Tuesday, January 17, 2023

系統三大基礎建設之一:AC電源

所有的器材都需要電源,除了少數用電池供電以及唱盤是交流馬達的情況之外,大多數都將交流電經過變壓整流後,轉成直流電,再給器材內部的零組件使用。原始交流電源理想上是單一頻率的正弦波,但實際上經過電線傳送,到達家中前就已經受到眾多的干擾,而滲入各種頻率的雜訊。這些進入交流電源裡的雜訊,可以說無所不在。從音響系統用電的觀點來看,又可分為1)以無線方式進入的,以及2)家裡面與鄰近公私單位的電器用品(含音響器材)所產生,以有線方式進入的。

有線的雜訊,來自各種的電器,包括音響器材。只要是用交流電來驅動的東西,都會有電源供應器會產生雜訊進入供電線路。這些雜訊,或許本身的基音(fundamentals)頻率不高,但連帶產生的泛音(harmonics)雜訊,會向上延伸到很高的頻段。電源供應器又可細分為傳統的線性電源,以及日益普遍的交換式電源。前者產生的雜訊,頻率範圍大約是10KHz 10MHz。後者則為67KHz到 200MHz,頻率較高而且較廣。除了電器的電源供應器之外,還有像是洗衣機,電梯馬達,冰箱/冷氣壓縮機等等,也都會因電磁作用(例如反電動勢)產生雜訊反饋到電源之中。上述的污染源之外,任何數位器材,例如電腦,手機,數位影音器材等,都有石英振盪器以極高的頻率在運作。它們會產生的污染,除了以有線的方式進入,還會以無線輻射的方式傳播,然後被天線效應感應到供電線路。這些雜訊的頻率範圍,約在8 MHz500 MHz

外來的無線雜訊是由各種方式產生且到處傳播的電波,因天線效應而進入供電迴路。像是收音機的AM/ FM訊號,無線對講機的訊號,手機的訊號等等,都有可能被各種的導線接收,轉為導線內的訊號,最後傳遞到家中。例如屋內的內電線路,長度在10米或更長的,就會成為接收中波AM訊號的天線。器材用幾米以內的較短電源線,會是FM訊號的天線。有些人,包括我自己以前在美國家裡,當電源沒有適當處理時,有時會從系統聽到廣播或無線電通話的聲音,就是這個道理。

無線雜訊會經由天線作用而進入到導線裡頭。而進入的程度多寡,與進入後傳遞難易程度及造成影響的大小,就與導線外的包覆,所用導體材質,繞線方式,粗細/長短等因素都有關係。例如不同波長的無線訊號,在接收時所需的天線長度長短不同。因此,某長度的導線,會與波長接近的訊號產生交互作用而變成接收天線。由於無線訊號的波長範圍極廣,因此不論多短多長的導線,總會有訊號會被它接收,所以很難避免。而在有線雜訊方面,不同的線材傳播訊號時,是否會使雜訊的傳播較容易衰減,也影響到最後進入器材的雜訊多寡。

不同的音響電源線會造成音質差別,幾乎每個音響玩家都有親身的體驗。這些差異的來源,大部分來自於線材是如何面對無線/有線雜訊,以及雜訊進入到器材之後的反應。舉例來說,線材AX頻率的雜訊有較佳的免疫力,而線材B對頻率Y的雜訊有較佳免疫。如果接到同一台器材上,這器材本身對Y頻率的雜訊有比較好的阻絕能力,那與線材A就是比較好的搭配,因為可以將較大頻域的雜訊給擋下來。如果是同樣線材接到另一台器材,其效果可能就會反過來。在這裡,甚至線材AB只是不同長度的同樣導線,都可能會產生這種現象。

如果在各環節整成的直流電裡頭,還有殘存的雜訊,那不但會影響到元件的運作,而且最後就會傳到喇叭。如果是極高頻的電波雜訊,會干擾喇叭的發聲。如果是人耳可聽頻域,那就會隨著喇叭發出的音波傳入耳朵。基本上,貴的器材,為何多半會大又重,主要就是電源部分做了加強。但是,不論是多好的整流濾波線路,都不可能完美。尤其是在兩種情況,一般的音響器材,幾乎都無法有效對付:

1)超高頻的無線電波雜訊。

2)交流電正弦波的波型有缺陷。

被動式的電源處理器,在交流電通過時產生作用。基本上就是用來補強器材電源濾波線路的不足。它們運用各式過濾方式,將電源的雜訊在進入器材前擋下來。所以,只要設計的理念正確,對付1)的效果,通常都相當不錯。尤其是某些濾波的方式,需要大型的金屬質的箍環,一般器材受限於機身大小無法裝進去。所以這類的電源處理器,的確有其存在的必要。

但是,再怎麼好的濾波器,也不能修正波型的缺陷。圖1是音響展時,圓山飯店的電源波型。濾波線路可以辦得到的,就是盡量將有缺角的部分處理到平滑,但是不可能將之修飾成完美的正弦波。而不完美的正弦波,意味的是:

A)完美的電源正弦波,代表僅有60Hz的頻率。波型有問題,就有其它頻率的成分存在,很可能會穿過器材的電源整流部分,成為直流電裡的雜訊。

B)如圖顯示,在正弦波最高點處有衰減,那器材裡電源的電容器就無法飽滿地充足電,減弱了儲存的能量,很可能也使器材聲音的動態變差。

不完美的電源波型,有多普遍呢?我只能說,不論是在美國或台灣,幾乎都找不到誰的家中波型是完美的。最常見的,就是 頂部被削平了。這是因為,家中所有的電器裡的電容,充電的頂點都在這個部位。所以,即使電力公司送出完美的正弦波,經過路途中這麼多電器的使用,幾乎無可避免的都會在頂部出現衰減現象。

然而不論是多厲害的整流濾波,都不可能完美,因此需要幾種不同的方式互補,才能大致涵蓋要處理的廣泛範圍。在供電前端都先經過大型隔離變壓器,可擋下大部分的無線干擾。變壓器本身是一個低通裝置,在頻率高於某個範圍之後,訊號及雜訊就不容易通過,因此對阻絕無線電波雜訊有相當效用。但來自有線性質的雜訊,頻率大多很低,大部分還是會通過。像是大樓電梯的啟動,就會產生很低頻率的干擾,隔離變壓器(甚至其它電源處理工具)無法處理。

有線性質的干擾,除了產生很難處理的雜訊之外,還會影響到電源波型。在美國與台灣超過95%的家中,我所測量觀察到的情況,在原本是平滑的正弦波頂部會出現缺角,隔離變壓器與被動式的濾波都無法修正。這所帶來的問題有幾個,首先是波型有了缺角,在頻譜組成上代表在60Hz的成分外,多出了很多高頻的成分,很有可能會穿過器材的電源供應部分,而進入到直流供電,成為訊號背景雜訊。其次,波型有缺角,表示正弦波的頂端有能量損失,這會使器材的電源供應線路裡的電容器,在充電時少掉一些電量,讓儲存的能量減少,而且這種現象會是持續的。這些電容器所儲存的能量,是讓器材在瞬間需要用大電流時,可以立即提供,而在消耗之後要立即補上。如果充電與補充的過程有短少,在音質上就容易出現動態與暫態受限制的情況。也就是說,其實大多數玩家的系統,如果使用電源的波型不去更正處理,音質是處於打折扣的狀態。這時就要依賴主動再生的電源供應,例如PS Audio Power Plant 或Stromtank之類的器材來對付。