Свист, шум, фон в динамиках при использовании усилителя. Помехи которые вызваны пульсирующим выходным напряжением генератора.

Недавно установил на свой автомобиль усилитель 4-канальный, к нему подключил все колонки и сабвуфер. Все играло отлично, пока я не запустил двигатель. При работающем двигателе ужасный свист в колонках, при повышении оборотов, свист ставал сильнее. При заглушенном двигателе все в порядке. Стал разбираться в чем проблема. Снял главное устройство (ГУ), отсоединил тюльпаны от него, свист пропал. Подключил телефон через переходник и включил музыку, никаких посторонних шумов не было.

После многочисленных попыток с впайкой диодов, конденсаторов, установкой готовых и самодельных фильтров, даже подключился напрямую перед микросхемой с операционными усилителями, ничего не изменилось. Купил новое главное устройство. Установил, запустил двигатель, свист остался, но стал тише. Немного подумав, отключил возбуждение от генератора. Запустил двигатель — свист пропал.

Снял генератор для проверки. Проверил диодный мост, обмотку статора и ротора, емкость помехогасящего конденсатора — все в норме. Регулятор напряжения тоже работал исправно, так как напряжение на аккумуляторе при работающем двигателе — стабильные 14.4 В.

Причины вызывающие фоновый шум в динамиках при работающем генераторе
Генератор имеет пульсирующий характер напряжения. У большинства потребителей в автомобиле, ток по форме повторяет напряжение питания и соответственно пульсирует.

Ток создает падение напряжения на проводах. Из этого следует вывод, что у некоторых потребителей масса имеет определенный потенциал относительно кузова.

У главного устройства, как и в усилителе, сигнальная масса соединена вместе с силовой массой.

Главное устройство и усилитель соединены с кузовом проводами разной длины и сечения, а значит сопротивление между их массой и кузовом разные.
Также, по проводам которые соединяют ГУ и усилитель с кузовом протекают разные токи. Эти токи проходя по этим проводам, создают на них разное падение напряжения.
У всех автомобилей имеется несколько точек, где соединяются провода массы с кузовом. Один провод массы является общим для нескольких потребителей, а значит токи этих потребителей создают падение напряжения на проводе общей массы. Для главного устройства, которое передает аналоговый сигнал усилителю, это явление неблагоприятное и вызывает искажение формы выходного сигнала, относительно кузова.

Сигнальный провод, который соединяет главное устройство с усилителем, не предназначен для протекания больших токов, поэтому его сопротивление весьма велико (≈1 Ом), по сравнению с проводом массы усилителя (≈10 мОм) и проводом массы главного устройства (≈50 мОм).
Поэтому соединение массы главного устройства и усилителя не дает нужного эффекта и разность потенциалов их масс не удается свести к нулю.

Коэффициент усиления усилителя довольно большой (≈50÷120 раз), поэтому даже небольшое значение амплитуды паразитных сигналов усиливаются до значений, которые можно услышать. Даже если выходной сигнал главного устройства, относительно его сигнальной массы равный нулю, то изменение потенциала массы главного устройства и/или массы усилителя равноценное изменению выходного сигнала главного устройства.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что большое сопротивление проводов, которые соединяют главное устройство и усилитель с кузовом, вызывает большой уровень фонового шума в звуковом сигнале. Для уменьшения фонового шума, необходимо, чтобы сопротивления минусовых проводов питания были минимальными. Нужно устранить все недочеты и плохие контакты, использовать провода необходимого сечения и минимальной длины.

Также, часто причиной "прослушивания" токов потребителей является обрыв цепи от вывода массы RCA разъема к общей массе. Даная неисправность наблюдается как на ГУ так и на усилителе. Решением, в конкретном случае является восстановление соединения массы RCA с общей землей.

Бесконечно "бороться" с сопротивлением проводов невозможно, тем более, если к силовой проводке замечаний нет, ГУ и усилитель полностью исправны, а фоновый шум не удалось устранить.

В системах, где критичным является минимально возможный уровень шумов в сигнале, используют дифференциальные входы сигнала.

Для простого решения проблемы с фоновым шумом в сигнале можно использовать 2 канальный дифференциальный усилитель (ДУ) с коэффициентом усиления равном 1. Использование данного устройства позволяет усиливать разность потенциалов между двумя сигналами. Подключив дифференциальный усилитель между сигнальной массой и сигнальным выходом ГУ, на выходе дифференциального усилителя сформируется выходной сигнал ГУ без искажений, относительно массы ДУ. Масса ДУ соединяется с массой усилителя, а выход ДУ с сигнальным входом усилителя. Это позволяет подавать сигнал относительно массы усилителя на вход усилителя с ГУ без искажений.

Ниже приведены схемы подключения (для одного канала), схема дифференциального усилителя, а также осциллограммы напряжения в ключевых точках. В качестве тестового сигнала использован синусоидальный сигнал 100 Гц амплитудой 0.1 В.

Рис. 1. Схема соединений

Рис. 2. Выходное напряжение генератора

Рис. 3. Выходное напряжение аккумулятора

Рис. 4. Выходной сигнал с ГУ относительно сигнальной земли

Рис. 5. Потенциал сигнальной земли ГУ относительно кузова

Рис. 6. Выходной сигнал с ГУ относительно кузова

Рис. 7. Выходное напряжение усилителя

Пульсирующие токи вызывают падение напряжения на проводах, из-за этого потенциал земли ГУ не равный нулю (рис. 5).
Выходной сигнал ГУ относительно кузова (рис. 6) имеет составляющую созданную падением напряжения на проводах. Это отражается на выходном напряжении усилителя (рис. 7).

Использование дифференциального усилителя в схеме

Рис. 8. Схема соединений с использованием дифференциального усилителя

Рис. 9. Выходной сигнал с ДУ относительно сигнальной земли

Рис. 10. Потенциал сигнальной земли ДУ относительно кузова

Рис. 11. Выходной сигнал с ДУ относительно кузова

Рис. 12. Выходное напряжение усилителя при использовании ДУ

Выходной сигнал ДУ относительно сигнальной земли усилителя (рис. 9) не имеет составляющей созданной падением напряжения на проводах. Благодаря этому на выходное напряжение усилителя не имеет искажений (рис. 12).

Схема дифференциального усилителя на микросхеме LM258