Контуры заземления с симметричными соединениями?

Существует несколько способов передачи сигнала из одного места в другое по проводам. Не существует одного лучшего метода для всех случаев. Все является компромиссом.

Напряжения внутри цепи всегда относительные, поэтому для отправки любого сигнала по проводам по своей сути требуется [как минимум] два провода. Часто мы говорим об «однопроводном» сигнале или «несимметричном» сигнале, поскольку подразумевается, что второй провод заземлен .

Когда и передающая, и принимающая цепи имеют одинаковую землю, простейшая схема — использовать один провод для сигнала. Иногда «наличие одинаковой земли» требует использования дополнительных проводов в кабеле для явной «отправки» этой земли. В других случаях, когда уже имеется хорошее заземление, один проводник может выполнять всю работу. Это, пожалуй, самый распространенный случай. Для большинства сигналов на печатной плате не требуются отдельные заземляющие соединения. Все компоненты на печатной плате подключены к одной и той же общей земле, часто к целой медной пластине. Когда заземление между передающей и приемной цепями хорошее, как в случае, когда обе они подключены к общей заземляющей пластине на одной и той же печатной плате, обычно ничего больше делать не нужно.

Когда отправитель и получатель находятся дальше друг от друга, но все еще подключены к одной и той же земле, разница в потенциале земли между ними может быть значительной. Например, два устройства, подключенные к розеткам на противоположных сторонах дома, могут легко иметь смещение заземления в несколько сотен мВ между ними. Все, что требуется, например, — это 200 мА, протекающих через заземляющий провод сопротивлением 1/2 Ом, чтобы создать смещение заземления на 100 мВ от одного конца к другому.

Гораздо меньшее смещение земли может вызвать проблемы, в зависимости от уровня шума сигнала. Если, например, сигнал представляет собой звук 1 В с отношением сигнал/шум 90 дБ, то минимальный уровень шума составляет всего около 30 мкВ. Такой уровень смещения земли может произойти очень легко. Например, требуется всего 30 мкА тока через заземление 1 Ом, чтобы вызвать такое большое смещение, смешивая раздражающий гул или жужжание с аудиосигналом.

Там, где очень маленькое смещение земли может вызвать проблемы (как в приведенном выше примере), сигналы часто передаются по-разному . Это означает, что сигнал «закодирован» как разность потенциалов между двумя ведомыми проводами. Чтобы «декодировать» сигнал, приемник вычитает два напряжения. Преимущество этого в том, что шум на земле выглядит одинаково для каждого сигнала, поэтому он обнуляется вычитанием. Иными словами, смещение земли и любой шум, улавливаемый одинаково обоими проводами по пути, становится синфазным сигналом , который отбрасывается при вычитании .

В этом случае наличие заземления снижает нагрузку на цепь вычитания. Активная схема вычитания работает только в том случае, если сигналы находятся в пределах определенного диапазона, называемого синфазным диапазоном . Кроме того, любая активная разностная схема не будет идеальной. Некоторое количество синфазного шума превратится в конечный несимметричный сигнал, выходящий из дифференциального усилителя. Мы не можем просто бросить на него любое произвольное синфазное напряжение, так как оно не будет работать, и часть шума все равно пройдет.

Во многих случаях оба конца имеют потенциалы земли, которые в идеале «одинаковы», за исключением того, что небольшая разница неизбежна. В этом случае также имеет смысл подключить заземление, т. е. трехпроводное соединение. «Дополнительный» заземляющий проводник может быть экраном, окружающим другие проводники в кабеле, который блокирует электрические поля в окружающей среде от емкостной связи с сигнальными проводами внутри.

Существует также проблема контура заземления . Контур заземления - это когда существует более одного пути для протекания токов заземления. Причина, по которой это может быть плохо, заключается в том, что теперь невозможно предсказать, где протекают токи заземления и, следовательно, где они вызывают смещение заземления. Токи утечки мощности могут протекать, например, через ваше оборудование другого несвязанного оборудования, подключенного к той же наземной сети.

В случае двух "коробочек" пропускающих между собой звуковой сигнал напряжением 1 В это иногда решается слабым соединением одной или обеих коробокк своей местной земле, при этом оба надежно соединяются с землей в кабеле между ними. Например, у каждого может быть резистор 1 кОм от его заземляющей сети до заземляющего соединения в розетке переменного тока. Аудиоустройства построены с изолированными источниками питания, поэтому они прекрасно работают, даже если их корпусу разрешено произвольно «плавать» в сотнях вольт относительно земли. Тем не менее, это не хорошо для всего остального вокруг. Вы не хотите, чтобы ваш усилитель собирал случайные статические заряды и находился под напряжением 2000 В от земли. Резистор 1 кОм для заземления снимает любые статические заряды, а заземление устройства будет в пределах одного или двух вольт максимум от заземления настенной розетки. Когда он подключен к другому устройству с аналогичным заземлением, никакого существенного контура заземления не образуется, потому что через резисторы 1 кОм в каждом устройстве будет протекать очень небольшой ток. Оба будут прочно связаны друг с другом через заземляющий провод в аудиокабеле, и это напряжение не будет далеко от заземления настенной розетки из-за двух резисторов «прокачки» на землю.

В некоторых случаях, когда можно очень мало предположить о напряжениях заземления на обоих концах (например, их нельзя соединить вместе), гальваническая развязкатребуется. Обычные способы отправки сигнала с гальванической развязкой используют только два провода с добавлением оптопары или сигнальных трансформаторов. Имеющиеся оптопары и сигнальные трансформаторы легко выдерживают синфазное смещение в сотни и тысячи вольт, в зависимости от свойств их изоляционного материала. Обычный Ethernet 10 и 100 Мбит/с с разъемами RJ-45 — отличный пример трансформаторной связи. Сигнал представляет собой дифференциальный ток в витой паре проводов. Каждый конец изолирован трансформатором, и на другом конце может быть что-то около 1000 вольт (я не помню точную спецификацию). Одним из недостатков трансформаторной связи является потеря постоянного тока. В случае цифровой сигнализации, такой как Ethernet, биты кодируются определенным образом, чтобы всегда содержать минимальную частоту.

Проблема с отправкой заземления вместе со сбалансированной парой сигналов заключается в том, что это может привести к возникновению контура заземления. Это схема, в которой одна конкретная часть оборудования или одна цепь имеют два или более пути к земле. Когда эти пути значительно различаются, создается петля, и эта петля, по сути, представляет собой одновитковый трансформатор, который довольно хорошо улавливает блуждающие магнитные поля (например, от сетевой проводки) и превращает их в шумовые токи.

Вот пример:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Любой магнитный поток через петлю вызывает ток в этой петле за счет электромагнитной индукции , и, поскольку заземление между оборудованием имеет некоторое сопротивление, эти индуцированные токи приводят к некоторой разнице напряжений между заземлениями. Если земля является эталоном для сигнала, то эти различия потенциалов земли неотличимы от сигнала, и результатом является шум.

Сбалансированная сигнализация, реализованная идеально, устраняет эту проблему. Причина в том, что при симметричном соединении сигнал не привязан к земле, а представляет собой разницу между двумя половинами симметричного соединения. У вас все еще есть контур заземления и связанные с ним шумовые токи и напряжения, но они не имеют отношения к сигналу.

Сохранение заземления позволяет полностью закрыть всю систему щитом. Под всей системой я подразумеваю корпуса обоих устройств, а также кабели между ними. Это улучшает радиочастотное экранирование, действуя как клетка Фарадея . Без экрана вокруг кабеля радиочастотный шум может улавливаться или излучаться кабелем.

Сохранение заземления также гарантирует, что сигнал находится в пределах синфазных характеристик приемника. Эту проблему можно решить с помощью трансформаторной связи, которая имеет очень большой входной синфазный диапазон, но, поскольку трансформаторы относительно дороги, это не всегда возможно.

Проблема в том, что много оборудования отстой. Особенно, когда мы говорим о сбалансированном звуке, ошибиться кажется нормой. Хотя, безусловно, можно отделить токи заземления от сигнала, тем самым оставив их несущественными, как они должны быть в симметричной сигнализации, это требует тщательного внимания к компоновке схемы. Также важно поддерживать равные импедансы на сбалансированной паре. Удивительное количество якобы «профессионального» аудиооборудования выходит из строя по одному или обоим этим пунктам.

Достаточно одного неисправного устройства в цепочке, чтобы добавить неприемлемый гул в звук. Поскольку оборвать заземление на сигнальном кабеле или отрезать заземляющий штырь от сетевого шнура проще, чем перепроектировать аудиооборудование, разрыв контуров заземления с помощью различных устройств заземления является обычной практикой.