vraagt U zich natuurlijk af. De mens hoort toch maar tot 20 KHz? Voor het gebruiken van deze bandbreedte zijn een aantal zeer belangrijke redenen aan te wijzen."

Een GBW-product van 100 MHz is heden ten dage toch niet zo bijzonder? Dat is heel wat anders dan de powerbandvreedte van de uiteindelijke versterker. Ze nemen in hun conclusie wel een loopje met de werkelijkheid.

Neemt niet weg dat Array wel fraaie versterkers maakt.

[EMCjack]

Peter,

Ik vraag het binnenkort na, er was iets speciaals met hun versterkers niet alleen de bandbreedte maar ook m.b.t. de fase. Ze zouden voordelen hebben t.o.v. klasse-A en ook t.a.v. buizenversterkers. Er zitten in de eindtrap hybride schakelingen speciaal hiervoor ontworpen.

Ze staan trouwens open voor alles waarmee ze nog verbeteringen kunnen aanbrengen. Maar dat wordt steeds minder.

Ik doe het voorlopig met mijn Amp10-basic. Die klinkt erg mooi. Als ik 250Watt in de lucht zet vlak bij mijn versterker met kabels eraan, geeft ie geen krimp. Terwijl bij mijn buurman twee huizen verderop de audio installatie gaat brommen. Deze amp10-b is ingebouwd in een aluminium koffertje, alle kabels hebben commonmode transformatoren. Binnenkort nog wat ESD diodes bestellen en dan durf ik er ook met 8KV testpulsen op te schieten.

Groet Jack.

[EMCjack]

Onderstaande link geeft toegang tot informatie m.b.t. de immuniteit van audiosystemen voor RFI (radio frequency interference).

http://audiosystemsgroup.com/publish.htm

De moraal van het verhaal is:
Gebruik de afscherming van een kabel als verlengstuk van een kast (chassis).
De afscherming is nooit een signaal voerder. Dit in tegenstelling tot wat in (kostprijs geoptimaliseerde) consumenten elektronica gebruikelijk is.

Jack.

[Mr Tube]

Interessant topic dit!
De RFI problematiek wordt soms zwaar onderschat, je hoeft niet perse zendamateur te zijn om er last van te hebben. De antennes aan het audiosysteem in de vorm van LS ,interlink en netkabels pikken vele storingen van o.a Wifinetwerk, GSM, digitale systemen zoals computers.

Laatst ook een demo meegemaakt van Array audio en daar hebben ze het ook goed begrepen, veel aandacht voor RFI en bandbreedte.

[Mr Tube]

Laat ik je wat dat betreft uit de droom helpen: Voor mijn werk ontwerp ik powerconverters > 1 kW en die lopen tegenwoordig op zo'n 400 kHz.

Mooi zo,

Zes jaar hebben ze gedaan over de ontwikkeling van deze versterker. Naar wat ze zelf zeggen moet dit absolute topklasse zijn. De grap is dat het ding een bandbreedte heeft van 120MHz. Bij deze bandbreedte verdwijnt alle vervorming in de tegenkoppeling.

De versterker heeft geen bandbreedte van 120MHz, de eindtorren hebben een bereik van 120MHz bij unity gain. In elk geval wel snelle torren en dat komt het geheel zeker ten goede, ze zullen zeker niet de beperkende factor zijn.

[Jasper]

In dit kader heb ik nog een vraagje over EM afscherming:

Ik wil een HTPC en een 5-kanaals UcD versterker in een zelfgemaakte kast bouwen. Het geheel gaat in een 60cm brede kast, en ik zet de 500VA trafo zo ver mogelijk weg van het moederbord en harde schijf.

De kast zelf is van hout, maar dat levert uiteraard nauwelijks EM bescherming. Kan ik het bekleden met lood of aluminium om een optimale afscheiding te krijgen? Het gaat dus om zowel lage frequenties (50Hz) als hoge frequenties.

Daarnaast denk ik eraan om een paar voedingslijnen van PC (5V en 12V) te gebruiken voor mijn versterker om bv de softstart in te schakelen en om de relais-volume attenuator te voeden. Deze zullen onvermijdelijk in de buurt van de audiosignaal-paden komen. Kan dit kwaad? Heeft het zin of is het zelfs nodig om bv een ferietkralen toe te voegen? Of is de PC voeding al redelijk schoon te noemen?

[just-sounds]

Ik ben ongekwalificeerd om alle vragen te beantwoorden maar.

Als de voedingslijnen van je PC gelijkstroom zijn dan hoef je je een stuk minder zorgen te maken over de audio bedrading. Zorg wel dat de gelijkstroompaden ver weg zijn van de wisselstroomdraden.

Je kunt de kast met staal koper of alu bekleden zorg wel dat alle panelen contact met elkaar maken.

Suc6!

[Mr Tube]

Moederbord en harde schijf goed afschermen of twee aparte compartimenten maken voor het PC deel en audiodeel.
Inputs van de UCD's voorzien van HF filtering, een ferriet bead toepassen en een heel klein ctje tussen massa kabel en chassis.
Ook een ferriet ring toepassen bij de primaire kant van de 500VA trafo.
Ik denk dat je op deze manier de grootste RF problemen dan de baas bent.

houd trouwens wel goed rekening met de koeling!!