На Рисунке 3.2.1 показано, как образуется замкнутый контур заземления в небалансном соединении компонентов. Здесь уже нет разъёмов XLR с их контактом номер 1, тем не менее в небалансных соединениях проблема образования замкнутых контуров всё равно называется Проблемой Первого контакта, поскольку ничем не отличается от аналогичной проблемы в балансных соединениях.
Небалансное подключение усугубляет проблему, поскольку экран является также сигнальной землёй. Шумовой ток, протекающий по экрану, создаёт на его концах шумовое напряжение из-за конечного сопротивления экрана, которое смешивается с сигналом (ток которого протекает через тот же экран) поступающим на вход усилителя. Вдобавок, решение проблемы также сложнее. Посмотрим, решит ли что-то тот трюк, что мы проделали в балансном соединении: соединим экран с шасси (не отключая от сигнальной земли — прим. перев.).
Это немножко улучшило ситуацию, поскольку закоротило контур, в который входит экран. Однако проблему полностью это не решает: образуется новая петля с источником шума, на этот раз — внутри устройства: шасси → сигнальная земля → шумящая шина заземления блока питания → шасси.
А что если полностью разорвать соединение экрана с сигнальной землёй?
Снова прокол: теперь сигнальная земля в усилителе соединяется с экраном межкомпонентного кабеля через шумящую шину заземления блока питания. Хорошо, осталось ли у нас что-нибудь, что может помочь уменьшить шум? Конечно! Мы можем добавить некоторое сопротивление в петлю, как показано на Рисунке 3.2.3.
Изолятор защитного заземления, действие которого объяснено в статье Rod Elliott, — это искусное устройство, внедряющее высокое сопротивление в петлю для низких напряжений и являющееся практически короткозамкнутым для высоких (аварийных) напряжений.
Оно эффективно, но пытается уменьшить последствия, а не устранить проблему. Сама проблема имеет две стороны: петля и источник шумов. Попытаемся разобраться с каждой из этих сторон. Рисунок 3.2.4. демонстрирует лучшее решение для блока питания, чем показано ранее.
В решении, показанном на Рисунке 3.2.4, внутренняя шина источника питания сжата до размеров одной точки, таким образом, сформировано соединение типа звезда. Звезда исключает подключение в нескольких точках (как было с шиной), таким образом, отсутствует отрезок, на котором формируется напряжение шумов. В предыдущем варианте у нас был «шумный конец» шины, подключенный к защитному заземлению, и «тихий конец», подключенный к сигнальной земле. В новом варианте «шумная» часть подключена в ту же точку земли питания, что и «тихая». Эта точка может быть подключена к защитному заземлению, что позволяет перенаправить туда переменный ток утечки, и к сигнальной земле.
Источник питания — двухполюсник, выводы которого представляют некоторое напряжение и землю питания. Не делайте никаких подключений извне во внутренние точки блока питания. Конечно, если блок питания должен обеспечивать двухполярное питание, он должен быть трёхполюсником.
Мы устранили один источник соединения через общее сопротивление, но есть и ещё несколько. Следующий источник шума — утечка переменного тока от трансформатора питания через блок питания на землю питания. В этом случае применение изолятора защитного заземления может пойти во вред, поскольку будет препятствовать протеканию этого тока на защитное заземление. В этом случае ток будет протекать по пути наименьшего сопротивления, а именно — через сигнальную землю и экран на защитную землю подключенного устройства. Изолятор также препятствует прямому подключению сигнальной земли к шасси, снижая эффективность экранирования. Я вернусь к вопросам правильного применения изолятора защитного заземления позже, а сейчас давайте избавимся от него и подключим сигнальную землю непосредственно на корпус.
До сих пор мы рассматривали Проблему Первого контакта с точки зрения подключений по входу. Посмотрим, как проблема проявляется на выходном подключении.
Проблема Первого контакта на выходе устройства мало отличается от аналогичной проблемы на входе. Т.к. мы приближаемся к решению проблемы на входе, давайте применим всё, что мы нашли для входного подключения, на выходной стороне.
Хорошо, петля значительно уменьшилась, исключён путь протекания токов утечки через экран на другое устройство вместо защитного заземления, уменьшена проблема токового взаимодействия. Однако до сих пор сохранилась проблема наводок, значит, стоит на неё посмотреть повнимательнее. Токи, наведённые в экране, в настоящий момент достигают шасси через сигнальную землю. Рисунок 3.2.8 показывают соединение различных земель по принципу звезда-звёзд.
Стало понятным, что при таком соединении экран и защитное заземление больше не образуют петлю из различных земель, а представляют собой просто параллельные пути.
Петли сами по себе не являются плохим явлением, всё зависит от того, что входит в состав этих петель.
Как только мы исключаем источник напряжения шумов, создающий ток внутри петли, или наводки — мы имеем просто параллельные пути*.
* - Непонятно, почему автор решил, что в данной конфигурации отсутствует возможность наводок на экран. Ранее он уже рассуждал о том, что заземлённый провод отличается по уровню шумов от незаземлённого, т.е. потенциалы на концах защитного заземления и экрана будут разными, соответственно наводки на экран будут создавать ток в петле, который с помощью соединения через общее сопротивление (экрана) будет проникать в сигнал. Тот факт, что экран напрямую не соединён с сигнальной землёй лишь смягчает ситуацию, так как и раньше он не протекал непосредственно по шине сигнальной земли. Прим. перев.
Возьмём, например, параллельные экраны левого и правого каналов стереокабеля. Однако параллельные пути тем не менее образуют петлевую антенну, на которую могут наводиться радиочастотные помехи. Поэтому сводите к необходимому минимуму параллельные пути и уменьшайте размер образующихся петель.
Упоминая наведённые радиочастотные помехи: аудиокабели и входные цепи могут принимать радиочастотные шумы. В экстремальных случаях, экранирование не обеспечивает решения проблемы и приходится применять более серьёзные методы, например, радиочастотные фильтры на аудио входах. Справочник радиолюбителя-коротковолновика по радиочастотным помехам, ферритам, четвертьволновым стаканам и аудиовходам от Jim Brown — особенно хорошо раскрывает вопросы фильтрации радиочастотных помех.
Осталась ещё одна вещь, которую нужно рассмотреть: поскольку очевидно, что ток утечки потечёт через защитное заземление и экраны обоих компонентов, каждое шасси и, соответственно, каждая сигнальная земля будет иметь свой (отличный от другого) потенциал. Шум, вызванный током между этими потенциалами, сложится с сигналом. Его уровень будет значительно меньшим, чем в случае Проблемы Первого контакта, но он всё равно будет. Уменьшить потенциал между шасси можно уменьшив полное сопротивление соединения между ними. Нужно использовать более толстую жилу защитного заземления в кабеле питания — чем толще, тем лучше! Естественно, можно даже применить массивный шнур питания с серебряными проводами (ха-ха!). Далее, нужно использовать экранированную витую пару для межкомпонентных соединителей. Один провод пары (так же, как экран) будет представлять сигнальную землю. Если всех этих мер окажется недостаточно, можно рассмотреть вопрос применения Параллельных Земле Проводников, которые по сути являются толстыми проводами, соединяющими два шасси. Jim Brown называет их «локальными соединителями» в этой статье.
Рисунок 3.2.8 демонстрирует соединение земель в звезду на шасси, туда, где подключено защитное заземление. Сама точка соединения не обязательно должна быть именно там, иногда удобнее перенести её на печатную плату. Пара примеров приведена на Рисунке 3.2.9.
Продолжим далее перенеся внимание на сигнальные линии межкомпонентных соединений.