Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Audio Power Amplifier Design Handbook

a  powered  subwoofer,  which  is  likely  to  have  a  larger  transformer  than
other components of the system.

Equipment type

Power
consumption

Ground
current

Turntable, CD, cassette deck

20 W or less

5 µA

Tuners, amplifiers, small TVs

20–100 W

100 uA

Big amplifiers, subwoofers, large TVs

More than 100 W

1 mA

Ground currents inside equipment

Once  ground  currents  have  been  set  flowing,  they  can  degrade  system
performance in two locations: outside the system units, by flowing in the
interconnect grounds, or inside the units, by flowing through internal PCB
tracks,  etc.  The  first  problem  can  be  dealt  with  effectively  by  the  use  of
balanced inputs, but the internal effects of ground currents can be much
more severe if the equipment is poorly designed.

Figure  14.5  shows  the  situation.  There  is,  for  whatever  reason,  ground
current flowing through the ground conductor CD, causing an interfering
current  to  flow  round  the  loop  CFGD  as  before.  Now,  however,  the
internal design of Unit 2 is such that the ground current flowing through
FG also flows through G–G’ before it encounters the ground wire going
to  point  D.  G–G’  is  almost  certain  to  be  a  PCB  track  with  higher
resistance than any of the cabling, and so the voltage drop across it can
be  relatively  large,  and  the  hum  performance  correspondingly  poor.
Exactly similar effects can occur at signal outputs; in this case the ground
current  is  flowing  through  F–F’.

Balanced inputs will have no effect on this; they can cancel out the voltage
drop along F–G, but if internal hum is introduced further down the internal
signal path, there is nothing they can do about it.

410

Figure 14.5

If ground current flows
through the path
F‘FGG’ then the
relatively high
resistance of the PCB
tracks produces
voltage drops between
the internal circuit
blocks

Grounding and practical matters

The  correct  method  of  handling  this  is  shown  in  Figure  14.6.  The
connection to mains ground is made right where the signal grounds leave
and enter the units, and are made as solidly as possible. The ground current
no longer flows through the internal circultry. It does, however, still flow
through the interconnection at FG, so either a balanced input or a ground-
cancelling output will be required to deal with this.

Balanced mains power

There has been speculation in recent times as to whether a balanced mains
supply is a good idea. This means that instead of live and neutral (230 V and
0 V) you have live and the other live (115 V–0–115 V) created by a centre-
tapped transformer with the tap connected to Neutral. See Figure 14.7.

It has been suggested that balanced mains has miraculous effects on sound
quality,  makes  the  sound  stage  ten  dimensional,  etc.  This  is  obviously
nonsense. If a piece of gear is that fussy about its mains (and I don’t believe
any such gear exists) then dispose of it.

If there is severe RFI on the mains, an extra transformer in the path may tend
to filter it out. However, a proper mains RFI filter will almost certainly be
more effective – it is designed for the job, after all – and will definitely be
much cheaper.

Where you might gain a real benefit is in a Class II (i.e. double-insulated)
system with very feeble ground connections. Balanced mains would tend

411

Figure 14.6

The correct method of
dealing with ground
currents; they are
diverted away from
internal circuitry

Figure 14.7

Using a balanced
mains supply to cancel
ground currents
stemming from inter-
winding capacitance
in the mains
transformer. An
expensive solution

Audio Power Amplifier Design Handbook

to cancel out the ground currents caused by transformer capacitance (see
Figure 14.4 and above for more details on this) and so reduce hum. The
effectiveness of this will depend on C1 being equal to C2 in Figure 14.7,
which is determined by the details of transformer construction in the unit
being powered. I think that the effect would be small with well-designed
equipment  and  reasonably  heavy  ground  conductors  in  interconnects.
Balanced  audio  connections  are  a  much  cheaper  and  better  way  of
handling this problem, but if none of the equipment has them then beefing
up the ground conductors should give an improvement. If the results are
not  good  enough  then  as  a  last  resort,  balanced  mains  may  be  worth
considering.

Finally, bear in mind that any transformer you add must be able to handle
the maximum power drawn by the audio system at full throttle. This can
mean a large and expensive component.

I  wouldn’t  be  certain  about  the  whole  of  Europe,  but  to  the  best  of  my
knowledge it’s the same as the UK, i.e. not balanced. The neutral line is at
earth potential, give or take a volt, and the live is 230 V above this. The
3-phase 11 kV distribution to substations is often described as ‘balanced’
but this just means that power delivered by each phase is kept as near equal
as possible for the most efficient use of the cables.

It has often occurred to me that balanced mains 115 V–0–115 V would be
a lot safer. Since I am one of those people that put their hands inside live
equipment a lot, I do have a kind of personal interest here.

Class I and Class II

Mains-powered  equipment  comes  in  two  types:  grounded  and  double
insulated. These are officially called Class I and Class II respectively.

Class  I  equipment  has  its  external  metalwork  grounded.  Safety  against
electric shock is provided by limiting the current the live connection can
supply with a fuse. Therefore, if a fault causes a short-circuit between live
and  metalwork,  the  fuse  blows  and  the  metalwork  remains  at  ground
potential. A reasonably low resistance in the ground connection is essential
to guarantee the fuse blows. A three-core mains lead is mandatory. Two-
core IEC mains leads are designed so they cannot be plugged into three-pin
Class I equipment. Class I mains transformers are tested to 1.5 kV rms.

Class II equipment is not grounded. Safety is maintained not by interrupting
the supply in case of a fault, but by preventing the fault happening in the
first  place.  Regulations  require  double  insulation  and  a  generally  high
standard of construction to prevent any possible connection between live
and the chassis. A two-core IEC mains lead is mandatory; it is not permitted
to  sell  a  three-core  lead  with  a  Class  II  product.  This  would  present  no
hazard in itself, but is presumably intended to prevent confusion as to what

412

Grounding and practical matters

kind of product is in use. Class II mains transformers are tested to 3 kV rms,
to give greater confidence against insulation breakdown.

Class  II  is  often  adopted  in  an  attempt  to  avoid  ground  loops.  Doing  so
eliminates  the  possibility  of  major  problems,  at  the  expense  of  throwing
away all hope of fixing minor ones. There is no way to prevent capacitance
currents from the mains transformer flowing through the ground connec-
tions. (See section ‘Ground loops: how they work and how to deal with,
them’  on  page  405).  It  is  also  no  longer  possible  to  put  a  grounded
electrostatic screen between the primary and secondary windings. This is
serious as it deprives you of your best weapon against mains noise coming
in and circuit RF emissions getting out. In Class II the external chassis may
be metallic, and connected to signal 0 V as often as you like.

If  a  Class  II  system  is  not  connected  to  ground  at  any  point,  then  the
capacitance  between  primaries  and  secondaries  in  the  various  mains
transformers  can  cause  its  potential  to  rise  well  above  ground.  If  it  is
touched  by  a  grounded  human,  then  current  will  flow,  and  this  can
sometimes be perceptible, though not directly, as a painful shock like static
electricity.  The  usual  complaint  is  that  the  front  panel  of  equipment  is
‘vibrating’,  or  that  it  feels  ‘furry’.  The  maximum  permitted  touch  current
(flowing  to  ground  through  the  human  body)  permitted  by  current
regulations  is  700 µA,  but  currents  well  below  this  are  perceptible.  It  is
recommended, though not required, that this limit be halved in the tropics
where fingers are more likely to be damp. The current is measured through
a 50k resistance to ground.

When  planning  new  equipment,  remember  that  the  larger  the  mains
transformer, the greater the capacitance between primary and secondary,
and  the  more  likely  this  is  to  be  a  problem.  To  put  the  magnitudes  into
perspective, I measured a 500 VA toroid (intended for Class II usage and
with no interwinding screen) and found 847 pF between the windings. At
50 Hz and 230 V this implies a maximum current of 63 µA flowing into the
signal circuitry, the actual figure depending on precisely how the windings
are  arranged.  A  much  larger  1500 VA  toroidal  transformer  had  1.3 nF
between the windings, but this was meant for Class I use and had a screen,
which was left floating to get the figure above.

Warning

Please note that the legal requirements for electrical safety are always liable
to change. This book does not attempt to give a complete guide to what is
required for compliance. The information given here is correct at the time
of  writing,  but  it  is  the  designer’s  responsibility  to  check  for  changes  to
compliance requirements. The information is given here in good faith but
the  author  accepts  no  responsibility  for  loss  or  damage  under  any
circumstances.

413

Audio Power Amplifier Design Handbook

Mechanical layout and design considerations

The  mechanical  design  adopted  depends  very  much  on  the  intended
market,  and  production  and  tooling  resources,  but  I  offer  a  few  purely
technical points that need to be taken into account:

Cooling

All power amplifiers will have a heatsink that needs cooling, usually by free
convection,  and  the  mechanical  design  is  often  arranged  around  this
requirement. There are three main approaches to the problem:

(a) The heatsink is entirely internal, and relies on convected air entering

the  bottom  of  the  enclosure,  and  leaving  near  the  top  (passive
cooling).

Advantages

The heatsink may be connected to any voltage, and this may eliminate the
need for thermal washers between power device and sink. On the other
hand, some sort of conformal material is still needed between transistor and
heatsink. A thermal washer is much easier to handle than the traditional
white oxide-filled silicone compound, so you will be using them anyway.
There are no safety issues as to the heatsink temperatures.

Disadvantages

This system is not suitable for large dissipations, due to the limited fin area
possible inside a normal-sized box, and the relatively restricted convection
path.
(b) The  heatsink  is  partly  internal  and  partly  external,  as  it  forms  one  or

more sides of the enclosure. Advantages and disadvantages are much as
above; if any part of the heatsink can be touched then the restrictions on
temperature and voltage apply. Greater heat dissipation is possible.

(c) The  heatsink  is  primarily  internal,  but  is  fan-cooled  (active  cooling).

Fans always create some noise, and this increases with the amount of
air they are asked to move. Fan noise is most unwelcome in a domestic
hi-fi environment, but is of little importance in PA applications.

This  allows  maximal  heat  dissipation,  but  requires  an  inlet  filter  to
prevent the build-up of dust and fluff internally. Persuading people to
regularly clean such filters is near-impossible.

Efficient  passive  heat  removal  requires  extensive  heatsinking  with  a  free
convective air flow, and this indicates putting the sinks on the side of the
amplifier; the front will carry at least the mains switch and power indicator
light, while the back carries the in/out and mains connectors, so only the
sides are completely free.

414