Посмотрим, как в реальности работает изолятор защитного заземления, чтобы подтвердить, что он может применяться наряду с отключением заземления и гальванической изоляцией с использованием трансформаторов.
Начну с анализа проблемы для лучшего понимания происходящих процессов.
Устранение земляных петель.
Однако, если в системе есть шум, как показано на рисунке справа, потенциал сигнальной земли изменяется и, таком образом, шум подмешивается к сигналу, поступающему на вход приёмника.
Допустим, экран соединительного кабеля, соединяющий две сигнальные земли, имеет полное сопротивление в 1 Ом, а уровень шума — 1 Вольт, что по закону Ома приводит к току в 1 Ампер, соответственно 1 Вольт шума попадает на вход приёмника.
Заметим, что я отсылаю вас к полному сопротивлению (реактивному + резистивному), поскольку спектр шума занимает достаточно широкую полосу, а реактивное сопротивление на высоких частотах часто более важно, чем активное.
Для простоты предполагаем внутреннее сопротивление источника шума равным нулю, в реальности источник шума будет иметь ненулевое, но очень маленькое сопротивление, складывающееся из некоторого количества внутренних соединений (проводов, разъёмов…). В главе 3.1 приведён пример источника шума.
В этом примере добавлено сопротивление 9 Ом в петлю с шумовым током, что довело общее полное сопротивление до 10 Ом.
Добавочное сопротивление может быть применено либо в устройстве, в котором находится источник шума, либо в подключаемом устройстве.
Напряжение шума осталось прежним — 1 В, но за счёт того, что теперь это напряжение прикладывается к полному сопротивлению 10 Ом, это вызывает ток только 0,1 А. Если посчитать напряжение шумов, выделяющееся за счёт этого тока на экране межкомпонентного кабеля и попадающее на вход следующего устройства, то мы получим только 0,1 В.
То есть, амплитуда шумового напряжения уменьшилась в 10 раз!
Заметим, что шум не исчезает совсем, оставшиеся 0,9 В остаются на добавленном резисторе 9 Ом.
Существует важное различие между левым и правым случаем на рисунке 4.8.4.
На левой схеме добавленное сопротивление находится ниже источника шумов, поэтому шум на сигнальной земле оказывается близок к шуму на защитном заземлении; на всей системе заземления выделяется небольшое напряжение шумов. Одна шина сигнальной земли (по причине рассмотрения устройств Class 1) оказывается соединённой с защитным заземлением, на другой (содержащей источник шума) — шум на 0,1 В выше.
На схеме справа добавленное в контур шума сопротивление размещено в подключенном устройстве, поэтому обе сигнальных земли имеют высокий уровень шума относительно защитного заземления: устройство с источником шума — 1 В, подключенное устройство — 0,9 В.
В обоих случаях разность шумовой составляющей между сигнальными землями составляет 0,1 В, но в случае слева – амплитуда шума в системе заземления гораздо меньше. Шум системы заземления не важен для данного конкретного сигнала в системе из двух подключенных устройств, но может вызывать проблемы, если к этой системе подключены другие устройства, в которых образуется путь протекания для шумового тока. Примеры будут приведены позже. Несмотря на то, что часто приходится идти на компромисс, лучше всего уменьшать как шум в сигнале, так и шум системы заземления. Поэтому, если есть возможность выбора, лучше устанавливать добавленное в контур шумов сопротивление в устройство, содержащее источник шумов. Фактически, разговор идёт об изоляции земель, однако в реальности мы изолировали источник шумов, а изоляция земель досталась нам как составная часть этого.
Вывод: добавленное сопротивление помогает уменьшить шум, поглощая шумовой ток в контуре распространения шума. Однако данный метод не устраняет проблему, как это делает, например, гальваническая изоляция или устранение земляных петель.
Шум никуда не исчезает, просто он перемещается в ту часть, где он может нанести меньше всего вреда сигналу.
Если 9 Ом так хороши, то почему не добавить 90 Ом, 900 Ом или выше, т. к. это ещё больше уменьшило бы уровень шума?
Необходимо помнить о другом, более важном факторе — безопасности!
Если возникнет пробой или другая проблема в устройстве, на добавленном сопротивлении может возникнуть большая разность потенциалов. Нам необходимо поддерживать полное сопротивление цепи защитного заземления низким, чтобы большая часть тока неисправности протекала бы по ней, а не через некоторый внешний путь, например, человека.
Изолятор защитного заземления.
Изолятор защитного заземления, представленный в статье Rod Elliott-а, решает вышеописанную задачу по-другому. Вместо того, чтобы добавить сопротивление в земляную петлю, устройство Рода вычитает напряжение из той точки, к которой оно подключено. Это достигается парой диодов (внутри диодного моста), включенных встречно-параллельно, т.е., когда анод одного диода подключен к катоду другого. Такое включение диодов не позволяет напряжению, приложенному к изолятору защитного заземления, повышаться до значений, больших прямого падения напряжения на диодах (примерно 0,6 В). Точно так же, как и с обычным резистором, шум никуда не исчезает: диоды погасят 0,6 В, а любой шум больше этого значения по амплитуде окажется в земляной петле. Если напряжение шумов меньше 0,6 В, то диоды ничего не проводят, и схема вырождается в резистор 10 Ом, добавленный в контур. Резистор также ограничивает полное сопротивление между защитным заземлением и внутренней системой заземления. В случае попадания высокого напряжения на внутреннюю систему заземления, диоды открываются и ограничивают напряжение между ними 0,6 В. Конденсатор 100 нФ параллельно резистору добавлен для уменьшения высокочастотного импеданса.
Посмотрим, как это работает.
Изолятор защитного заземления поглощает 0,6 В из 1 В шумового сигнала, оставляя 0,4 В, которые выделяются на полных сопротивлениях шумового контура (экране межкомпонентного кабеля).
На левой схеме изолятор защитного заземления находится под источником шумов, поэтому 0,4 В шумов прикладываются между сигнальной землёй и защитным заземлением. Сигнальная земля второго устройства напрямую соединена с защитным заземлением, поэтому имеет потенциал 0 В.
На правой схеме изолятор защитного заземления установлен в подключенном устройстве, поэтому амплитуда шумов между сигнальной и защитной землями составляет 0,6 В. В устройстве с источником шума к этому значению добавляется падение напряжения на экране кабеля, т.о., на сигнальной земле оказывается шумовое напряжение 1 В.
В обоих случаях разница в шумовых напряжениях между сигнальными землями оказывается равной 0,4 В, однако разница в шумовом напряжении на сигнальной земле и защитном заземлении в левом примере гораздо ниже!
Что произойдёт, если изолятор защитного заземления будет установлен в обоих устройствах (содержащем источник шума и подключенном к «шумящему» устройству)?
Напряжения и токи в этом случае определяются простыми сопротивлениями в петле. Шум в экране соединительного провода между двумя устройствами уменьшился почти в 10 раз, уровень шума на шинах заземления (0,48 В справа и 0,52 В слева) примерно посередине между значений описанных выше двух случаев (когда только одно устройство содержало изолятор защитного заземления).
Приведённые примеры, содержащие только один источник шума и только два устройства в системе, очень просты. Более сложные примеры многокомпонентных систем, множественных источников шума и изоляторов защитного заземления, приведены в следующих разделах.
Множественные земляные петли.
Странные вещи происходят в системе, если мы добавляем ещё один компонент. Именно здесь мы можем наблюдать эффект шума земляных петель.
Этот пример продолжает Рисунок 4.8.6.
Устройство 1 и Устройство 2 остались теми же самыми, источник шума – те же 1 В в первом устройстве. Отличие – в добавленном Устройстве 3, идентичном Устройству 2. Изоляторы защитного заземления в устройствах 2 и 3 оказываются включенными параллельно, уменьшая тем самым общее сопротивление земляной петли, к которому подключен источник шума устройства 1.
Результат – ухудшение подавления шума!!!
Шум увеличивается не только в экране соединительного кабеля между устройствами 1 и 2, шум на сигнальной земле устройства 2 появляется также и в экране кабеля до устройства 3.
Заметим, что общий шум, влияющий на сигнал в полной системе, — это сумма шумов, внедрённых между устройствами 1 и 2 и между устройствами 2 и 3.
Общая амплитуда шумов получается равной 0,09 В (0,06+0,03) — почти в два раза превышает интенсивность шума без устройства 3! Поскольку этот шум является свойством системы заземления, он остаётся в системе всегда, даже если выбран сигнал с другого входа (например, в селекторе входов предварительного усилителя). А если подключенное устройство является устройством Class 1, у которого сигнальная земля и защитная земля соединены непосредственно?
Уровень шума в каждой точке увеличился по сравнению с предыдущим случаем (когда устройство 3 имело изолятор защитного заземления), так как устройство Class 1 закорачивает изолятор защитного заземления устройства 2.
Интересный эффект получится, если мы поменяем местами устройства 2 и 3!
Рисунок 4.8.9. Шум на экране соединительного кабеля между первым и вторым устройством удвоился по сравнению с Рисунком 4.8.8, но общее количество шума на входе компонента 3 примерно то же самое (0,4 В+0 В+0,21 В+0,19 В).
Важное различие состоит в том, что система заземления теперь чиста. Изолятор защитного заземления в устройстве 3 видится избыточным, и вся система вырождается в вариант, приведённый на Рисунке 4.8.5.
Вывод из вышесказанного состоит в том, что добавление ещё одного изолятора защитного заземления в подключаемый компонент может помочь уменьшить шум на конкретном соединении, но ценой зашумления системы заземления. Добавление дополнительных изоляторов защитного заземления в систему может ухудшить ситуацию. Добавление в систему устройства Class 1 обеспечивает очистку системы заземления ценой увеличения шума на конкретном соединении.
Множественные источники шумов.
Рассмотрим случай с несколькими источниками шумов в системе.
Так как два источника шумов схожи, но не идентичны, напряжения от разных источников в некоторые моменты складываются, в некоторые — вычитаются. Мощность двух шумовых источников увеличивается (простым сложением), тогда как напряжение результирующего шума вычисляется как корень квадратный суммы квадратов индивидуальных напряжений шума. В результате, каждый источник вызывает ток 0,7 А (шумов), а результатом воздействия обоих источников сразу будет шум амплитудой 1,414 В на сопротивлении 1 Ом.
Так же, как с одиночным источником шумов посмотрим, что произойдёт при добавлении третьего устройства в систему.
Этот пример, так же, как и следующий (см. Рисунок 4.8.13), повторяет пару, рассмотренную ранее на одном Рисунке 4.8.5. В данном примере два устройства — 1 и 3 — содержат источник шумов амплитудой 1 В.
Устройство 2 имеет изолятор защитного заземления, который оказывается в обеих земляных петлях. Диоды, входящие в состав защитных цепей, забирают 0,6 В, соответственно, каждый экран получает по 0,4 В шума. Заметим, что два шумовых напряжения не складываются в этом случае, поскольку общее напряжение в общей точке не может превышать 0,6 В.
Что произойдёт, если изолятор защитного заземления будет в устройстве с шумом, а не в подключённом устройстве?
Разница между этим примером и предыдущим в том, что устройство 2 теперь представлено устройством Class 1, т.е., сигнальная земля подключена к защитному заземлению непосредственно. Сигнальные земли устройств 1 и 3 оказываются (с точки зрения шумов) по 0,4 В по отношению к защитному заземлению.
Таким образом, система заземления в этом примере оказывается гораздо тише, чем в примере на рисунке 4.8.12.
Это наиболее важно для предварительного усилителя (в качестве компонента 2), поскольку остальные компоненты системы подключаются к нему, и шум в системе заземления оказывается «виден» и, соответственно, оказывает влияние на все компоненты системы.
Хорошо, но что если устройство 2 также имеет изолятор защитного заземления? Не будет ли это ещё одним шагом в лучшую сторону?
Разбор этих влияний становится всё более запутанным, поскольку оба источника шумов взаимодействуют со всеми тремя изоляторами защитного заземления. Результат: уменьшение шумов на соединениях за счёт существенно возросшего шума в системе заземления.
Можно добавлять или убирать изоляторы защитного заземления в разные точки системы, но проблема состоит в том, что оба источника шумов добавляют свою лепту в общий шум системы через общие (т.е., находящиеся в цепи и одного и второго источника шума) сопротивления и, значит, требуют изоляции друг от друга таким образом, чтобы они не имели вышеуказанных общих сопротивлений.
Вывод для системы с множественными источниками шума совпадает с уже рассмотренными случаями единичного источника шума: добавление изолятора защитного заземления в подключаемое устройство в дополнение к имеющемуся в устройстве с источником шума уменьшает шум на конкретном соединении между устройствами за счёт увеличения шума в системе заземления. Включение в цепочку устройства Class 1 обеспечивает очистку системы заземления за счёт увеличения шума на конкретном соединении между устройствами.
Рассмотрим, не поможет ли установка отдельных изоляторов защитного заземления как на вход, так и на выход?
На первый взгляд всё очень хорошо: на каждом экране кабеля шума только 0,05 В, что совпадает с Рисунком 4.8.6. Однако проблема возникает уже внутри устройства 2, что становится очевидным, если рассмотреть поближе только эту часть всей цепочки.
На каждой сигнальной земле допустимое количество шума, но между сигнальными землями образуется 0,68 В шума (0,48В х 1,414 [коэффициент сложения шумов]).
Это значительно больше, чем в случае одинарного изолятора защитного заземления, и примерно столько же, сколько совсем без него!
Между прочим, этот пример показывает результат нарушения правила заземления №4 — сигнальные земли с обеих сторон должны быть подключены к центральной точке заземления устройства — звездой.
Соединение двух сигнальных земель вместе проблему не решает, поскольку в этом случае получаем Рисунок 4.8.14, за исключением того, что два сопротивления 10 Ом, соединённые вместе, дают нам 5 Ом результирующего сопротивления. Это уменьшает эффективность изолятора защитного заземления, поскольку в этом случае суммарный шум на каждой сигнальной земле будет составлять 0,51 В, а на экранах соединений — 0,28 В — ровно столько же, сколько там было и с одним изолятором защитного заземления!
Т.о., уясним, что больше одного изолятора защитного заземления в отдельном устройстве делать не следует, так как улучшения не произойдёт!
Выводы по применению изоляторов защитного заземления будут таковы:
- Применение изоляторов не устраняет и даже не уменьшает шум, шум только перемещается в другое место. Шум может быть перемещён в такое место, где он меньше всего будет влиять на сигнал, однако справедливо и обратное: шум может переместиться туда, где он будет влиять на сигнал. Куда будет перемещаться шум зависит от того, где размещается изолятор.
- Лучше всего размещать изолятор защитного заземления в устройстве, имеющем источник шума.
- В системе, состоящей только из двух устройств, «шумного» устройства и подключенного к нему, использование изолятора в подключенном устройстве также оправдано.
- В системе, состоящей из большего количества компонентов, использование изолятора защитного заземления ухудшает проблему шумов из-за зашумления общей системы заземления.
- Использование нескольких изоляторов в одном устройстве ухудшает ситуацию с шумами, поскольку шум перемещается на сигнальную землю.
- Основной вывод: использование изолятора защитного заземления помогает уменьшить шум посредством поглощения шумового тока внутри контура заземления, однако это не устраняет проблему, как, например, гальваническая изоляция или устранение контуров как таковых. Шум не исчезает, они лишь перемещается в ту часть устройства, где он меньше всего вредит сигналу.
4.9. Выводы.
- Следуй правилам заземления п. 4.1.
- Нарисуй карту заземлений и тщательно проработай конструкцию заземления использую топологии «звезда» и «шина».
- Блоки питания — это чёрные ящики с двумя выводами! Не допускай соединений внутрь блоков питания.
- Используй Изолятор Защитного Заземления только там, где это действительно требуется!
Продолжение следует...