Dave Davenport
Version 1.11
17 июня 2010
(Перевод Потапова В.И.)
На популярном и познавательном сайте diyaudio.com размещена публикация "Audio Component Grounding and Interconnection", которая переводится как "Заземление и подключение компонентов для аудио". В публикации очень популярно, подробно и понятно рассказывается, как аудио компоненты связаны между собой в единую систему и как решаются вопросы заземления, экранирования и многого другого. К сожалению, публикация написана на английском языке, что делает ее недоступной для многих инженеров и радиолюбителей не владеющих языком. Мой друг и коллега Потапов В.И. потратил много своего драгоценного времени, чтобы написать перевод этой статьи, за что ему огромное спасибо! Проделанный труд должен приносить пользу и знания читателям, поэтому авторский перевод публикации вы сможете прочитать на этом канале.
Эта статья раскрывает вопросы разработки аудиосистем для самодельщиков, строящих стерео системы для дома. Имеется большое количество информации по разработке цепей для аудио, но практически отсутствуют материалы по соединению всех этих конструкций в единую аудиосистему с максимальной эффективностью. Соединение частей аудиосистем предполагает соединение сигнальных линий и «земель» как внутри каждого компонента, так и между компонентами. Эта статья будет наиболее полезна для конструкторов собственных систем, а не для тех, кто собирается соединять готовые компоненты. Несмотря на то, что большая часть приведённой здесь информации может помочь и в профессиональных применениях, в ней не учитывается огромное количество проблем, с которыми сталкиваются профессионалы, например, физические размеры, количество компонентов и их типов.
Не обращайте внимания на то, что примеры основаны на электронных лампах, все принципы справедливы также и для полупроводниковых схем. Большинство, если не все, цифровые цепи используют микросхемы и я также остановлюсь на вопросах соединения цифровой электроники с аналоговыми частями.
Глава 1. Земля.
Слово «земля» вызывает недопонимание, поскольку очень многозначно. Часто конструктор собирает все значения в одно понятие и соединяет всё, что требуется «заземлить» между собой. Такое объединение не приводит ни к чему хорошему. Понимание различного предназначения «земель», разделение их в соответствии с этим предназначением помогает решить многие проблемы. Поэтому мы и начнём с понимания различных значений слова «земля», а в дальнейшем будем решать проблемы с каждой из разновидностей отдельно.
Первая земля, с которой мы сталкиваемся — та, на которой мы играем в детстве: так мы называем место, где растёт трава и деревья. Однако, для большого количества электронных устройств, например, находящихся на самолёте или в сотовом телефоне, такая земля не является необходимой для их функционирования. Единственным применением этой земли является защита от попадания молний. В дальнейшем, я буду называть это понятие — глобальной землёй.
Зная, что высокое напряжение является смертельно опасным, различные стандартизующие организации по всему миру разработали и внедрили стандарты безопасности для устройств, подключенных к электрическим розеткам. Первое допущение, которое делается в таких стандартах — человеческое тело находится, в пределах допустимой погрешности, под тем же потенциалом, что и глобальная земля. Исходя из этого допущения, стандарты требуют, чтобы металлические шасси и любые другие металлические части, до которых можно дотронуться, имели тот же потенциал, что и глобальная земля с помощью провода, подключенного между этими металлическими частями и соединением с глобальной землёй на электрощитке (ввод в квартиру/дом — прим. перев.). В таком случае, любая неисправность внутри устройства не будет опасна для любого человека, дотрагивающегося до шасси. Помимо этого, такое защитное соединение создаёт путь низкого сопротивления для ударов молний, что минимизирует потенциальное повреждение компонентов устройства и удар током находящихся рядом людей. Третье требование стандартов — наличие предохранителей, разрывающих цепь подачи высокого напряжения в случае попадания этого напряжения на корпус. На Рисунке 1.1 показано, как в случае неисправности, возникает большой ток от электрощитка через место неисправности на корпус и затем — через заземляющее соединение — снова в электрощиток. Если в этой цепи окажется правильно подобранный предохранитель, он перегорит, иначе сработают устройства безопасности (электрические пробки или автоматы — прим. перев.) электрощитка. Правильный подход предусматривает выбор адекватного значения тока срабатывания предохранителя, поскольку в этом случае он сгорит гораздо быстрее, чем сработают автоматы в электрощитке, раньше разорвав цепь протекания большого тока, который может повредить дорогостоящие детали. Заметьте, что соединение с глобальной землёй в электрощитке никак не влияет на срабатывание предохранителя в устройстве или автомата самого электрощитка. Также стоит заметить, что никакого тока не течёт по самому заземляющему соединению (от устройства до щитка), если нет никакой неисправности. В дальнейшем будем называть это заземление, как защитное заземление.
Следование стандартам электробезопасности с помощью организации защитного заземления обеспечивает определённую степень защиты производителей оборудования от дорогостоящих исков об их ответственности за безопасность продукта.
Конечно, вы можете не беспокоиться об исках, однако вы должны подумать о своём собственном здоровье и процветании, а также о своих близких, так как именно вы ответственны за любые повреждения, вред здоровью или смерть вызванные оборудованием, которое вы изготовили.
Никогда не отключайте существующее защитное заземление, обязательно включайте защитное заземление во все конструкции, которые вы создаёте!
Вы можете сказать: «Как насчёт моего CD-плейера, ведь он содержит двухконтактную вилку, в которой нет защитного заземления?» Производители бытовых устройств имеют в своём штате инженеров, способных изготовить устройства с двойной изоляцией, которые безопасны и без защитного заземления. Однако, это непростая задача, которую не рекомендуется брать на себя не прошедшим специального обучения любителям. Устройства с двойной изоляцией разработаны таким образом, чтобы предотвратить появление фазы на любой открытой металлической части, включая шасси (корпус). Особенное внимание уделяется предотвращению межобмоточного пробоя трансформаторов питания.
Из хорошего во всём вышесказанном: правильно сконструированная система не пострадает от добавления защитного заземления и в реальности — обеспечит оптимальное качество звучания. Как этого добиться мы рассмотрим далее.
Большинство устройств аудио должно иметь один или множество источников питания. По моему мнению, дело источника питания — обеспечивать рабочую среду для аудио-цепей. Короче говоря, обеспечить необходимые напряжения и токи вне зависимости от того, что конкретно будет происходить в самой цепи. Например, для усилителя на триодах, требуется обеспечить анодный ток вместе с анодным напряжением и напряжение смещения. Для усилителя на пентодах требуется также напряжение для экранирующей сетки. Ток протекает от положительного полюса источника питания через нагрузку в отрицательный вывод источника питания. Для удобства измерений, понимания и применения источника питания, конструктор обычно назначает один из выводов блока питания опорным. Как правило, это отрицательный полюс положительного напряжения или положительный — отрицательного напряжения. В дальнейшем, этот вывод будем называть земля питания.
Что случится, если какой-то участок, содержащий напряжение с блока питания коснётся корпуса? У корпуса — потенциал глобальной земли (поддерживающийся защитным заземлением), поэтому, тот провод, что коснётся корпуса, окажется под тем же потенциалом. На данный момент, нас это устраивает. Хотелось бы, конечно, обнаружить нашу неисправность и заставить сработать предохранитель. Для этого нужно каким-то образом дополнить цепь так, чтобы в ней создался «ток неисправности» от источника питания через замкнутое соединение с корпусом и обратно на источник питания. Это не обязательно, но для исключения путаницы большинство конструкторов соединяют именно землю питания с корпусом для обеспечения протекания тока неисправности. Снова заметим, что в обычном состоянии, когда неисправности нет, через это соединение (земля питания – корпус) не протекает никакого тока. Единственное назначение этого соединения — создание тока неисправности.
Рисунок 1.3 показывает, каким образом неисправность вызывает большой ток, протекающий в цепи вторичной обмотки трансформатора, что вызывает большой наведённый ток в первичной обмотке трансформатора. Заметим, что защитное заземление не играет никакой роли в данном процессе и ток через него не протекает.
Рекомендуется использовать землю питания как «землю» (опорный потенциал) для всех цепей накала электронных ламп. Этого можно достичь как прямым соединением одной из шин накальной цепи с землёй питания, так и с помощью опорных напряжений, которые соединены с землёй питания.
Естественным было бы предположить, что любое аудио устройство, по определению, должно иметь дело с аудио сигналом. Сигнал, в виде некоторого напряжения, для того, чтобы каким-то образом быть полезным, должен иметь некоторую опорную точку отсчёта. В некоторых случаях, например, в дифференциальных усилителях, сигнал представлен плюсовым входом, а опорная точка – минусовым. В других случаях, например, в обычном небалансном усилителе, сигнал подаётся на вход, а опорная точка соединена с «землёй». Триод — это устройство с тремя выводами: входной сигнал подаётся на сетку относительно опорной точки — катода, а выходной сигнал снимается с анода относительно опорной точки — катода.[1]
[1] В данном описании подключения триода рассматривается типичная схема включения, однако, в современных устройствах широко применяются и другие схемы включения. (прим.перев.)
Катод обычно соединён с землёй питания, напрямую или с помощью резистора, определяющего смещение сетки. Таким образом, опорная точка сигнала, назовём её сигнальной землёй, соединена с землёй питания; по этому соединению (как нетрудно догадаться по аналогии с предыдущими соединениями) ток не протекает. В каждой цепи имеется сигнальная земля, некоторые цепи являются аналоговыми, другие — обрабатывают цифровой сигнал.
Хорошей практикой является разделение «цифровой сигнальной земли» и «аналоговой сигнальной земли».
Последним термином, использующим в основе слово «земля» является экранирование. Как правило, в аудио системе имеются два различных экрана: корпус (шасси) и экран кабеля. Известны два важных свойства экрана: непрерывность (неразрывность) экрана и материал, из которого он изготовлен. Под непрерывностью понимают следующее: чтобы экран был максимально эффективен, в нём не должно быть отверстий или отделённых элементов. В реальной системе это может быть неосуществимо, но к этому стоит стремиться. Пластик или дерево — неудачные материалы для экрана, в то время как медь или алюминий хороши для электростатического экранирования, а сталь или мю-металл обеспечивают и электростатическое и электромагнитное экранирование. Правило №1 в книге Morrison [1] (страница 39) утверждает: «Электростатический экран, чтобы быть эффективным, должен быть подключен к нулевому опорному потенциалу любой цепи, которую он защищает».
Крайне важно не оставлять шасси изолированным — оно тоже должно иметь «землю». Всё имеет потенциал относительно всего остального. Либо управляй этим распределением, либо получишь шум и помехи. Т.о., шасси (корпус) или кабельный экран должен быть подключен к сигнальной земле; и снова — по этому соединению не протекает никакой ток.
В данной статье я использую термины «шина заземления» и «заземление-звезда». Шина заземления — это отрезок провода, который представляет потенциал земли. Заземление-звезда — это две или более цепей, содержащих земли, соединённые в одной точке. Звезда звёзд — это как раз то, что приходит первым на ум: несколько заземлений-звёзд соединённых в одной точке.
Таким образом, в аудиосистеме у нас есть глобальная земля и, возможно, несколько защитных заземлений, земель питания, сигнальных земель и экранов, все соединены между собой. Как уже не раз говорилось, в нормальных условиях никакой ток не течёт по этим соединениям. Это не полностью соответствует действительности, если на сцену вступает шум. Ток, вызываемый шумовыми составляющими, может протекать между различными «землями» и оказывать негативное влияние на звуковые возможности аудиосистемы. Поэтому, нашим желанием должно стать уменьшение тока шумов в системе за счёт, во-первых, уменьшения шума, и, во-вторых, ограничения возможности для оставшегося от цели №1 шума распространяться внутри системы или направлять его туда, где он нанесёт минимальный ущерб. Давайте взглянем поподробнее на шум.