Hoorbaarheid van hoogfrequente storing.
Hoogfrequente storing uit het lichtnet.
Hoe kan onhoorbaaar hoogfrequent toch hoorbaar worden.
Intermodulatie met het audio signaal.
Intermodulatie van stoorsignalen onderling.
Hoe kan hoogfrequent toch een effect hebben zonder dat je iets hoort in een stille passage.
Andere hoofdstukken in het EMC deel:
Hoogfrequente storing uit het lichtnet.
In praktisch geheel
Nederland zit het laagspanningsnet (1) onder de grond. De kabels in de straat
hebben vaak ook nog een metalen afscherming (2). Het is onwaarschijnlijk dat hoogfrequente storing vanuit die grondkabels ons huis binnendringt.
De hoogfrequente storing die op het stopcontact staat is vrijwel altijd het gevolg van inkoppeling vanuit
locale apparaten of van elektro-magnetische velden van bronnen in de buurt of
veraf (radio / TV zenders e.d.).
Hoogfrequente signalen boven pakweg 30 MHz (golflengte 10 meter) zullen in een woonhuis meestal common mode zijn, en niet alleen met de fase en de nul, maar ook met de veiligheids aarde. Hoogfrequente velden zijn nl. kleurenblind en induceren evenveel spanning in draden met een bruine, blauwe dan wel geel/groen gekleurde isolatie.
Fig 1. Illustreert
dat HF storing vrijwel altijd common mode is voor Fase, Nul en Veiligheidsaarde.
Bij de stroomkring spelen de parasitare capaciteiten van de audio apparaten en
hun kabels naar de omgeving (aarde) mede een rol. Zulke HF-velden induceren
natuurlijk ook storing in de kabelbrei achter je audio rek. Er ontstaan dan
weer inkoppelmogelijkheden als in hoofdstuk 3.
Voor HF signalen tussen 20 kHz en de hiervoor genoemde pakweg 30 MHz is de differentiele mode aannemelijk, maar alleen als de bron locaal, d.w.z. in het zelfde huis zit. Kandidaten zijn spullen met een schakelende voeding, zoals PC's, TV's (plat en met CRT), DVD-spelers, "elektronische" halogeen trafo's en zo. Al deze spullen vallen onder de EMC regelgeving hetgeen betekent dat ze niet meer dan 1mV storing in het lichtnet mogen produceren. Zie de samenvatting.
Noot:. Alhoewel ik hier voorbeelden geef met transistoren geldt de materie in vergelijkbare mate ook voor buizenversterkers.
(1) In de energie sector heet alles onder de 500 Volt "laagspanning", maar je moet het niet beetpakken. Het is het bereik van o.m. de Nederlandse norm NEN1010.
(2) Die afscherming zit er meer voor de mechanische sterkte en mogelijk om de ergste schokken bij ongelukjes met graafmachines te beperken. Niet voor onze audio genoegens.
Hoe kan onhoorbaaar hoogfrequent toch hoorbaar worden.
Als het hoogfrequente signaal van een AM radiozender terecht komt in een audio versterkertrap kan de modulatie van die zender hoorbaar worden. We noemen dat werkpuntsverschuiving, of ook wel AM-detectie.
Fig. 1.
Werkpunts verschuiving. De DC-instelling van de transistor verandert t.g.v. de
sterkte van het hoogfrequente signaal. Er gebeurt eigenlijk hetzelfde als in een AM radio
ontvanger.
Om een effect te hebben is er vrij veel stoorsignaal nodig, want de werkpunts
verschuiving treedt pas op als de transistor niet meer in het lineaire gebied
werkt. Er is vaak enkele tientalllen millivolts nodig om het zover te
krijgen. Bij zwakkere stoorsignalen merk je er niets van.
"Maar dan wordt dat HF toch versterkt en dan gaat het bij de volgende verterkertrap mis" zul je vragen. Het antwoord is: Ja, dat kan.
De les die een elektronica ontwerper hieruit kan leren is dan ook: Geef je circuits niet meer bandbreedte dan ze nodig hebben en doe dat bij iedere versterkertrap. Als je een audio versterker gaat maken met een bandbreedte van 10 MHz dan is dat smeken om zulke problemen.
Fig. 2. Een goede remedie is om het HF buiten de versterkrtrap om te leiden. Een laagdoorlaat filtertje zo dicht mogelijk bij de connector waarop het audio signaal binnenkomt zorgt er voor dat de HF-stroom niet door de transistor gaat. Geef dat netwerkje een kantelfrequentie tussen 50 en 100 kHz.
Om de invloed van HF boven pakweg 100 Mhz in te tomen is een serieweerstandje vlak bij de transistor of IC aan te raden. Ook kleine capaciteiten of zelfinducties op de juiste plaats kunnen verhinderen dat het HF de transistor bereikt.
In het voorgaande ging het
om een Amplitude gemoduleerde draaggolf. Hoe zit dat bij FM? Daar is de
amplitude van het zendersignaal toch constant en treedt er wel
werkpuntsverschuiving op, maar die is constant, en dan hoor je de modulatie toch
niet?
Ja. In beginsel treedt er bij storing door een FM zender veel minder gauw iets
hoorbaars op. Dat is de reden dat er voor de CB-zenders (de 27MC bakkies)
destijds voor FM gekozen is.
De praktijk is echter dat het zuivere FM signaal toch een beetje naar AM vertaald wordt. De overdracht van de stoorbron tot in het gestoorde apparaat zal zelden een mooie vlakke amplitude karakteristiek hebben, door resonanties van kabels en multi-pad effecten.
En met digitale zenders? Ik weet dat niet zeker. Als het z.g. quadratuur modulatie is dan is er uiterst weinig audiofrequente modulatie te verwachten. Het is dan heel goed mogelijk dat je niets hoort met de CD-speler op pauze en de volume knop helemaal open.
En mobiele telefonie? Nou, dat hoor je wel... De zender van een mobieltje wordt tijdens een gesprek 200 x per seconde gedurende een halve millisceonde aangezet (ongeveer) en kan dan tot 8 Watt aan hoogfrequente energie produceren. Een vuistregel uit het EMC-vak geeft aan dat je dan een veldsterkte van 20 V/m mag verwachten op een afstand van 1 meter. Als dat signaal in een audioversterker terecht komt levert dat een goed hoorbaar geratel op. Probeer het maar eens bij het luidspreker versterkertje van je PC, die zijn vaak slecht afgeschermd.
Het heeft niet zoveel zin om je audio apparatuur op ongevoeligheid voor HF storing te testen door met een mobieltje tussen de kabels in het audio rek te zwaaien. Ja, als je niets hoort dan zit het wel goed, maar als je wel wat hoort dan betekent het vooral dat je die telefoon ergens anders moet neerleggen. Die 20 V/m is onrealistisch hoog om het gedrag van je audio spullen bij "normalere" stoornivo's te bepalen.
Intermodulatie met het audio signaal
Een stoorsignaal met een frequentie boven 20 kHz kan d.m.v. intermodulatie met het audio signaal een product leveren dat binnen de audio band valt. Het stoorsignaal moet daarvoor een frequentie hebben ergens tussen 20 kHz en 40 kHz, want anders vallen de verschilfrequenties niet in de audio band.
Bovendien moet er een niet-lineair element zijn. Dat laatste zal niet zo gauw gebeuren, want we proberen versterkers zo te ontwerpen dat de vervorming laag is. De audio signalen mogen onderling ook niet intermoduleren.
Er is voor dit scenario een fors stoorsignaal nodig.
In dit scenario is het mogelijk dat je geen bijgeluiden hoort met de CD op pauze of met de Stilte-CD.
Intermodulatie van stoorsignalen onderling
Stoorsignalen van allerlei onhoorbare frequenties kunnen door onderlinge intermodulatie iets hoorbaars produceren. Ook hier is er een niet lineair element nodig. Voor (zeer) hoogfrequent zal een versterkertrap waarschijnlijk meer intermodulatie vervorming poduceren dan voor het audio waarvoor 'ie ontworpen is..
Ook hier is de boodschap aan de ontwerpers weer: Zorg dat de bandbreedte van de versterkertrappen niet veel groter is dan ze echt nodig hebben.
Hoe kan hoogfrequent toch een effect hebben zonder dat je iets hoort in een stille passage.
Dat kan als er sprake is van een stoorbron die ongemoduleerd is of een modulatie heeft waarin geen audiofrequente componenten zitten. Ondanks dat er werkpuntsverschuiving optreedt hoor je niets bijzonders als je de CD-speler op pauze zet en het volume opdraait of de Stilte-CD draait.
Wat kan er dan nog wel fout gaan? Het antwoord is: Vervorming. Door de constante werkpunts verschuiving is het denkbaar dat de vervorming (THD) toeneemt.
Echter: als zulke
storing via het lichtnet en het voedingsdeel van je audio apparaat binnenkomt
zal het in de gelijkrichter gemoduleerd worden met 100 Hz, en ga je het toch
weer als een bijgeluid waarnemen. Ja, die condensatortjes over de gelijkrichter
kunnen dat moduleren verhinderen, maar in de praktijk zitten die er meestal niet.
Kortom: Het is uiterst onwaarschijnlijk dat een stoorsignaal van buiten
je audio apparatuur een effect op de weergave heeft, zonder dat er in de stilste
passages bijgeluiden te horen zijn.