В этом разделе я представлю четыре схемы соединений, которые покрывают практически все практические применения. Я буду использовать некоторые термины в своём понимании их смысла, поэтому приведу мою интерпретацию их значения:
- Устройство Class 1 — аналоговое устройство, у которого шасси подключено к защитному заземлению без изолятора защитного заземления и Проблемы Первого контакта. Устройство имеет небалансный выход, не имеющий гальванической развязки.
- Устройство Class 2 — коммерческое аналоговое устройство, разработанное таким образом, чтобы быть безопасным без необходимости соединения с защитным заземлением. Устройство имеет небалансный выход, не имеющий гальванической развязки. Примерами устройств Class 2 являются устройства имеющие двухконтактную вилку или питающиеся от батарей (например, ноутбук).
- Устройства SLB (с изоляторами защитного заземления) — аналоговые устройства, у которых шасси подключено к защитному заземлению через изолятор защитного заземления.
- Устройство, имеющее Проблему Первого контакта — аналоговое устройство, у которого шасси подключено к защитному заземлению непосредственно и имеющее Проблему Первого контакта.
- Компьютер — это представитель любых цифровых аудиоустройств, имеющих импульсные блоки питания и загрязняющих значительным шумом свои системы заземления. Примером является соединение SPDIF от компьютера или спутниковой системы телевидения.
Первая действующая схема заземления — система из компонентов Class 1, показанная на Рисунке 3.7.1. Это именно та схема соединения земель, которая была разработана нами в разделе 3.2. Схема соединений земель — одноуровневая, все экраны межкомпонентных кабелей и защитные земли соединены внутри системы в одной точке (соединение типа звезда).
Это единственная схема (из приведённых), в которой шум из линии питания, в форме переменного тока утечки может протекать по сигнальным землям. Этот шум проникает из первичной обмотки трансформатора через паразитные ёмкости на железо и крепёжные детали трансформатора питания, а также на землю питания, как показано в статье Juaneda, а также в AN004 от Jensen. Однако так как вся система заземления имеет низкое общее сопротивление, уровень шума будет низким и не должен вызывать никаких проблем. Если проблемы всё же возникают, стоит подумать об использовании Параллельных земле проводников, или локальных соединений, описанных Jim Brown здесь.
Вторая действующая схема заземления — система из всех компонентов Class 2, представленная на Рисунке 3.7.2. Схема соединения земель — одноуровневая, все экраны межкомпонентных кабелей соединены в одной точке системы (соединение типа звезда).
Данная схема не имеет проблемы проникновения шума с линии питания в форме тока утечки, поскольку система заземления не подключена к защитному заземлению и поэтому нет замкнутого контура для этого тока утечки. Без замкнутого контура, ток протекать не может. И, естественно, в связи с тем, что имеется только одно соединение между компонентами — экраны, невозможно образование земляных петель.
Третья действующая схема заземления представлена системой, в которой все компоненты имеют изолятор защитного заземления, как показано на Рисунке 3.7.3. Такая схема соединений имеет два уровня соединения земель. Все экраны межкомпонентных кабелей, соединенные внутри системы звездой образуют первый уровень. Все защитные заземления, соединённые с шасси, образуют второй уровень. Эти два уровня земель изолированы друг от друга с помощью изолятора защитного заземления.
Эта схема не имеет проблемы проникновения шума из линии питания через утечки переменного тока, поскольку один уровень системы изолирован от другого, разрывая контур протекания тока утечки. Без контура ток протекать не может. Первый уровень заземления видится таким же, как и в случае систем Class 2. Однако ток утечки, который попадает на шасси с металлических частей трансформатора, в отличие от систем Class 2, протекает по цепи защитного заземления.
Конечно, ни одна из схем заземления не будет полезной, если она ограничивается применением только одного типа устройств в системе. Так что давайте посмотрим, как можно построить смешанную систему, содержащую разные типы схем заземления. Начнём с двух соединённых компонентов и затем расширим область действия рассуждений на несколько соединённых устройств.
Как мы уже выяснили ранее, первый уровень заземления устройства SLB такой же, как заземление устройств Class 2, т.о., они могут объединяться без проблем.
В обоих случаях не образуется петля заземления; однако, переменный ток утечки от трансформатора питания в устройствах Class 2 и SLB потечёт в направлении глобальной земли через экран и защитное заземление устройства Class 1. Если это вызывает проблемы, единственное лечение — изолировать защитное заземление в устройстве Class 1 от земель в устройствах Class 2 и SLB. Для этого можно либо добавить изолятор защитной земли в устройство Class 1 (превратив его таким образом в устройство SLB), либо гальванически изолировать соединение устройств с помощью трансформатора.
В обоих случаях земляная петля отсутствует, Проблема Первого контакта оказывается устранённой; однако, так же, как с устройством Class 1 в примере выше, переменный ток утечки будет протекать через экран. Это может представлять более серьёзную проблему, чем в случае с устройством Class 1, поскольку этот паразитный ток утечки будет протекать через сигнальную землю перед тем, как замкнуться на защитное заземление.
Решение аналогично предыдущему примеру.
Длинное название рисунка, непомещающееся под рисунком, поэтому еще раз. Рисунок 3.7.7. Соединение устройства с Проблемой Первого контакта с устройством Class 1 или другим устройством, имеющим Проблему Первого контакта.
Это — классический случай проявления Проблемы Первого контакта, детально рассмотренный в разделе 3.2. В качестве решения можно предложить либо исправление устройства с Проблемой Первого контакта, чтобы эта проблема больше не проявлялась, либо добавление изолятора защитного заземления в устройство с Проблемой Первого контакта, либо обеспечение гальванической изоляции соединения с помощью трансформатора. Два последних способа исправления представлены на Рисунке 3.7.8.
Поскольку Проблема Первого контакта засоряет систему заземления, наиболее эффективный способ подключения такого компонента — его гальваническая изоляция от остальной части системы. То же самое решение позволяет подключить звуковую карту компьютера к аудиосистеме. Гальваническая изоляция может быть встроена в изолируемый компонент или обеспечена внешним блоком, например, Jensen ISO‐MAX.
В случае подключения компьютера, так как компьютерная звуковая карта не относится к сфере аудио наивысшего качества, нет никакой необходимости тратить деньги на межкаскадный трансформатор высочайшего качества. В линейке продукции EDCOR имеются отличные входные и выходные трансформаторы, которые разумно было бы применить для такого рода подключений.
Подключение компьютерной звуковой карты к устройству со схемой заземления SLB имеет те же самые проблемы, как и подключение компьютерной звуковой карты к устройству со схемой заземления Class 1. Наилучший и полноценный выход из этого положения — гальваническая изоляция, однако для очень простых систем, например, таких, как на Рисунке 3.7.9, прямое подключение компьютерной звуковой карты к устройству SLB обеспечивает приемлемое качество, т.к. изолятор защитного заземления разорвёт земляную петлю. Проблема тока утечки из усилителя через компьютер останется, однако компьютерная звуковая карта всё равно имеет неприемлемую конструкцию заземления, поэтому это останется незамеченным.
Если под компьютером подразумевается ноутбук, гальванической изоляции не требуется, поскольку ноутбук не имеет подключения к электрической розетке и поэтому не может создать земляных петель.
Имеется дополнительная проблема, которую также нужно рассмотреть — зашумлённая шина защитного заземления компьютера. Мы не должны соединять эту шумную шину защитного заземления с относительно чистым защитным заземлением аудиосистемы, следовательно, компьютер должен подключаться к отдельной цепочке розеток, не связанных с розетками аудиосистемы.
Итак, обобщим наши изыскания по соединению двух устройств различных типов:
- Проблем в соединении устройств одного типа нет (Class 1, Class 2 или SLB).
- Проблем в соединении устройств Class 2 с устройствами SLB нет.
- При соединении устройств Class 1 с устройствами Class2 или SLB имеются незначительные проблемы переменного тока утечки.
- При соединении устройства с Проблемой Первого контакта с устройствами Class 2 или SLB имеются незначительные проблемы переменного тока утечки. Основная Проблема Первого контакта не проявляется.
- При соединении устройства с Проблемой Первого контакта с устройством Class 1 или другим устройством с Проблемой Первого контакта возможны значительные проблемы.
- Изолятор защитного заземления помогает в большом количестве случаев и может быть хорошим решением проблем.
- Трансформатор обеспечивает гальваническую изоляцию, решающую как Проблему Первого контакта, так и проблему переменного тока утечки.
Продолжим рассматривать соединение устройств на примере трёх и более устройств. Понятно, что устройства с одинаковыми типами систем заземления (Class 1, Class 2, SLB) могут соединяться без проблем. Устройства Class 2 и SLB также могут взаимодействовать без проблем. Проблемы возникают, когда начинают взаимодействовать устройства Class 1 или имеющие Проблему Первого контакта с устройствами Class 2 или SLB. Если в системе находится только одно такое устройство (Class 1 или имеющее Проблему Первого контакта), ситуация ничем не отличается от ранее рассмотренного случая подключения двух компонентов. Однако, если в системе из Class 2 и SLB-устройств находится несколько устройств Class 1 или имеющих Проблему Первого контакта, то ситуация становится гораздо интереснее.
Прямое подключение устройства с системой заземления Class 1 к устройству Class 2 приводит к тому, что вся система заземления оказывается подключенной к защитному заземлению, соответственно, теряя изолированность системы заземления Class 2. Когда мы напрямую подключаем устройство Class 1 к первому уровню заземления устройства SLB, мы соединяем первый и второй уровни системы заземления SLB (через устройство Class 1). Т.о., теряются преимущества всех изоляторов защитного заземления во всех компонентах системы. Вся система становится системой Class 1. Пока мы не имеем проблемы, поскольку пока нет источника шума ни в одной из петель.
Проблема поджидает нас тогда, когда мы включаем устройство, имеющее Проблему Первого контакта. Посмотрим на Рисунок 3.7.10.
Земляная петля образуется между устройством, имеющим Проблему Первого контакта и устройством Class 1, обходя изолятор защитного заземления. Напряжение шумов появляется как на экране, выходящем из устройства с Проблемой Первого контакта, так и на экране, входящем в устройство Class 1. Взаимодействия становятся весьма сложными и даже этот рисунок не даёт нам полной картины этой сложности. Устройство SLB, изображённое на рисунке, может быть в реальности несколькими соединёнными устройствами, а устройство Class 1 может находиться где угодно в цепочке подключенных компонентов и подключено входом или выходом. Наличие земляной петли очень сложно обнаружить. Например, допустим, у вас работает система, состоящая из нескольких устройств SLB и одного устройства с Проблемой Первого контакта. Всё работает хорошо, поскольку изолятор защитного заземления ничем не замкнут и отсутствуют земляные петли. Вы покупаете новый компонент, который оказывается устройством Class 1, и устанавливаете его в систему. Теперь вы слышите гул, которого не было ранее. Вы убираете компонент из системы – гул исчезает.
Вы подозреваете неисправность нового компонента, а на самом деле проблема реально вызывается устройством с Проблемой Первого контакта, и это устройство уже стояло в вашей системе.
Статья Bill Whitlock-а Understanding, Finding, & Eliminating Ground Loops in Audio & Video Systems (Объяснение, нахождение и устранение земляных петель в аудио-видео системах) содержит некоторые прекрасные методики, помогающие изолировать устройство, вызывающее проблемы.
Некоторые конструкторы считают, что раз один изолятор защитного заземления – это хорошо, то два – будет ещё лучше, и отдельно изолируют входные и выходные цепи компонента (каждую своим собственным изолятором защитного заземления). Это, действительно, изолирует вход от выхода, но к несчастью имеет побочный эффект увеличения шума на земляной шине внутри самого компонента. Мы увидим, как это происходит в разделе Изоляция земель.
Часто предварительный усилитель является центральным компонентом в аудиосистеме, имея один выход и много входов. Если и предварительный усилитель и основной усилитель содержат изоляторы защитного заземления вы можете сделать так, чтобы в системе всегда находилось не более одного компонента Class 1 или с Проблемой Первого контакта просто обеспечив коммутацию не только сигнальных, но и земельных выводов входных разъёмов.
Кроме того, мы можем вернуться к гальванической изоляции компонента, вызывающего проблемы, с помощью трансформатора.
Я знаю, что вы сейчас думаете о четвёртой действующей схеме заземления, считая, что есть три вида людей — те, которые могут считать, и те, которые не могут. Это и есть та самая четвёртая система, и она представляет собой всеобъемлющее решение для общесистемного заземления.
Решение, показанное на Рисунке 3.7.11, основывается на предварительном усилителе, в котором все входы и выходы гальванически изолированы. Так как ни один компонент гальванически не соединён с другим, нет никакой разницы, что будет подключено к такому предварительному усилителю. Можно подключать Class 1, Class 2, SLB, устройства с Проблемой Первого контакта, компьютеры — ни одна система земель не будет соединена. Сам предварительный усилитель может быть устройством Class 1, Class 2, SLB, но нет никакого резона делать его SLB, поскольку бессмысленно изолировать защитное заземление. Заметим, что, тем не менее, компьютер подключен к отдельной цепочке электрических розеток для уменьшения шумов, передающихся по земляным соединениям.
Рисунок 3.7.11. Схема подключения заземлений, основанная на гальванически изолированных входах и выходах предварительного усилителя.
Я говорил о четырёх схемах? В реальности — их пять: в такой схеме всё вывернуто наизнанку, по сравнению с предыдущей (четвёртой) схемой.
Все подключенные компоненты имеют гальванически изолированные выходы. В этом случае, предварительный усилитель может и не иметь изолированных входов. Подключаемые устройства могут быть устройствами Class 1, Class 2 или компьютерами. Он не могут иметь Проблем Первого контакта, поскольку гальванически ни с чем не связаны.
И повторюсь ещё раз: бессмысленно изолировать защитное заземление у гальванически изолированного устройства!!!
В настоящее время я использую такую схему (показанную на Рисунке 3.7.12) соединения компонентов в моей аудиосистеме.
Рисунок 3.7.12. Схема соединения заземлений устройств с гальванически изолированными выходами.