До сих пор, для простоты, рассматривались устройства, имеющие только одну сигнальную землю и землю питания. Однако большинство оборудования содержит в себе несколько электронных плат со своими собственными системами заземления, построенными по принципу шин или звёзд. Всё это соединено между собой и подключено к одному или нескольким источникам питания, а также к корпусу. Результат может быть достаточно запутанный.
Хорошим выходом в этом случае будет создание карты системы заземления при разработке аудио устройства.
Каждая частная шина земли и питания должны быть проложены с той же тщательностью и продуманностью, как и линии, передающие сигнал.
Говоря по существу, проблема может возникнуть в случае, когда две земли используют один проводник (возможно, по необходимости) или что-то подключено не к той земле. Система заземления может быть структурно построена как звезда, звезда звёзд, шина или комбинация из этих структур.
Множество проблем исключается, когда каждая земля подключена только к одной точке — заземлению по принципу «звезда».
Однако часто это бывает недостижимо на практике, поэтому более реальной альтернативой является соединение «звезда-звёзд», когда индивидуальные соединения отдельных узлов по принципу звезда соединяются между собой в одной точке.
Основным принципом является управление направлением распространения тока — ток любого происхождения, протекающий по земляным шинам, должен течь только туда, где он нужен.
Глава 4.1. Правила заземления.
Данные правила призваны помочь в разработке системы заземления.
Первые 4 правила напрямую вытекают из того, что мы рассмотрели ранее.
Правило 1: Следующие цепи должны быть подключены к центральной точке заземления всего устройства одним и только одним проводом:
- все сигнальные земли;
- все земли питания;
- экраны гальванически неизолированных небалансных входов и выходов;
- защитное заземление и корпус (защитное заземление и корпус должны рассматриваться как единая сущность).
Соединение может быть прямым или опосредованным, через локальное соединение звездой или шину. Данное примечание будет объяснено позже.
Защитное заземление и корпус может быть подключено к центральной точке заземления через изолятор защитного заземления.
Подключение “одним и только одним проводом” предотвращает образование земляных петель внутри проектируемого устройства.
Правило 2: Экран балансного входа или выхода (XLR вывод 1) должен быть подключен к шасси в непосредственной близости от разъёма.
Правило 3: Экран небалансного и гальванически неизолированного входа или выхода должен быть напрямую подключен к общей точке заземления устройства.
Экран в данном случае представляет собой сигнальную землю в кабеле.
Правило 4: Любая цепь, связанная с гальванически неизолированным входом или выходом, должна быть подключена к общей точке заземления устройства своей сигнальной землёй.
Правило 5: Защитное заземление из электрической розетки должно быть подключено непосредственно к шасси.
Выдержка из IEC 60950:
«Провод (защитного заземления) должен быть оборудован дисковой клеммой (разрывы в крепёжной части не допускаются), которая прикрепляется к контакту заземления или прикручивается с обязательным использованием гроверной или звездообразной шайбы и гайки. Другие части конструкции, требующие заземления, подключаются с помощью дисковых клемм без разрывов к тому же контакту заземления. Важно, чтобы провод защитного заземления из кабеля питания был первым (в самом низу) контакта заземления и был прикручен отдельной гайкой. Механически контакт заземления не должен использоваться ни для чего более. Например, его нельзя использовать для механического крепления деталей, если они не представляют собой проводники одной из земель. Устройство контакта заземления должно исключать его откручивание снаружи устройства. Например, не разрешается использовать обычные винты с головками, выходящими на внешнюю поверхность панели».
Правило 6: Каждая сигнальная земля должна быть напрямую присоединена к соответствующей земле питания.
Это означает, что никакая цепь не должна иметь между своей сигнальной землёй и землёй питания других сигнальных земель и земель питания, не относящихся к данной цепи. Данное правило не исключает применение топологии «звезда-звёзд», когда сигнальная земля соединяется с соответствующей землёй питания, образуя локальную звезду, далее эта звезда соединяется с центральной точкой заземления всего устройства (напрямую или через шину).
Правило 7: Отдельные узлы могут быть сгруппированы вместе таким образом, что их сигнальные земли образуют шину.
Порядок группировки заземления играет роль. Также как сигнал перенаправляется от каскада к каскаду, так и соответствующая сигнальная земля должна перенаправляться тем же путём. Принимайте меры к тому, чтобы провод, передающий сигнал, и сигнальная земля проходили как можно ближе друг к другу, рассматривайте их как пару. Это уменьшает риск внедрения шума в сигнальную землю.
Один конец шины должен быть подключен к центральной точке заземления устройства, непосредственно или по технологии «звезда звёзд».
Глава 4.2. Примеры заземления.
Посмотрим несколько примеров.
Рисунок 4.2.1 демонстрирует цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с входом SPDIF и небалансным аналоговым выходом. У каждого из блоков питания есть одна земля питания, соответственно, каждая из цепей имеет одну сигнальную землю. Все эти земли подключены к шине заземления.
Таким образом имеем шину, соединяющую звёзды, которая, в свою очередь, подключена к центральному заземлению.
Порядок подключения этих земель к шине важен! Все подключения повторяют цепочку прохождения сигнала от входа до выхода.
Заметим, что не нарушается ни одно правило заземления. В реальности, отдельной шины заземления может и не быть, а «шина» формируется за счёт обычных дорожек на печатной плате и проводных соединений между платами. То есть шину формирует структура соединений.
На Рисунке 4.2.1 также показаны отдельные блоки питания для ЦАП и для аналоговой части (усилителя). ЦАП, по большей части, — это цифровое устройство, склонное засорять источник питания шумами переключения, особенно по земле питания. Таким образом, представляется хорошей идеей отделить землю питания ЦАП от аналоговой сигнальной земли и земли питания аналоговых частей устройства.
Попробуем изменить одну вещь и посмотрим, что случится. Я не приверженец интерфейса SPDIF без входного импульсного трансформатора, но в реальности таких реализаций много. Уберём трансформатор и подключим вход SPDIF непосредственно к ЦАП.
Уверен, что вы сразу увидели Проблему Первого контакта.
Нарушено правило №3: экран входного сигнала подключен к шине, а не к центральной точке заземления.
Нарушено правило №4: сигнальная земля ЦАП подключена к шине, а не к центральной точке заземления. Попробуем исправить положение.
Мы исправили всего две вещи и схема превратилась в звезду звёзд. Кроме того, из вышеприведённого примера становится понятно — любое устройство имеющее гальванически не изолированные небалансный вход и небалансный выход не может использовать архитектуру шины в заземлении. Сигнальные земли как входной, так и выходной цепи должны быть подключены непосредственно к центральной точке заземления (правило №4 — прим. переводчика), что не выполняется при организации шины заземления между ними, что в свою очередь формирует земляные петли. Ещё одним примером такого устройства является широко распространённый предварительный усилитель с небалансными входами-выходами. Проблемы с внутренним заземлением в предварительном усилителе легко могут послужить источником мифа, что единственной приемлемой схемой заземления может быть только звезда звёзд.
Посмотрим на другой пример, на этот раз — усилитель мощности. Использование шины заземления в усилителе мощности используется давно и особенно любимо самодельщиками из Японии.
Первое, что сразу бросается в глаза — корпус RCA не изолирован от шасси, а выступает в качестве единой точки заземления «звезда». Порядок подключения к шине заземления важен: шина начинается на входном разъёме и заканчивается на отрицательном выводе разъёма (выходе) на акустическую систему; самая тихая цепь подключена ближе всего к входному разъёму; в дальнейшем все подключения распределяются тем дальше от входного разъёма, чем более мощный источник шума они имеют.
Практическая реализация этого примера обычно имеет конструктивно выделенную шину, например, толстый оголённый кусок медного провода. Пример такой конструкции приведён здесь.
Всё вышесказанное — это не спор по поводу того, что круче: заземление типа звезда или шина заземления, поскольку оба варианта заземления могут с высокой эффективностью использоваться в подходящей ситуации.
«Звезду» проще реализовать, поскольку отпадает необходимость следить за порядком подключения; для «шины» — это важно. Дальнейшую информацию по практике применения различных топологий заземления можно получить в статье Randall Aiken здесь.