Как найти земляную петлю

В некоторых усилителях мощности в земляную цепь включен резистор небольшого сопротивления.

Для чего он нужен?

Идеальный усилитель, как его представляет теория усилителей, показан на рис. 1. На вход подается входной сигнал, а на выходе в каждый момент времени устанавливается напряжение больше чем на входе в Ку раз, где Ку – коэффициент усиления усилителя.

В таком усилители входная и выходная цепи разделены – это совершенно разные цепи и они никак не связаны. Источник сигнала замыкается входной цепью, а выходная цепь, состоящая из блока питания (именно из него в нагрузку поступает электрическая мощность) и регулятора (он нужен для того, чтобы устанавливать в нагрузке нужное напряжение) – сама по себе. Подобные усилители реально существуют, и его в принципе можно сделать из «обычного» усилителя, включив на его вход и/или выход сигнальный трансформатор. А вот источник питания и нагрузка обязательно имеют общую точку, это важный момент.

В реальности гораздо удобнее иметь один провод общий для всего устройства, и даже общий для нескольких устройств. Тогда все напряжения во всех точках схемы можно измерять (и прикладывать) относительно этого общего провода. Такой принцип конструирования очень удобен, он имеет множество достоинств и поэтому применяется более чем очень широко. Честно говоря, я вот так с ходу и не смог бы придумать ряд цепей, существующих в реальном современном усилителе, если бы в нем не было общего провода – «земли». А раз есть провод, общий для всех цепей усилителя, то и входная цепь, и выходная цепь – обе они должны быть соединены с этим общим проводом, рис. 2. Этот общий провод по ряду причин соединяют с корпусом устройства.

По идее, этот общий провод, показанный на рис. 2 красной линией, никого ни к чему не обязывает. Просто уравнивает потенциалы входной и выходной цепи. То есть с точки зрения электротехники напряжения и на нижнем входном проводнике, и на нижнем выходном проводнике равны нулю (относительно общего провода). Входная и выходная цепи при этом все равно остаются независимыми, каждая из них работает со своими напряжениями и токами, которые из одной цепи в другую попасть никак не могут. На рис. 3 показано, что токи входной и выходной цепей независимы, поэтому по участку АВ земляного проводника никакой ток не течет.

Почему я так подробно про это говорю? Потому, что собираюсь разъединить эти только что соединенные мною земли входа и выхода.

К сожалению, все так хорошо только на бумаге.

В реальности по участку АВ, связывающему входную и выходную цепи, ток может протекать:

1. В реальном усилителе нет отдельно входа и отдельно выхода. В нем много разных элементов «сопровождают» сигнал от начала и до конца. Токи этих элементов могут протекать по участку АВ, и тут ничего не поделаешь. В этом случае стараются сгруппировать токи так, чтобы те, которые больше относятся ко входной цепи протекали в точке А, а те, которые относятся к выходной цепи протекали в точке В.

2. Неудачный монтаж. Источник питания обязательно соединен с выходной (силовой) землей. И в ней всегда протекает ток нагрузки. При неудачном монтаже этот ток нагрузки может попасть во входную цепь, или повлиять на нее.

3. Ток через участок АВ может быть создан другими блоками усилителя. Об этом поговорим подробнее позже.

Что плохого в том, что через участок АВ на рис. 3 будет протекать ток?

1. Так как сопротивление участка АВ не равно нулю, то по закону Ома на нем возникает напряжение (помеха), пропорциональное протекающему току. И это напряжение помехи складывается со входным напряжением усиливаемого сигнала.

2. Ток по участку АВ может быть вызван внешними причинами, например, наличием земляной петли. Это самый неприятный случай: мало того, что земляная петля вредна и ток, текущий по ней вреден, так еще этот ток может быть никак не связан с усиливаемым сигналом, и может содержать неизвестно что. И это «неизвестно что» создает напряжение, поступающее на вход усилителя. Особенно все становится плохо, если блоки усилителя соединены между собой неправильно (вот статья про правильное соединение блоков усилителя).

Пример образования земляной петли показан на рис. 4.

В этом случае на вход усилителя мощности поступает как минимум две помехи:

1. Помеха, циркулирующая по земляной петле.

2. Помеха, вызванная током питания, протекающим из точки D1 в точку С. По идее ток источника питания в предварительный усилитель должен поступать по такому пути: D1-C1-C. Но ведь есть еще другой путь по другим проводам: D1-D-A1-B-C. Второй путь параллелен первому, сопротивление у проводов маленькое, вот ток и течет.

Как с этим бороться? Проще всего было бы вернуться к изначальной схеме, где нет провода АВ (провод А1-В на рис. 4 и 5) и вход отделен от выхода. Но нельзя – усилитель спроектирован на основе того, что у всех цепей один и тот же потенциал земли. А что если разорвать провод на участке АВ не совсем, а «частично»? В разрыв включаем резистор с маленьким сопротивлением 1…2 ома, но это сопротивление в десятки раз больше, чем сопротивление провода, который мы разорвали. Главное при этом земляной провод разорвать в таком месте, чтобы земли входных цепей остались присоединенными к входу, а земли выходных цепей – присоединенными к выходу. Т.е. чтобы включаемый в земляную цепь резистор не повлиял на работу цепей усилителя, рис. 5. Что тогда получится?

Точка включения земляного резистора выбирается так, чтобы через нее никакой специальный ток не протекал. Тогда напряжение на этом резисторе будет равно нулю, и потенциалы входной и выходной земель (левого и правого по схеме концов резистора) будут одинаковы. То есть земля как бы остается и ее сопротивление как бы остается равно нулю. То есть работа усилителя никак не нарушится. С другой стороны, сопротивление земляной петли возрастет, и ток помех по ней циркулировать не будет. Да и ток, текущий из точки D1 в точку С, пойдет по земле блока питания через точку С1, а в усилитель мощности вообще не потечет. Кроме того (это тоже важный момент), земляной резистор – это преграда для смешивания между собой входных и выходных токов: он мешает этим токам затекать в чужую цепь.

Это мое описание работы земляного резистора весьма упрощенное. На самом деле все сложнее, и не так замечательно, как выглядит на первый взгляд. Одна из самых больших проблем – выбрать точку в которой можно безболезненно разорвать землю усилителя. Другая проблема – если вдруг через этот резистор станет протекать какой-то посторонний ток (например, вызванный неудачным монтажом, неудачным соединением блоков усилителя между собой или какими-то другими причинами), то падение напряжения на земляном резисторе будет (относительно) очень большое – гораздо больше, чем было бы без него. И все проблемы с попаданием помех во входную цепь вырастут многократно. Вот почему земляной резистор используется нечасто. И не всегда его наличие приносит пользу. В моем усилителе на микросхеме TDA7294 такой резистор есть. В этой схеме удалось удачно разделить входную и выходную земли. И почти всегда, земляной резистор приносит пользу. Но иногда люди, собравшие этот мой усилитель, пишут, что исключение земляного резистора улучшило работу усилителя (просто удалить из схемы его нельзя – нарушится электрическое соединение! если надо исключить резистор, то его заменяют перемычкой!).

Поэтому если в той схеме усилителя, которую вы собираете, присутствует земляной резистор, то используйте его. Но позаботьтесь о правильном соединении всех блоков усилителя между собой, иначе этот резистор может принести не пользу, а вред. Если в вашей схеме такой резистор отсутствует – ни в коем случае не пытайтесь его ввести самостоятельно! Если этого не смог (или по каким-то причинам не захотел) автор схемы, то у вас это наверняка не получится. Самостоятельным введением земляного резистора можно вообще испортить усилитель.

Закончить все же хочется на положительной ноте: при правильном использовании, земляной резистор очень помогает получить от усилителя в целом максимум того качества звучания, которое этот усилитель может обеспечить.

PS.

Через несколько дней после опубликования этой статьи, я использовал свой усилитель на микросхеме TDA7293 с Т-образной ООС для измерений. В нем как раз входная земля отделена от силовой резистором порядка 1,5 Ом. И так неудачно случилось, что в кабеле питания пропал контакт в земляном проводе. В результате резистор, разделяющий земли, сгорел (ток нагрузки пошел через него в землю источника питания — на рис. 5 этот путь такой: B1-D-A1-B-C-C1-D1). На тот момент у меня не оказалось низкоомных резисторов, и я заменил резистор, разделяющий земли, перемычкой. Но продолжать измерения я не смог — увеличились помехи. Пришлось ехать покупать низкоомный резистор для разделения земли и впаивать его в плату. Вот как выглядел сигнал на выходе усилителя без разделения земли (рис. 6) и когда я снова разделил входную и силовую земли, рис. 7. Обратите внимание на количество и уровень помех с частотой сети 50 Гц и ее гармоник.

23.07.2017

Total Page Visits: 8086 — Today Page Visits: 1

Lexus, здравствуйте! Не судите строго, я хочу усвоить, понять.

Вот читаю ваш пост #3 и не понимаю, а хочу разобраться. Как можно рисовать пустые прямоугольники (без их внутреннего устройства) и на их основе проводить какие-либо рассуждения. Дьявол в мелочах, в частности, как соединены внутри прямоугольника выводы GND.

Первое, что хочу для себя прояснить — речь идет о разных блоках (платах) внутри одного корпуса или же это разные корпуса, разнесенные несколькими метрами?

Обратимся ко второму рисунку. «Здесь сигнальный возвратный путь тока (показан красными стрелочками) от УМ к ПУ проходит длинный путь через общую точку.» Да, так и есть. А вот дальше «Но по этому же пути проходят и возвратные пути источников питания. В случае с ПУ, для которого выполнено дублирующее соединение GND, существуют два возвратных пути (показаны золотистыми стрелочками).» А с чего это вдруг?

Вот путь прохождения возвратного тока источника питания ПУ:

Никакого пути по указанным Вами проводам я не вижу, кроме как через дублирующее соединение GND.

Далее «Самое страшное в этом примере — смешивание пути возвратного тока от УМ к ПУ с путем возвратного тока от УМ к источнику питания (показан коричневыми стрелочками), поскольку возвратный путь тока УМ — сильноточный.» Где этот сильноточный путь? Я его не вижу. Сильноточный путь должен идти через нагрузку, а она не показана. Или сильный ток идёт через Rin?

Затем, сигнал предусилителя, вообще говоря, это не что иное, как ток источника питания промодулированный входным сигналом. Тогда путь сигнального тока вообще третий:

А по третьему рисунку вообще куча вопросов. Как соединены в устройстве защиты АС GND и выводы АС?

И как вообще соединены GND всех блоков? А они должны быть соединены, ведь если это в одном устройстве, то GND это эквипотенциальная линия. А иначе получается, что у каждого блока своя GND со своим потенциалом. Какое соединение правильное?, такое:

или такое:

И чем плохо вот такое решение, предложенное форумчанином:

Поясните, где и что я не так мыслю? Уже совсем запутался.

Просто в моём усилке есть фон, а правильной стратегии борьбы пока не могу понять.

И еще момент хочу прояснить для себя. Третий рисунок, у каждого блока свой источник питания. Тогда получается, что у каждого из них своё понятие о «земле», у каждого свой потенциал GND. И при соединении всех блоков между собой по проводу, соединяющем блоки между собой, потечет ток, уравнивающий потенциалы. Или я заблуждаюсь?

Поддерживаю, у меня точно такие же вопросы?

( 1 оценка, среднее 5 из 5 )

Избавляемся от посторонних шумов в аудиотракте

Всем привет!
Ребята, это мой первый пост, и хочу посвятить его проблеме возникающих шумов в аудиотракте.

В схеме соединения аудиоаппаратуры, когда любая звуковоспроизводящая аппаратура и активная акустическая система подключаются в две разные розетки с заземлением, появляется «паразитный земляной контур» в цепи питания аппаратуры.

Немного Физики

Заземление / зануление в зданиях выполняется обычно в одном месте, на цокольном этаже или в подвале. Защитные контакты всех сетевых розеток, установленных в здании, должны быть присоединены к этому заземлению. Если все оборудование подключено к сети питания через одну розетку, то проблемы не возникает. Она возникает в том случае, когда электрически связанные друг с другом устройства (например, компьютер и активная акустическая система) подключены к сети питания через разные розетки. Вследствие неравенства сопротивлений соединений на землю в контуре заземления, образованном соединенными между собой устройствами, протекает ток, который создает фон, накладывающийся на полезный сигнал.

Шумы и Фон переменного тока

Любому, кто имеет опыт работы с аудиоаппаратурой, знаком громкий фон, возникающий в громкоговорителях при подключении аппаратуры и включении ее в рабочий режим. Компьютерное оборудование не является исключением, поскольку и оно питается от сети переменного тока. При неправильном заземлении, т.е. при нарушении надлежащей развязки сигнальных цепей от цепей питания, на полезный сигнал накладываются помехи в виде шумов и фона переменного тока.

В схеме любого радиоэлектронного устройства, в том числе аудиоаппаратуры, все напряжения “привязаны” к внутренней земле схемы, потенциал которой принимается равным нулю, и все напряжения измеряются относительно внутренней земли схемы. Благодаря этому обеспечивается возможность выделения полезного сигнала на фоне помех.
При соединении радиоэлектронных устройств сигнальным кабелем земляной проводник кабеля соединяет их внутренние земли, уравнивая их потенциал. Эта так называемая сигнальная земля может быть и не привязана к потенциалу земли, как это имеет место в цепи заземления аппаратуры, но сигнальные цепи всех радиоэлектронных устройств, соединенных между собой, оказываются привязанными к одному общему опорному потенциалу.

К сожалению, соединение радиоэлектронных устройств между собой таит в себе опасность возникновения паразитного контура заземления. Если в схеме соединенных между собой радиоэлектронных устройств существует несколько соединений с точкой заземления по сети питания, вследствие неодинаковости их сопротивлений по паразитному контуру заземления протекает ток, который создает наводку (фон) частотой 50 Гц в сигнальных кабелях, соединяющих аудиоаппаратуру, которые действуют, как радиоантенны.

Самой распространенной причиной фона сети питания являются паразитные петли заземления аппаратуры. В сетевом кабеле питания любого радиоэлектронного устройства предусмотрен третий, заземляющий, провод, которым устройство через сетевую вилку и розетку соединяется с общей точкой заземления электрооборудования в здании. Подключение всех устройств, которые соединены между собой сигнальными кабелями, к сети питания через одну сетевую розетку уменьшает вероятность возникновения паразитных контуров заземления, хотя не устраняет ее полностью.

Как это лечится?

Самый простой и надежный способ избавиться от сетевых наводок — подключить все оборудование к сети через одну общую сетевую розетку. Если полностью устранить фон сети таким способом не удается, то используются следующие два способа борьбы с сетевым фоном. Если вы умеете пользоваться паяльником, отпаяйте земляной провод (экран) на одном конце сигнального кабеля от разъема (на одном, а не на обоих концах, так как экран обеспечивает защиту от радиопомех!).

Самый действенный способ — отсоединить с помощью переходника, одно из устройств (например ноутбук) от общей цепи заземления по сети питания (с помощью переходника с трехконтактной вилки на двухконтактную, либо использовать удлинитель без заземления). Но не следует делать это для всех устройств одновременно, так как в этом случае на корпусе аппаратуры может появиться “плавающий потенциал земли”, опасный для жизни.