Заземлені петлі
Отже, ви створили потужний підсилювач звуку, який чудово працює при власному тестуванні. Ви також щойно закінчили створювати окремий попередній підсилювач, який також чудово працює. Але коли ви нарешті поєднали ці два, ніщо, здається, не працює належним чином.
Ви чуєте сильний шум, навіть коли гучність встановлена на мінімальну. Музика відтворюється неправильно. Ваш улюблений виконавець помітно звучить інакше. Ви чуєте дивні звуки, яких, як ви знаєте, не повинно бути там.
Нагадує вам надто звичний досвід, чи не так? Не лестіть собі, що ви єдиний, хто стикався з подібними проблемами. Навіть досвідчені любителі не застраховані від цих явищ. Насправді це дуже поширена проблема, з якою час від часу стикається кожен любитель аудіо.
Новачок, ймовірно, буде звинувачувати погляд на компоненти, або навіть на саму схему, і сприйматиме їх як джерело проблеми. З наслідком того, що він витратить свій час, не розраховуючи на спробу вирішення проблеми, не знаходячи стабільного рішення.
Якщо це не компоненти або схема, то це причина всіх цих проблем ?
Часто нас навчали в школі спрощеному підходу, який вважає, що всі точки до землі мають потенціал нульових вольт. Це припущення, в більшості випадків, справедливе лише на папері. Розгляньте аудіоустановку, як показано на малюнку 1а. І спостерігайте, як пов’язані маси. Якщо ця збірка фізично підключена точно так, як на схемі, ми не помітимо апріорі жодної потенційної проблеми. Це тому, що ми готові визнати, що у всіх точках маса має однаковий потенціал 0 В.
Проблема в тому, що, як і в усьому, у реальному світі все працює трохи інакше. Природа постановила, що ідеального контуру маси просто не існує. Ідеальна схема заземлення не може існувати, оскільки в реальному світі провідники не мають нульового опору. Насправді мідь, провідник, який найчастіше використовується в електроніці, ніколи не буде повністю надпровідною (0 Ом), навіть якщо ви близькі до абсолютного нуля...
Маючи це на увазі, повернімось до нашого аудіо набору, на цей раз розкриваючи опори, спричинені проводкою, як вони з’являються на кожному з’єднанні, як показано на малюнку 1b. Відповідно до закону Ома, якщо струм протікає через провідник, різниця потенціалів проявиться на ньому. Це відбувається в змінному (змінного струму), прямому (постійному струмі) або їх комбінації і залежить від активності кожної гілки в електропроводці.
Малюнок 1а. Типова аудіоустановка, що показує заземлення. Ми схильні думати про цю заземлювальну проводку ідеально, оскільки всі точки мають однаковий потенціал 0В.
Малюнок 1b. У реальному світі кожна частина наземних з'єднань має вимірюваний омічний опір, пов'язаний із цим. Якщо ми включимо це в діаграму, разом із пов'язаною напругою, що розвивається на ній, потенційні негативні наслідки стають цілком очевидними.
Зараз очевидно, що у нас можуть бути проблеми. Ці потенційні різниці можуть бути невеликими, але вони, тим не менш, є потенційними різницями, і вони люблять опинятися в неправильних місцях у вашому ланцюзі.
Якщо трапляється, що ви працюєте на схемах із високим рівнем шумозахисту, наприклад, на логічних схемах, це може не представляти проблеми. Але якщо ви перебуваєте в процесі роботи з лінійними та чутливими схемами (підсилювач звуку відноситься до цієї категорії), речі починають ставати справді цікавими.
Небажані різниці потенціалів незмінно призводять до течії струму. Ці небажані струми в сукупності називаються "петлями заземлення" і є основною причиною шуму, спотворення та іншого небажаного шуму від вашої аудіоустановки.
Але те, що ви не можете мати ідеальну схему заземлення, не означає, що ви не можете боротися з негативними наслідками, які це породжує.
На перший погляд, зниження омічного опору представляється логічним рішенням. Але сюрприз - це не завжди здійсненний варіант.
Краще рішення і забезпечити, щоб сигнал не забруднювався цими небажаними струмами. Це звучить не так багато, але це те, що "простіше сказати, ніж зробити".
Ви повинні навчитися навичкам, і це вимагає часу. Хороша новина полягає в тому, що це не надто складно. Погана новина полягає в тому, що це теж непросто. Потрібно багато практики і багато терпіння.
У цьому обговоренні ми сформулюємо кілька простих правил проводки, яких можна дотримуватися, не занурюючись у тонкощі та недоліки. Іншими словами, ми пропустимо подробиці - ви б у такому разі не мали достатньо терпіння для цього.
Ми залишатимемось лише на рівні взаємозв’язку підвузлів. І що ще важливіше, ви повинні знати той факт, що якщо самі плати погано розроблені, все, що ми обговорюємо, не допоможе, коли ці правила застосовуються до тих поганих плат.
Правило No1 - маси повинні бути з'єднані в одній точці.
Це, мабуть, найважливіше правило. Уникайте кількох заземлень. Аудіоапаратура не любить мати занадто багато масових шляхів. Наприклад, якщо ваш підсилювач встановлений у струмопровідній/металевій шафі, сам корпус може вже бути підключений до точки заземлення (наприклад, до землі діодного моста). У цьому випадку приведення контактів підстав вхідних роз'ємів (наприклад, роз'ємів RCA) до коробки створить заземлювальний контур, що, отже, погана ідея. Це поширена помилка любителів, які роблять свій підсилювач.
Правило №2 - відокремте заземлювальні шляхи між ланцюгами "низького струму" та ланцюгами живлення.
Частина, яка забезпечує посилення потужності, відводить великий струм і, отже, може легко генерувати помітні струми заземлення. Отже, щоб мінімізувати вплив силової частини на «слабкострумову» частину (попередні підсилювачі, вибір входів), кращим є ізольоване джерело живлення.
Виділене ізольоване джерело живлення - це схема, яка електрично не підключена до джерела живлення підсилювача потужності. Він може мати власний випрямний контур, підключений до окремих обмоток трансформатора, спільного для обох секцій (рис. 3). На рисунку 4 показано, як ізольований блок живлення повинен бути підключений до ланцюгів "низького струму". Зверніть увагу на те, як джерело живлення з низьким рівнем живлення підключений до заземлення окремого вузла. Правило №1 диктує, що ніщо інше не повинно підключатися до будь-якої іншої точки заземлювального контуру.
Рисунок 3. Конфігурація джерела живлення підсилювача потужності. Електрична ізоляція між двома низьковольтними джерелами живлення проводиться через дві окремі обмотки трансформатора.
Поміркуйте, що трапиться, якщо ви підключите землю низького джерела живлення до мережі джерела живлення, як показано пунктирною червоною лінією на малюнку 5. Дві точки заземлення тепер створюють петлю заземлення, як показано червоним шляхом. Це дуже поширена помилка. Це віртуальна гарантія того, що ваше аудіообладнання буде створювати несамовиті шуми та/або дивно.
Якщо з будь-якої причини заземлення джерела живлення неможливо від'єднати від загального заземлення, тоді слід від'єднати землю низького живлення. Я повинен повторити, що, хоча вищезазначене може зменшити шум, воно не може бути дуже ефективним для зменшення загальних спотворень.
Якщо ізольоване та окреме джерело живлення не є практичним, тоді правило №3 стає ще більш важливим для вашої установки.
Рисунок 4. Рекомендовані заземлення для системи підсилення звуку. На цій ілюстрації показана установка, яка використовує окреме джерело живлення для сильної струмової та низьковольтної частин. Зверніть увагу, як земля пов’язана з поверху на поверх - лише через входи та виходи різних поверхів. Оскільки передпідсилювач та джерело звуку мають одне і те ж джерело живлення, слід уникати додавання заземлення, як показано лінією.
Рисунок 5. На цій схемі висвітлено найскладніший випадок, а також найпоширенішу помилку. - заземлення (пунктирна червона лінія), що безпосередньо з'єднує заземлення двох джерел живлення. Це створює петлю заземлення, яка проходить через джерело живлення високого і низького струмів. Кайф та спотворення неминучі.
Правило № 3: встановлюйте з'єднання лише на підставі входів і виходів.
Якщо ви уважно придивитесь, то помітите, що аудіозбірки мають маси, пов’язані з входами та виходами, крім маси, пов’язаної з джерелом живлення. Звичайно, всі ці точки заземлення пов’язані між собою, але тепер ви вже знаєте, що вони не мають однакового потенціалу в електричному плані. Малюнок 4 вже показав вам правильний спосіб підключення виходу до іншого вхідного каскаду. Земля вихідного сигналу попередньої стадії повинна бути підключена безпосередньо і лише до землі вхідного сигналу наступної ступені. Це просте, але дуже важливе правило. Підключення підстав будь-яким іншим способом лише спричинить проблеми.
Як згадувалося в останній частині правила 2, стає ще більш важливим, якщо джерело живлення розподіляється між підсилювачем потужності та частиною низької потужності у випадку, коли джерела живлення не розділені. На рисунку 6 показано, як повинні бути взаємозв’язані підсклади. Зверніть увагу, що маси живлення підвузла “низької потужності” не підключені! Маса джерела живлення транспортується лише через маси входів і виходів.
Звичайно, ця коротка дискусія може не охопити всього, що слід знати. Ми просто торкнулися цієї теми. Ми не обговорювали екранування, захисне заземлення та інші важливі моменти. Але того, що ми висвітлили досі, мабуть, достатньо, щоб зробити вас комусь краще підготовленим для усунення несправностей та усунення головних неприємностей шуму та спотворень під час створення звукової установки.
Важливо зазначити одне важливе - проблеми, спричинені заземленими петлями, зазвичай призводять до шуму на частоті 100 Гц. Шум 50 Гц (і шум, який створюють вертушки), можливо, обумовлений різними причинами (наприклад, екранування). Навчіться розрізняти ці два.
Малюнок 6. Якщо установка використовує одне і те ж джерело живлення між частинами сильного та слабкого струму, найкращим проводом заземлення для частини слабкого струму є не підключати заземлення, що надходить безпосередньо від джерела живлення! Заземлення джерела живлення постійного струму здійснюється безпосередньо через заземлення входів і виходів підвузлів.