És tessék mondani, mennyibe kerül a földhurok? (1. rész)
A címbeli ominózus mondat, szó szerint így hangzott el a telefonban, miután az érdeklődő hasztalan kereste a földhurok árát a webshopban. Mi mást mondhattam volna: "A földhurkot ingyen adjuk, de az azt megszüntető DI-BOX-ért fizetni kell..."
Azt ma már minden amatőr hangász is tudja, hogyha aszimmetrikus készüléket akarunk szimmetrikus bemenetre kötni, bizony DI-BOX-ra van szükségünk. És ez valóban így is van. De hogy a fekete dobozka mit csinál, arról sokaknak fogalma sincs. Nekik szól ez a cikk.
A DI-BOX a Direct Injection Box rövidítése, és elég kreténül lehet lefordítani, talán Közvetlen Csatlakozó doboznak hívhatnánk, s talán ezért is maradt DI-BOX, vagy csak egyszerűen DI (diáj) a hazai műszaki nyelvben is. Alapvetően két nagy csoportra bonthatjuk, ami a következő három. A passzív, vagy audio-transzformátoros DI-BOX-ok, az aktív, vagy elektronikus DI-BOX-ok, ill. ezek keverékei (mondtam, hogy három!). A passzív DI-BOX lelke egy audio-transzformátor, melyet kiegészítenek egy-két további passzív áramköri elemmel: ellenállással és kondenzátorral. A passzív név onnan származik, hogy üzemeltetéséhez nincs szükség külső tápforrásra, nem vesz fel energiát. Az aktív DI-BOX az elnevezésének megfelelően, ún. aktív áramköri elemekből (tranzisztorok, műveleti erősítők...) épül fel, s emiatt a működtetéshez energiára, vagyis tápfeszültségre van szükségük. Ezt a legtöbbször elemmel (pl. 9V-os), vagy a keverő fantom tápjával (+48V, Phantom Power) biztosítják. Természetesen az aktív elemek mellett ebben is találunk ellenállásokat, kondenzátorokat. A kombinált változatban az aktív elektronika mellett találunk audio-transzformátort is, de a tápfeszültség igény miatt igazából ez is aktívnak számít.
A DI-BOX-ok segítségére három műszaki probléma megoldásánál számíthatunk. Az első és talán legfontosabb, és amin minden amatőr (és tegyük hozzá, sok gyakorló) hangosító is meghasal, az a szimmetrikus vs. aszimmetrikus problémakör. Sokan leegyszerűsítik a problémát egy Jack/XLR bekötési parára, de az a szomorú hírem van, hogy ez csak bizonyos műszaki intelligencia szint alatt működik.
A dolgok megértéséhez meg kell ismerkednünk a két legelterjedtebb analóg jelvezetési móddal. Bármilyen elektromos jel továbbításához két vezetékre van szükségünk, gondoljunk csak a fizika órán mutatott zseblámpa izzós kísérletre. (Jó lett volna figyelni...) Két egyszerű vezetékkel összekötve még a házi hifi is rendkívül zajos lesz, mert a környezetünkben lévő száz és száz zavarforrás ontja magából a láthatatlan elektromágneses zavarokat. Ilyen például a falban lévő hálózati vezeték, szinte az összes háztartási gép, vagy akár a klíma is. Ezek az elektromágneses hullámok zavarjeleket indukálnak a mi remekbe szabott két vezetékünkbe. (Itt is jó lett volna figyelni fizikán: mi is az, az indukció? Nem magyarázom el, Gúgli a barátod!) A villámok ellen is a földelés véd, itt is valami hasonló megoldást kellene kitalálni! És tényleg, milyen kézenfekvő, hiszen az összeköttetésre használt két kábelünk közül az egyik eleve a földpotenciálra van kötve. vegyük körbe vele mintegy ernyőként a másik vezetéket, s így eltüntethetjük a zavarjeleket. (Legalábbis egy részét). Szőjünk hálót a vezetékünk köré, természetesen egy szigetelő réteggel elválasztva egymástól, nehogy összeérjenek, s a fémháló árnyékot vet vezetékünkre, nem engedi a közelébe a zavarjeleket. Hurrá! Feltaláltuk az árnyékolást! Amikor úgy vezetjük a hangfrekvenciás jelet, hogy egy ér köré árnyékolást teszünk (és így lesz meg a két vezeték a jeltovábbításhoz), aszimmetrikus jelvezetésről beszélünk. A kábel neve is egy eres árnyékolt kábel. A középső vezetéket melegpontnak (HOT) a külső fémhálót árnyékolásnak, vagy jelföldnek (GND) nevezzük.
Sajnos van rossz hír is: bár sokat javít az árnyékolás a zavarvédelmen, koránt sem tökéletes. A hasznos jelfeszültség a melegpont és az árnyék között mérhető, de az árnyékolás dacára ugyanitt megjelenik a zavar (zaj) feszültség is, és ha megjelent, már semmilyen módon szét nem választható az audió jeltől.
Valami jobb megoldás kell! Vegyünk két vezetéket, ráadásul sodorjuk össze őket. A vezetékek összecsavarása már önmagában is jelentősen csökkenti a zaj, zavar hatását. Egyenes érpár esetén az elemi vezetékdarabokon mindig ugyanazzal a fáziskülönbséggel történik a külső zavarforrás hatására az indukció, így összegződik a zavarás. A sodrott érpárnál, ahol az elemi szakaszokon a folyamatos 180 fokos fázisfordítás kioltja a szomszédos vezetékdarabon indukált zajt ill. zavart, jelentősen csökkentve azt.
Persze ezen még sokat javíthatunk. Az előbb elkészített árnyékolásunkba tegyünk be ezt a sodrott érpárt, így növelve a védelmet. A kábel neve is két eres árnyékolt kábel. Az egyik középső vezetéket melegpontnak (HOT), a másikat hidegpontnak (COLD) hívjuk, a külső fémhálót árnyékolásnak, vagy jelföldnek (GND) nevezzük. Ez a szimmetrikus kábel, vagy szimmetrikus jelvezetés.
De ez még mindig kevés! Egy 100m-es mikrofon kábelen (két ér + árnyék) például Budapesten a külső elektromágneses tér akár 1V-os zavarjelet is létrehozhat, ami pont tízszer több, mint egy dinamikus mikrofon jele. Vessünk be még egy trükköt! A hasznos jelünket alakítsuk át két jellé: mindkettő nagysága legyen ugyanakkora, de az egyik polaritását fordítsuk meg, azaz legyen ez a jel az eredetivel ellenfázisban (180°-al eltolva). Mit jelent, hogy két jel ellenfázisban van? Leegyszerűsítve, ha összeadod őket, pont kioltják egymást.
A két jel egymás tükörképe, azaz szimmetrikusak egymásra. Az ábrán piros a fázisban, kék az ellenfázisban lévő jel jelölése. Adjuk rá a két ér + árnyékolásból álló szimmetrikus csatornánkra, s nézzük, mi történik a kábelen! A külső zavarforrás a jelföldhöz (árnyékoláshoz képest) mindkét vezetéken ugyanolyan, azaz fázisban lévő zavarjeleket indukál. (Persze a csavart vezetékpár ezt csökkenti jócskán, de meg nem szünteti.) A kábel kimenetein lesz egy fázisban lévő jelünk a fázisban lévő zajjal, és lesz egy ellenfázisú jelünk szintén fázisban lévő zajjal. Jó ötlet ez? Pont az előbb mondtam, hogy ha a zaj megjelent a hasznos jelen, az már többé szét nem választható. Adjuk össze a két jelet! A két ellenfázisú jel összeadva pont kioltja egymást, és marad két zaj, azaz kétszeres zajfeszültség. (Matematikusoknak: [+jel+zaj] + [-jel+zaj] = 2 zaj ) Nem pont ezt akartuk! De aggódásra semmi ok: vonjuk ki őket egymásból! A fázisban lévő jelből kivonjuk az ellenfázisút, akkor pont kétszeres nagyságú, fázisban levő jelet kapunk. A két kábelen a zaj a kivonás miatt azonban pont kioltja egymást! (Matematikusoknak: [+jel+zaj] - [-jel+zaj] = +jel +zaj +jel -zaj = 2 jel ) Hurrá! Feltaláltuk a szimmetrikus jelátvitelt!
A differenciál erősítő pont ezt teszi. Kivonja egymásból a két zavarral terhelt ellenfázisú jelet, és előállítja a zavarmentes hasznos jelünket. Természetesen tökéletes zajvédelem nincs, de rendkívül nagy zavarvédelmet érhetünk el ezen a módon.
Oké! De hogy jön ide a DI-BOX? Na innen folytatjuk legközelebb...
Hermann János
okl. villamosmérnök (Garry ELECTRONIC, Hangáruház)
A Szent György Szakközépiskola Hangtechnika tanára
2015. április 1. 20:32