МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫЕ ПОМЕХИ ОТ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ (1)
Д. Авдонин, А. Гречихин (UA3TZ), г. Нижний Новгород
Радиоприем нередко сопровождается сильным фоном переменного тока, прослушиваемым при настройке на несущую радиостанции. Даже если несущая отсутствует, например, при приеме SSB сигналов, речь становится искаженной и неразборчивой. Телеграфные сигналы приобретают хриплый тон. Особенно сильно эффект проявляется в транзисторных приемниках со штыревыми антеннами, зачастую делая невозможным их питание от сети переменного тока. Эффект в равной мере проявляется и при передаче, искажая сигнал станции и расширяя его спектр. О причинах этого явления и средствах борьбы с ним и рассказывается в предлагаемом материале.
В статье рассмотрены такие преобразования радиосигналов, при которых в результате прохождения токов радиочастоты через диоды работающего источника вторичного электропитания, содержащего выпрямитель, происходит нежелательная модуляция радиосигналов с частотами гармоник питающей сети.
Наиболее ярко этот эффект проявляется, например, при питании портативного вещательного радиоприемника AM сигналов со штыревой антенной от сети переменного тока через выпрямитель. Фон переменного тока прослушивается только тогда, когда приемник настроен на частоту работающей станции, и совсем не слышен, если сигнал станции отсутствует. Интенсивность фона повышается с ростом уровня сигнала, поэтому фон наиболее заметен при приеме местных радиостанций [1]. Наряду с фоном переменного тока, четко выделяющимся во время пауз передачи, прослушиваются существенные искажения речи и музыки.
В отличие от аддитивного фона, причиной которого может быть, например, неудовлетворительная фильтрация напряжения питания и который прослушивается на выходе приемника независимо от того, настроен он на какую-либо станцию или нет, указанный фон справедливо называют мультипликативным фоном (МФ) [2], т. е. возникшим в результате функционального перемножения колебаний сигнала и помехи.
Рис. 1
Процесс может происходить следующим образом: если в качестве антенны используется отрезок провода, то в антенную систему, участвующую в процессе приема, в качестве противовеса неизбежно входят провода питающей сети, в которых, как и в антенном проводе, под действием электромагнитного поля радиостанции тоже наводится ЭДС радиочастоты (рис. 1). Источник вторичного питания (ИВП) в этом случае действует одновременно и как модулятор радиосигнала фоном переменного тока, поскольку в цепь антенной системы приемника (Rx) оказываются включенными диоды выпрямителя, как показано на рис. 2.
Рис.2
Каждый диод работающего выпрямителя является для сравнительно малых напряжений радиочастоты параметрическим элементом (т. е. линейным элементом, параметры которого существенно изменяются во времени с частотой 50 Гц под действием сравнительно большого напряжения от вторичной обмотки трансформатора). Радиочастотный ток i в цепи антенной системы, попадающий на вход приемника, определяется как произведение напряжения полезного сигнала на диодах, пропорционального наведенной в антенной системе ЭДС, на переменную проводимость диодов. Полезный сигнал оказывается таким образом умноженным на функцию изменения проводимости диодов, получая при этом паразитную модуляцию фоном переменного тока. Ввиду того, что под влиянием изменений обратного напряжения при закрытых диодах изменяется их емкость, сигнал получает в общем случае не только амплитудную, но и фазовую (частотную) модуляцию [3].
Аналогичные явления могут происходить не только при приеме, но и при передаче. При этом источником радиочастотных токов в проводах сети является передатчик, питаемый от сети через выпрямитель. Антенная система с участием проводов сети излучает сигнал с паразитной модуляцией фоном, и этот мультипликативный фон будет помехой всем, кто принимает сигнал данного передатчика. Если радиостанция в режимах приема и передачи использует одну и ту же антенну и питается от одного выпрямителя, то обнаруженный при приеме мультипликативный фон свидетельствует о том, что и при передаче также может быть паразитная модуляция сигнала фоном.
Область проявления рассматриваемого эффекта отнюдь не ограничивается портативной радиоаппаратурой. В стационарных установках с простейшими антеннами токи, казалось бы, должны уходить по проводу заземления, минуя источник питания. Однако от заземления в этом смысле мало пользы, ибо эффективное заземление по высокой частоте, как известно в [4, 5], практически неосуществимо. Синфазные токи радиочастоты в проводах сети могут наводиться в режиме передачи и при наличии полноценной (даже симметричной) антенны с фидером. Это происходит при недостаточном удалении самой антенны от проводов сети или при наличии антенного эффекта фидера [6].
Выше указывалось, что паразитной модуляции подвергается как амплитуда, так и фаза (частота) сигнала. На практике исходная паразитная частотная модуляция фоном незначительна, однако если модуляция принимаемого (или передаваемого) сигнала фоном даже чисто амплитудная, то неизбежные перекосы частотной характеристики тракта передачи-приема приводят к появлению частотной модуляции
фоном и помеха будет обнаруживаться приемниками не только AM, но и ЧМ сигналов.
Рассматриваемые мультипликативные помехи приводят к серьезному ухудшению качества сигналов радиовещания и связи. Прием телеграфных и однополосных сигналов, как и обычных радиовещательных, сопровождается характерной хрипотой. В [2] отмечается, что в телевизоре мультипликативный фон "может быть одной из причин появления на экране перемещающихся горизонтальных полос, в пределах которых изображение имеет ослабленные или усиленные контрастность и яркость". Это случается при пользовании простыми комнатными или встроенными антеннами. Нередко причиной помех бывает модуляция радиосигнала в подключенном к той же сети выпрямителе, функционально (и даже гальванически!) не связанном с приемником или передатчиком этого сигнала.
Обстоятельный анализ мультипликативных помех дан в книге [З]. Если влияние аддитивной помехи, которая суммируется с сигналом, можно ослабить с помощью фильтрации, компенсации и даже просто увеличением уровня полезного сигнала, то наиболее реальный путь борьбы с мультипликативной помехой - устранение ее причин и, в частности, в источнике питания.
В литературе можно найти ряд способов ослабления мультипликативного фона [1, 2, 7-10], однако все обнаруженные литературные источники затрагивают проблему только с одной стороны - при радиоприеме.
Наша цель - не только показать, что область возможных негативных проявлений рассмотренных преобразований несколько шире, но также сделать сравнительную оценку возможных способов подавления МФ и привести обоснованные аргументы в пользу одного из направлений в борьбе с этим явлением.
Мультипликативный фон, как при передаче, так и при приеме, возникает при совпадении двух условий: наличия существенной связи между приемником (передатчиком) и проводами сети, т. е. заметного участия проводов сети в работе антенной системы и наличия модулирующих параметрических элементов (диодов выпрямителя) в цепи антенной системы, включающей передатчик (приемник).
Следовательно, борьба с мультипликативным фоном может проводиться, по крайней мере, одним из двух способов соответственно: ослаблением связи между передатчиком (приемником) и проводами сети или ослаблением модулирующего действия диодов. Любой из этих методов для ослабления МФ может оказаться достаточным.
Наиболее популярный способ подавления мультипликативного фона относится ко второму методу. Он состоит в шунтировании диодов выпрямителя конденсаторами [2, 8-10]. Путь токов радиочастоты становится более коротким через имеющие малое сопротивление линейные конденсаторы, а не через диоды, и при достаточно большой емкости шунтирующих конденсаторов удается получить значительное ослабление помехи.
Примерно с конца 70-х годов шунтирование диодов выпрямителей конденсаторами используется многими отечественными и зарубежными производителями источников вторичного электропитания радиоаппаратуры. Конденсаторы устанавливают как в мостовых, так и в двуполупериодных выпрямителях с отводом от середины вторичной обмотки, и даже в однополупериодных выпрямителях. Нам не удалось проследить первопричину и выяснить цель установки конденсаторов, однако в ряде обнаруженных (немногочисленных) комментариев по этому поводу указывалось, что это сделано для "сглаживания высокочастотных помех, проникающих со стороны сети". Во всяком случае эффект модуляции фоном переменного тока заметно снижается. Конденсаторы также способствуют уменьшению импульсных помех от переходных процессов в самих диодах при работе выпрямителя [5].
Другой способ исключить диоды выпрямителя из цепи для синфазных токов радиочастоты более доступен: можно просто соединить по высокой частоте провода сети с общим проводом (корпусом) радиоаппарата [1, 7]. Это делается, например, во всех чувствительных к помехам измерительных приборах и генераторах сигналов. Оба провода сети соединяют с корпусом прибора конденсаторами по 10...100 нф. В этом случае незаземленный корпус прибора может оказаться под опасным напряжением, поэтому защитное заземление (или зануление) корпуса обязательно.
Заметим, что в результате шунтирования конденсаторами диодов или выпрямителя в целом помехи разного рода, проникающие как со стороны сети (в приемник), так и в сторону сети (от передатчика), не уменьшаются, а наоборот, увеличиваются, так как уменьшается сопротивление на их пути.
Таким образом, ослабляя по второму методу мультипликативный фон, возникающий в своем выпрямителе, мы не устраняем, а наоборот, увеличиваем токи радиочастоты в проводах сети. Остается мощный потенциальный источник помех - электросеть как активная часть антенной системы. Таким способом, как показывает опыт, практически невозможно эффективно подавить МФ в условиях реальных сетей при наличии нелинейных или параметрических элементов в подключенных к этой же сети соседних устройствах, в частности устройствах вторичного электропитания.
Значительно лучше в этом отношении не облегчать путь токам радиочастоты через выпрямитель, а наоборот, исключить причину этих токов или закрыть им этот путь, следуя первому из указанных выше методов.
Один из способов - установка запорных дросселей [2]. Они включаются в цепи питания (первичную и/или вторичную) поблизости от объекта (приемника или передатчика), при этом не требуется вмешательства в цепи выпрямителя. Дроссели служат для исключения или для ограничения участия проводов сети в составе антенной системы радиоустройства. Они защищают приемник не только от помех, возникших в своем выпрямителе, но и от помех, возникших во всех других выпрямителях и прочих источниках, связанных сданной сетью. Ведь паразитная модуляция может произойти и на диодах "чужого" выпрямителя.
Дроссели в проводах сети устанавливают практически во всех современных телевизионных приемниках с импульсными вторичными источниками питания, хотя основное их назначение - закрыть путь для гармоник частоты преобразователя и генератора строчной развертки в провода сети.
Другой способ [2] состоит в экранировке вторичной обмотки силового трансформатора от первичной. Идеальная экранировка предполагает полное устранение емкостной связи между обмотками трансформатора. Однако это невозможно ввиду практической невыполнимости эффективного заземления экрана по радиочастоте. А для бестрансформаторных источников питания этот способ, конечно, вообще не подходит.
Еще один путь борьбы с мультипликативным фоном - ослабление электромагнитной связи между антенной и проводами сети. Этого можно добиться удалением, насколько возможно, проводов антенны от проводов сети, избегая параллельного их расположения, а также предупреждением или ослаблением антенного эффекта фидера [6], что достигается, например, с помощью симметрирующих устройств и запорных дросселей (линейных изоляторов) в фидере.
Для наиболее эффективного подавления и предупреждения мультипликативных помех можно и нужно использовать все доступные способы комбинированно. Однако в большинстве описаний любительских блоков вторичного питания никаких средств борьбы с МФ, к сожалению, не обнаружено.
Подчеркнем, что способы первого метода, не являясь необходимыми для узкой цели подавления мультипликативных помех от источников питания, могут оказаться весьма желательными и даже необходимыми для борьбы и с прочими помехами других видов (аддитивных), в то время как взятые отдельно способы второго метода могут усугубить помеховую ситуацию в отношении этих прочих помех. Поэтому предпочтительное применение первого метода отдельно или в сочетании со вторым нам представляется более чем целесообразным.
Сказанное иллюстрируется осциллограммами, полученными с помощью компьютерного моделирования (Electronics Workbench v.5.12). Схема моделирования представлена на рис. 3.
Рис.3
(Окончание следует)
Радио 2/2002, с.62-63.