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電源哼聲干擾高頻的由來

No.42   1996 July   p 90 ~ 92,   by 編輯部



    如果你把射頻迴路(接地)每秒鐘切斷 120 次,那會怎樣?是不是會有哼哼的聲音出現?一般在高頻範圍(俗稱短波)內收聽,總會出現嘶嘶的哼聲,或發射訊號時伴隨著哼哼的聲音,要是認真探究這雜音的來源,到頭來總是會歸罪到電源線身上,因此就有電源哼聲雜音這個名詞。

    你可曾聽過不是來自電源所引起的哼聲干擾,下面我們就是要來探討這方面的問題。出現這些哼聲的條件,總會是下列所描述其中的一種:

  • 這些哼聲一定是插用市電時才會出現,不然就是使用電池供電時,接收機靠近那些市電供電的設備。
  • 這些哼聲雖然是出現在市電供電的情況,但是同樣情況下。採用桿狀天線或是長條狀天線時,就會有哼聲,而改用同軸電纜後,哼聲往往就會消失。
  • 這些哼聲只有在接收 AM 訊號或是 CW 訊號時才會出現,在轉動接收頻率時,這些聲音就會消失。
  • 這些哼聲只有在高頻範圍內出現,接收 MW 或是 VHF 時很少聽到。
  • 接收機的價格越貴,出現哼聲的機會就越少。


平不平衡的探討

    很明顯的道理,一只燈泡一定要兩條線才能發亮,一條是電流進去,另一條則是讓電流出來,這樣才能構成一個迴路,燈泡才可以發出亮光。天線與燈泡雖然不同類,但是射頻電流進到天線,也必須有迴路,才能讓天線與燈泡發亮一樣,輻射出電波。

    以汽車電路為例,汽車上的燈泡線路都是只有一條線,車子外殼被當成是另一條線,此即所謂的電源迴路。天線也是類似這種情況,因此依照天線本身是否有射頻電流的迴路而分成平衡到及非平衡型。平衡型天線包括:定向天線、方形矩陣天線、八木天線、菱形天線等等;而非平衡型天線則有:垂直天線、倒 L 型天線、長條狀天線、及汽車上的短天線等。

    非平衡型天線需要取得另一個射頻迴路管道,才能正常工作。但是對於一只非平衡型的接收天線,要取得射頻迴路非常簡單,可以是非常短的線路板上的銅箔或者是機殼本身也可以。射頻迴路系統要多大或者是多麼有效率,才能滿足天線系統的需求,這完全要看天線的種類及尺寸,以及工作頻率高低。同時不論發射或是接收對於射頻迴路的需求也不一樣,因為對於發射而言,訊號強度的規模遠比接收要大上百萬倍。因此對於射頻迴路效率的要求,發射時遠比接收時來得更嚴格。


市電是良好的射頻迴路

    一部短波接收機使用乾電池供電時,如果不拉起伸縮桿狀天線,根本幾乎收不到訊號,但是如果改用市電供電的話,不但不用拉出伸縮桿狀天線,而且訊號甚至比電池供電拉出伸縮桿狀天線時的訊號還強,如果你有這種經驗的話,那就表示你曾經歷過所謂的非平衡型天線系統。如果你沒能提供良好的射頻迴路,那麼非平衡型天線系統就會自行找到迴路。

    上面為什麼說以市電供電會使短波接收訊號增強呢?那是因為市電線路提供了一個很好的射頻迴路。實際上,市電的線路不但佈滿了整棟房子或大樓,還一直延伸到街上電線桿的網路上。而這整片網路恰好是一個很理想的虛性接地系統,而這樣的一個虛性接地系統,在短波範圍內可以成為很好的射頻迴路。

    不論是收發機或是接收機,如果直接把機殼接到市電上一定非常危險,那根本就不需要討論以市電線路做為射頻迴路了。問題是,如果依照一般的設計,只要利用市電供電,那麼市電線路就會搖身一變成為天線系統的一部份,為什麼?
Fig 1
Fig 2
Fig 3

    參看圖 1,這是典型的接收機內的電源線路,我們來看看為什麼這裡會發生射頻迴路, 電源變壓器 T 的次級線圈先是接了一橋式整流子,D1 到 D4,然後接了濾波電容 CF。 一只電源變壓器於初級與次級間典型的寄生電容值大約在 110pF 左右(圖 1 中的 CT ),對於 10MHZ 而言,這變壓器初級與次級間的寄生電容,電抗只有大約 145 歐姆左 右,所以透過這變壓器的耦合,很顯然的,市電可以變成是很好的射頻迴路。

    從圖 1 線路也可以說明為什麼射頻可以經過收發機外殼而跑到市電線路上;電源線路 上的濾波電容負端,以及線路上所有接地點,都與此接在一起,包括外殼在內。圖 1 線路上所標示的虛線,可以說明為什麼射頻電流會從機殼經由整流二極體,以及電源變 壓器的寄生電容 CT,跑到市電線路上,而形成了射頻迴路

    圖 1 虛線所示路徑是雙向的,這一點非常重要,因為是電路上所攜帶的,不僅僅是 60Hz 的電源,同時也帶著各式各樣的雜訊,有產生自馬達的,也有電視機倒灌出來的、電腦、開關動作、亮度可控制的檯燈、日光燈、及許許多多電器等設備,而這些設備所產生的雜訊,可以透過相同的路徑,就像機殼到市電的射頻迴路一樣,從市電線路跑到接收機裡頭。

    這也就是為什麼接收機採用市電線路作為射頻迴路卻無法改善接收訊號的原因,因為有了射頻迴路而使訊號增強了,但是這路徑上存在的雜訊也會跟著跑進來了。


電源變壓器為何因耦合而成為哼聲路徑

    因為圖 1 不能像是電影上慢動作一幕幕上演,所以不能很容易看出這個射頻迴路。參看圖 3,由上而下可以看出在兩個訊號週期當中,如何透過電源線路,而使機殼及市電間成為很好的射頻迴路。有一路徑經過 D2,另一路徑經過 D4,這交流的正弦波,經過橋式整流線路,其中會使 D1 及 D4,與 D2 及 D3;這兩路徑一開一關,而所謂的射頻迴路,就是經過開的這一條路徑。

    當然要突破兩個串接的二極體,必須要有 1.4V 左右的偏壓,因此在一小段時間內,可能是完全不通的,因為這時四只二極體都是關閉的狀態,參看圖 3C,當所有二極體都不通時,也就是沒有射頻迴路,這種情況每秒鐘會發生 120 次,也就是這條迴路會每秒鐘關閉 120 次。

    如果天線系統本身沒有好的射頻迴路,而是由電源這個路徑作為射頻迴路,那麼就會因為上面所說的每秒鐘 120 次中斷射頻迴路的關係,使得訊號也會隨著迴路的切斷有每秒 120 次的變強轉弱的情況,這也就形成了相當於 120Hz 訊號的振幅調制,這其實就是電源哼聲的由來。


回答一連串的問題

※為什麼這類哼聲雜音特別容易出現在使用伸縮桿狀天線或是長條天線的短波接收機上?
因為這些天線系統都是非平衡型,所以需要外面環境提供射頻迴路,在沒有好的射頻迴 路下,就會以天然的環境自行開出一條射頻迴路,而平衡型天線系統就不一樣了,因為 系統本身就有很好的射頻迴路,所以它並不依靠電源路徑的射頻迴路,自然就不會受到 影響。

※為什麼哼聲雜訊平常不很明顯,而當碰到人為雜訊很強的情況下,這哼聲雜訊就特別嚴重?
其實二極體的開關動作對於射頻迴路上的訊號沒有很強的調制作用,所以只有在很強的訊號下,如果這時候訊號沒有調制,使接收機背景很安靜,這下才容易聽出來有哼聲雜訊,其實二極體的調制作用包括所有的訊號或雜訊,只是一般的背景雜訊通常都不大,因此你只能清楚地聽到 120Hz 射頻迴路切換動作所產生的哼聲雜訊。

使用乾電池供電的接收機,但是只要接近市電供電的設備旁,也會有哼聲雜訊?
這是因為通常此時接收機都採用伸縮桿狀天線。而這種天線是屬非平衡型天線,因此要另外找射頻迴路,如果靠近的家電設備也是市電供電,那麼高頻路徑經過耦合現象,這就如同接收機以市電供電一樣,附近的家電設備電源,有可能成為接收機的射頻迴路,而同樣引來哼聲雜訊。

※為什麼這類的哼聲雜訊不容易在 MW 波段出現?
一般而言,MW 波段的頻率都低於 1700KHz,此時電源變壓器的耦合電容太小了(對於110pF 而言,1MHz 的電抗約 1450 歐姆),所以這頻率上有很大的阻抗,使得原本的電源線路成為並非很好的射頻迴路。一般掌上型 MW 接收機,通常不會有哼聲雜訊,這是因為 MW 接收機通常使用磁蕊繞線天線,這種天線原則上可視為平衡型天線,因此不論是否有其他射頻迴路,都可以表現的很好。

※為什麼使用鞭狀天線的 VHF 手機通常不會有哼聲雜訊?

  • 因為電源變壓器在 VHF 波段上有很大的損失,前面所說的耦合電容是指在高頻時,當頻率升高到 VHF 時,變壓器就會變成像是扼流圈。
  • 整流二極體的極間電容,不論二極體是開或關,在 VHF 波段時都會變得很大,使得VHF 很容易穿過二極體。
  • 對於 VHF 波段而言,電源線的電感量太大使得它無法成為射頻迴路。
  • 因為二極體所引起的調制是屬於 AM,而 VHF 通訊一般是採用 FM 調制。

※為什麼天線系統採用同軸電纜就不容易有哼聲雜訊?
以同軸電纜和電源線比較,很顯然地,同軸電纜是更好的射頻迴路,既然有好的射頻迴路而不走電源線路,當然也就不會有哼聲雜訊。

※同樣是使用伸縮桿狀天線,以市電供電時,為什麼有些接收機會有哼聲雜訊有些卻不會有?
不論是接收機本身的設計或是內部電源的設計,都可以避免產生射頻迴路,當然影響所 及就是成本。可以在接收機的電源線路上增加射頻濾波線路,也可以把變壓器以金屬包 覆起來等,都可以解決這個問題。例如我有一部通訊型的接收機,就不會有哼聲雜訊干 擾的問題,而另外一部 SONY 接收機,使用所附的壁上電源供應器,完全沒有哼聲雜訊 ,但是改用其他相同規格的壁上電源供應器,就出現了很嚴重的哼聲雜訊,這都是因為 電源線路有無採取避免干擾措施所引起的差異。


如何解決哼聲干擾的問題

    現在已經知道產生哼聲雜訊的原因,那麼如何去除這些哼聲雜訊呢?有兩種顯而易見的 良方,那就是:

  • 採用乾電池供應電源給接收機。
  • 把伸縮桿狀天線或是長狀天線改為平衡型天線。

    當然也可以利用各種技藝或是有效的電子零件,來斬斷電源這一射頻迴路,例如橋式二極體上如果都加上了旁路電容、電源變壓器套銅質或鐵質外皮、重新安排整流二極體,使它不在射頻路徑上等等,都是非常有效的措施。不過有一個簡易而有效的辦法,那就是採用共模扼流圈,在接收機或是任何附近的電器上的電源線上,繞個共模扼流圈,這可以有效地去除哼聲雜訊,共模扼流圈的繞法很簡單,把電源線剩下來的部份,在任何直徑數公分的圓柱體上密繞起來就可以了,除此之外,上面提及的各種市電雜音,也可以利用共模扼流圈的方式來去除。


總結

    為什麼會有哼聲雜訊,簡單的說就是射頻迴路亂竄,而這射頻迴路如果像是電源線路一樣因為二極體有開關的動作,便會出現哼聲雜訊。要解決這哼聲雜訊,很簡單,通常以共模扼流圈就可以很有效地解決掉,這說明了如果問題能夠找到真正病因,而且對症下藥,往往很容易就可以把問題解決。 END



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