想听靓声，从音响电源隔离变压器开始
[转贴 2009-12-16 23:45:38]
一些听音响的人常会在电源上加一颗功率容量不小的隔离变压器，HP的SKVA或国内有厂商推出IKVA等。有的用220v的冷气插座转降110V，有的则是110V变110V的1：1方式，而其作用就是要把电源中的杂讯减小，提高电源之S／N比。在国内尤其是普通的110V及220V，因为家家户户都有电器在使用，像微波炉、电磁炉。开关、马达运转等，在电源上会以倍频或突波的方式传至各电源插，因此电源受到污染的情形相当严重.除非你能不计一切代价用各种方式自己发电，否则就要想办法改善电源中的噪讯。
交流电源的杂波来源极为广泛，可概分为三大类：即暂态突波、电源谐波及高频杂波干扰等，不同的杂波型态必须采用不同的滤波组件与电路来应对，有些能量大且频宽又非常宽的杂波，则必须藉由各种不同组件组合作战才能克敌致胜，而许多暂态突波就具有这种特性。暂态突波的电压振幅比较大，破坏力最强，尤其当突波持续时间拉长则累积的能量更大，可以称得上是电子设备的头号杀手，轻者也可能导致整个系统运转功能发生混乱现象或误动作。暂态突波电流的来源包括：雷击、输电线路故障、大型动力设备接地故障、马达驱动之大型设备起动或停机、电焊作业的起弧断弧瞬间电流、大型断路器启闭瞬间电流等。预防遭到暂态突波破坏的方法是在交流电源的一次侧，加装突波吸收器，但有时突波电流太强，仍会有极大的突波余震电流窜入电子线路，故又於整流滤波电路之後或电子线路板之前加装一小容量之突波吸收器，以进一步吸收突波余震能量。信号路径也有可能因相关连设备的直接传导或感应而遭受到突波电流的侵害，故亦有必要於信号的输入端加装突波吸收器加以抑制。突波吸收器的电路图详如＜图1＞所示，由该电路图可以看出，突波吸收器是直接并联於电源上，正常供电的状况下它呈现高阻抗的特性（阻抗特性视个别组件的容抗值及漏电流而定）当遇到暂态突波超过其崩溃电压（Breakdown Voltage）时，突波吸收器将变成低阻抗值，通常可降至1Ω以下，视个别组件的特性及突波电压的高低而定，超越崩溃电压的暂态突波能量将由突波吸收器吸收後转变成热能，因此设计人员宜衡量电源环境及线路阻抗，选用最适切，否则有可能出师未捷身先死，或成为虚有其表的装饰品。
突波吸收器的反应速度也有快慢之分，反应速度愈快、单价愈贵；可吸收暂态突波能量愈大的突波吸收器，其可靠度愈高，当然单价也愈高，端视产品的设计目的而选用，因此一个产品的好坏决定於设计者的功力以及生产厂商的商业道德而定。市售许多附有突波吸收器的廉价电源排插，甚至一些高价音响专用的附有突波吸收器的电源滤波器，是否真正可靠值得忧虑，设计不良者一旦遭遇暂态突波亦可能成为您的Troublemaker（突波吸收器一旦故障大多成短路状态），笔者在工作经验中，曾多次遇上类似问题，也目睹某电器维修员仅拆除突波吸收器，该电器设备就恢复功能，但该维修员只知其然却不知其所以然（注：不知所拆为何物？有何功用？），经笔者解释才恍然大悟。
有关电源谐波的来源及抑制技术，笔者过去於本刊已多次提出说明，而上一期有关无效电力补偿LC电路亦具有电源谐波抑制的功能，故不再赘述。近年来，固态电子控制装置之大量使用，其目的在於有效利用能源并促进工作效率，例如采用矽控整流器（SCR、TRIAC等）之功率转换器、工业用大型UPS、马达转速控制器等，这些装置，不但产生大量的电源谐波，也伴随着大量的高频杂波。为了节约能源增进日常生活的舒适性，许多家电用品也渐渐的加装上述固态电子控制线路，例如变频式冷气机、电子式省电灯泡、不闪烁台灯、电磁炉、微波炉等。电脑设备已是现代生活不可或缺的装置，所有电脑的电源供应器都是交换式电源（Switching Power Supply），目前大部份的电视机也是采用交换式电源供应器，预计未来数位电视及数位广播开播以後，将会有更多的数位器材变成全民的生活必需品，凡是数位器材在运算工作同时会产生大量的高频杂波，虽然世界各国对电器产品都有电磁相容（EMC）的要求，但对於敏感的电子器材或音响设备，还是有必要对交流市电进一步净化处理，就如同目前自来水的水质已经达到卫生单位的水质要求标准，但大家还是习惯煮沸後再饮用一样，更考究者则经过RO（逆渗透）处理才饮用，这就是为什麽许多音响迷不遗余力地一再追求纯净电源的主因。
一般市售EMI滤波器或机内所附设的EMI滤波器，其主要滤波作用均是针对100KHz以上的高频共模杂波，但日常生活中常遇到的高频杂波从10KHz左右开始分布，除了共模杂讯（Common Mode Noise），也涵盖有差模杂讯（Differential Mode Noise），因此可以设计成如＜图2＞所示的超高性能EMI滤波器，只要巧妙的计算安排各电容器及抗流圈的数值，并慎选用材（电容器及抗流圈磁心的材质）即可达成很好的滤波效果，该滤波器内含三只抗流圈（图3为共模抗流圈的绕线示意图）若要将滤波频宽降至10KHz左右，则体积可能要比传统EMI滤波器大五倍以上，至於详细设计原理非本文讨论范围，就此略过不再详述。
本文的主角「隔离杂讯之变压器」比上述超高性能EMI滤波器频宽更宽，杂讯衰减率更佳，惟一的缺点是价格较高，体积大且笨重，又因电磁耦合效率低，易导致发热及哼声，所以习惯上被安置另一房间，以降低机械噪音干扰。过去台湾拆船业全盛时期，只要花3－5千元就可买到5KVA的隔离杂讯变压器（约全新品价格的十分之一左右），读者手边如果还有的话，应该好好珍藏。读者一定有些迷惑，为何不直接称为「隔离变压器」，在此顺便做个说明，一般泛称的隔离变压器，因功能需求不同而有不同的结构，例如图4（a），一次侧绕组与二次侧绕组之间加绝缘层，圈数比为一比一，此种变压器称为「绝缘变压器」，主要功用使一次侧与二次侧之电气xx绝缘，也使该地回路隔离，另藉着铁心的高频铁损耗大而衰减高频杂讯，但由於一次二次绕组之间有静电容量Cs存在，具有电容器耦合现象，故仍然会有高频的杂讯透过该电容器由一次侧交连至二次侧。图4（b）所示一次侧绕组线圈与二次侧绕组线圈之间包裹一层铜板作为静电遮蔽（Faraday Shield），只要在该静电遮蔽板焊接一条导线接地（接大地）即可使原有Cs静电容量分割成C1与C2导向大地，如此可避免将一次侧的高频杂讯交连至二次侧，此种结构之变压器称为「遮蔽变压器」，前述「绝缘变压器」、「遮蔽隔离」以及下面要介绍的「隔离杂讯之变压器」统称为「隔离变压器」。
图5（a）所示为隔离杂讯之变压器内部结构图，其一次侧线圈与二次侧线圈上下分离配置，一次侧线圈绕在铁心的上半部，二次侧线圈绕在铁心的下半部，两组线圈分离配置的目的有二：其一为降低一次与二次线圈之间的静电容量；其二为降低一次侧与二次侧之电磁结合效率。另在一次、二次线圈之间又插进「磁场遮片」，用来隔离一次、二次线圈的泄漏电抗，以防止泄漏电抗将一次侧的杂讯感应至二次侧。图5（b）所示为一般变压器的结构图，由图中可以很清楚的看到变压器的线圈是采用所谓同心配置构造，即其二次侧线圈绕在内侧，外侧再绕一次侧线圈的绕线方式，从变压器电力转换的机能上来讲，它是一个很好的电力转换变压器，但杂讯也因而很容易传导过去。图6所示为隔离杂讯变压器之等效电路，图中很清楚的显示一次、二次线圈分别以静电遮板包紮并引出接地线，由图中亦可发现铁心、一次与二次线圈之间的磁场遮片及变压器外壳等均有接地引线，共计有五条接地线，这些遮蔽层之接地方式极为重要，安装时如果接错，效果将大打折扣。
标准的接地方法是将一次侧线圈的静电遮蔽接地（参看图6的一次侧EI）接在电源总开关箱的「接地汇流排」上（注：该接地汇流排是分别连接在总电源中性线及建筑物的基础结构钢筋上），必须是从电源接地汇流排拉过来的电源接地专用线，不能从电源插座的「中性线」接过来。其余的接地引线，包括二次侧线圈的静电遮蔽接地、外壳接地、铁心接地及一次与二次线圈之间的磁场遮接地，则接在专用接地汇流排上，该专用接地是以接地铜棒或接地铜板埋在地下，接地电阻值{zh0}能够控制在10Ω以下效果较佳（可用「大地电阻计」量测接地阻值），接地电阻值愈低愈好，但花费的成本也相对的增高，笔者帮音响前辈曹永坤先生所设计施工之专用接地，其接地电阻值为3.3Ω，供六台隔离杂讯之变压器使用，曹先生请国外专业技术人员测量电源品质结果，已超越专业录音室的标准甚多，因此曹先生非常满足。
电源配线也非常重要，必须把握住一个原则，即输入与输出（一次侧与二次侧）的电源配线不能平行靠在一起，有些音响迷，甚至专业的电工人员为了美观起见，可能将输入输出电源线聚合梱绑在一起，於是已处理乾净的电源又透过导线之间的电容、电感与辐射效应而被一次侧高频杂讯所污染，这一点常常被忽略了。如果变压器的二次侧输出至负载端距离很长，而该段空间又有其他电力设备，如马达、冷气机或变压器等或其他电力电缆线，则该段电源线必须采用具有屏蔽的电缆线，靠隔离杂讯变压器那一端的屏蔽要接地（接在专用接地汇流排上），另一端屏蔽则悬浮不接地，但剥离出来的屏蔽金属网要予以绝缘，以免触及其他金属导体而引起接地回路现象。在此要顺便一提的是。本刊第141期访问桃园陈添寿先生的文章内，有一幅照片（第277页右上角）显示出隔离杂讯变压器的配线，其输入与输出电源线圈因过长,绕了几圈之後套置於该变压器的一端，有可能因而感应拾取（pick-up）不必要的杂讯，绕的圈数愈多，感应拾取的杂讯愈大。另外从图中也可观察到喇叭线的曲线走了一段距离，依笔者经验此亦有可能感应拾取微量的电源杂讯，若能稍作调整，使电源线远离讯号线或喇叭线，相信一定有所助益。
环形变压器的铁心是由事先裁切好的一条矽钢带卷烧而成，其形状如同卷筒式卫生纸的结构，整个铁心并无磁隙存在，故可以制成低漏磁的高效率变压器，由於无磁隙存在，反应速度非常快，暂态负载稳压特性特佳。即瞬间能提供较大的电流输出而不会有明显的压降发生。缺点是一次侧的暂态杂波也很容易导至二次侧，所以环形铁心并不适宜用来制作隔离杂讯的变压器。如果用皮带驱动与直接驱动CD或LP转盘作比喻，传统EI变压器就如同皮带驱动的转盘，而环形变压器就如同直接驱动的转盘，EI变压器其组合铁心的间隙就好像皮带驱动转盘的橡皮带，具有缓冲的作用，因此它可以吸收一次侧的电源暂态杂波，环形铁心先天优点是可以做成频宽非常宽的变压器，因此最适用於制作真空管扩大器的输出变压器，但由於输出变压器的一次侧有很高的直流偏压，易导致环形变压器饱和，故必须将环形变压器的铁心切割成适当大小的间隙（依偏压电流的大小而设定），看似简单，但却是高难度成本的加工。为了防止卷绕完成的环形铁心在切割时整个散开，必须在切割前先执行耐高温绝缘胶（耐温1000℃以上）的真空含浸工作，使矽铜片胶合固定，然後再以水刀、雷射或放电加工线切割的方式加工切割间隙，以耐高温绝缘胶填充间隙之後再进行热处理（800－900℃，使材质及形状设计控温程式），以xx机械加工所产生的应力。由此可了解，一个变压器品质的好坏，除铁心的材质之外，铁心的形状、机械的加工方式、以及热处理的方法都将影响最後成品的品质。笔者曾协助某一变压器制造厂解决变压器生产技术问题，发现同一批铁心仅「热处理」一个加工项目，就可以使变压器的铁损相差20倍以上。如果选用适当材质的Ferrite环形磁心，则可以将变压器的频率响应提昇到100MHz，一般交换式电源供应器内之变压器、高频脉冲变压器、数位讯号耦合变压器等都是属於此一类型的变压器。
环形变压器因构造的关系，其一次绕组与二次绕组间之静电容量比EI变压器为大，为证实此一论点，笔者找到二只相同规格约75W的环形变压器及EI变压器，经量测比较，环形变压器之静电容量为600PF，而EI变压器的静电容量则仅100PF左右，由此可以证明环形铁心的确比较容易将一次侧电源的高频杂讯耦合至二次侧。基於环形变压器之结构先天上有上述这些特徵，而比较不适用来制造隔离杂讯之变压器。就笔者印像中，过去也没有见过工业用的环形隔离杂讯之变压器，包括拆船旧料在内，以上见解似可供国内业界参考。
隔离杂讯之变压器是否真能够改善音质，长久以来，一直没有定论，为了找寻真正的答案，笔者应曹永坤先生的要求，在设计音响室电源时，将其中一台隔离杂讯之变压器，设计成可快速切换比较之功能，完成之後曹先生邀请资深音响同好共同试听比较，获得一致结论认为，凡是讯号处理的设备，包括CD转盘、D/A转换器、电子分音器、前级扩大器等，电源若通过隔离杂讯之变压器，可以获得更好的音乐性，具有正面的效果，但若用於後级扩大器则有压抑动态的现象，尤其爆棚的乐段影响{zd0}，因此曹先生决定除後级扩大器之外，其余讯号源设备之电源均来自隔离杂讯之变压器。但愿本文能够抛砖引玉引起各位的共鸣，将服役中的隔离杂讯之变压器发挥更好的功能，冰存已久者也能解冻披挂上阵，成为府上音响室电源的守护神。
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