В электрической системе контур заземления или контур заземления возникает, когда две точки цепи должны иметь одинаковый опорный потенциал земли , но вместо этого имеют разные потенциалы между ними. [1] Обычно это происходит, когда в соединении между двумя точками заземления протекает достаточный ток, чтобы вызвать падение напряжения и привести к тому, что две точки будут иметь разные потенциалы. Ток может создаваться в круглом заземляющем соединении (заземляющем контуре) за счет электромагнитной индукции .
Контуры заземления являются основной причиной шума , гудения и помех в аудио-, видео- и компьютерных системах. Практика проводки, обеспечивающая защиту от контуров заземления, включает в себя обеспечение того, чтобы все уязвимые сигнальные цепи были привязаны к одной точке как к земле. Использование дифференциальной сигнализации может обеспечить подавление помех, вызванных землей. Удаление соединений защитного заземления с оборудования с целью устранения контуров заземления также устраняет защиту, которую призвано обеспечить соединение защитного заземления.
Заземляющий контур возникает в результате соединения электрических устройств, что приводит к образованию нескольких путей к земле, тем самым образуя замкнутые проводящие петли через заземляющие соединения. Типичным примером являются два электрических устройства, каждое из которых подключается к сетевой розетке с помощью трехжильного кабеля и вилки, содержащей провод защитного заземления для обеспечения безопасности . Когда сигнальные кабели подключены между обоими устройствами, экран сигнального кабеля обычно подключается к заземленному шасси обоих устройств. При этом образуется замкнутый контур через заземляющие проводники шнуров питания, которые подключаются через проводку здания.
Вблизи электропроводки всегда будут присутствовать рассеянные магнитные поля , особенно от линий электропередач , колеблющихся с частотой 50 или 60 герц . Эти окружающие магнитные поля , проходящие через контур заземления, индуцируют ток в контуре за счет электромагнитной индукции . Контур заземления действует как одновитковая вторичная обмотка трансформатора , первичная представляет собой сумму всех находящихся рядом токоведущих проводников. Величина индуцируемого тока будет зависеть от величины и близости близлежащих токов. Наличие мощного оборудования, такого как промышленные двигатели или трансформаторы, может увеличить помехи. Поскольку проводники, составляющие контур заземления, обычно имеют очень низкое сопротивление, часто ниже одного Ома , даже слабые магнитные поля могут индуцировать значительные токи.
Поскольку заземляющий проводник сигнального кабеля, соединяющего два устройства, является частью сигнального пути кабеля, переменный ток заземления, протекающий через кабель, может создавать электрические помехи в сигнале. Наведенный переменный ток, протекающий через сопротивление заземляющего проводника кабеля, вызовет небольшое падение переменного напряжения на земле кабеля. Он добавляется к сигналу, подаваемому на вход следующего каскада. В аудиооборудовании помехи частотой 50 или 60 Гц могут восприниматься как гул в динамиках. В видеосистеме это может вызвать искажения или проблемы с синхронизацией. В компьютерных кабелях это может привести к замедлению или сбоям передачи данных.
Контуры заземления также могут существовать во внутренних цепях электронного оборудования из-за конструктивных недостатков.
Добавление сигнальных соединительных кабелей в систему, где корпуса оборудования уже должны быть заземлены, может привести к образованию контуров заземления. Правильная конструкция такой системы удовлетворит как требования к безопасному заземлению, так и целостность сигнала. По этой причине в некоторых крупных профессиональных установках, таких как студии звукозаписи, иногда практикуется предоставление двух совершенно отдельных заземляющих подключений к отсекам оборудования. Одно из них — это обычное защитное заземление, которое соединяется с открытыми металлическими конструкциями, другое — техническое заземление для экранов кабелей и т.п. [2]
Принципиальная схема иллюстрирует простой контур заземления. Цепь 1 (слева) и цепь 2 (справа) имеют общий путь к заземлению сопротивления . В идеале этот заземляющий проводник не должен иметь сопротивления ( ), что не приведет к падению напряжения на нем ( ), сохраняя точку соединения между цепями при постоянном потенциале земли. В этом случае выход схемы 2 будет просто .
Однако если этот заземляющий проводник имеет некоторое сопротивление ( ), то он образует делитель напряжения с . В результате, если ток ( ) протекает из цепи 1, происходит падение напряжения на цепи , в результате чего общее заземляющее соединение больше не имеет фактического потенциала земли. Это напряжение на заземляющем проводнике подается на схему 2 и добавляется к ее выходу:
Таким образом, две цепи больше не изолированы друг от друга, и цепь 1 может создавать помехи на выходе цепи 2. Если схема 2 представляет собой аудиосистему и в цепи 1 протекают большие переменные токи, помехи можно услышать как 50 или гул 60 Гц в динамиках. Кроме того, обе цепи имеют напряжение на заземленных частях, которые могут подвергаться контакту, что может представлять опасность поражения электрическим током . Это верно, даже если контур 2 отключен.
Хотя петли заземления чаще всего возникают в заземляющих проводниках электрооборудования, аналогичные петли могут возникать везде, где две или более цепей имеют общий путь тока, что может вызвать аналогичное проблемное падение напряжения вдоль проводника, если протекает достаточный ток.
Распространенный тип контура заземления возникает из-за неисправных соединений между электронными компонентами, такими как лабораторное оборудование или оборудование студии звукозаписи , а также домашние аудио-, видео- и компьютерные системы. Это создает непреднамеренные замкнутые контуры в цепи заземления, которые могут привести к индуцированию паразитного переменного тока частотой 50/60 Гц и протеканию через заземляющие проводники сигнальных кабелей. [3] [4] [5] [6] Падения напряжения в системе заземления, вызванные этими токами, добавляются к пути прохождения сигнала, внося шум и гул в выходной сигнал. Петли могут включать в себя систему заземления коммунальной проводки здания, когда более одного компонента заземлены через защитное заземление (третий провод) в своих шнурах питания.
Симптомы контура заземления, шума заземления и шума в электрооборудовании вызваны током, протекающим в заземляющем или экранированном проводнике кабеля. На рис. 1 показан сигнальный кабель S , соединяющий два электронных компонента, включая типичный линейный драйвер и усилители приемника (треугольники) . [5] Кабель имеет заземляющий или экранированный проводник, который подключен к заземлению шасси каждого компонента. Усилитель драйвера в компоненте 1 (слева) подает сигнал V 1 между сигнальным и заземляющим проводниками кабеля. На конечном конце (справа) сигнальный и заземляющий проводники подключаются к дифференциальному усилителю . Это создает входной сигнал на компонент 2 путем вычитания напряжения экрана из напряжения сигнала, чтобы устранить синфазный шум, улавливаемый кабелем.
Если ток I от отдельного источника течет через заземляющий проводник, сопротивление R проводника создаст падение напряжения вдоль заземления кабеля IR , поэтому конечный конец заземляющего проводника будет иметь другой потенциал, чем потенциал источника. конец
Если I представляет собой переменный ток, это может привести к добавлению шума в путь сигнала в компоненте 2.
На схемах в этом разделе показана типичная петля заземления, образованная сигнальным кабелем S , соединяющим два заземленных электронных компонента C1 и C2 . Петля состоит из заземляющего проводника сигнального кабеля, который соединен через металлический корпус компонентов с заземляющими проводами P в их шнурах питания, которые подключаются к заземлению розеток, которые подключены через систему проводов заземления здания G.
Такие петли на пути заземления могут вызывать токи в заземлении сигнального кабеля по двум основным причинам:
Решение проблемы шума контура заземления состоит в том, чтобы разорвать контур заземления или иным образом предотвратить протекание тока. Доступно несколько подходов.
Опасный метод, иногда используемый любителями, заключается в разрыве третьего заземляющего проводника P в одном из шнуров питания компонента путем удаления заземляющего контакта на вилке или использования обманной вилки . Это создает опасность поражения электрическим током, если оставить один из компонентов незаземленным. [4] [5]
Более комплексное решение – использовать оборудование, использующее дифференциальную сигнализацию . Шум земли может попасть в путь сигнала только при несимметричной передаче сигналов , в которой заземляющий или экранирующий проводник служит одной стороной пути сигнала. Когда сигнал передается как дифференциальный сигнал по паре проводов, ни один из которых не подключен к земле, любой шум от системы заземления, наведенный в сигнальных линиях, представляет собой синфазный сигнал , идентичный в обоих проводах. Поскольку линейный приемник на стороне назначения реагирует только на дифференциальные сигналы (разность напряжений между двумя линиями), синфазный шум подавляется. Таким образом, эти системы очень невосприимчивы к электрическим шумам, включая шум земли. Профессиональное и научное оборудование часто использует дифференциальную сигнализацию с симметричными линиями .
Если, например, домашняя система Hi-Fi имеет заземленный проигрыватель и заземленный предусилитель, соединенные тонким экранированным кабелем (или кабелями в стереосистеме) с использованием фонокорректоров, поперечное сечение меди в экране(ах) кабеля равно вероятно, будет меньше, чем у проводников защитного заземления проигрывателя и предусилителя. Таким образом, когда в контуре индуцируется ток, на обратной линии заземления сигнала происходит падение напряжения. Это непосредственно дополняет полезный сигнал и приводит к нежелательному шуму. Например, если в контуре заземления индуцируется ток силой 1 мА местной сетевой частоты, а сопротивление экрана сигнального кабеля составляет 100 мОм, падение напряжения составит = 100 мкВ. Это значительная часть выходного напряжения картриджа звукоснимателя с подвижной катушкой , и оно вызывает нежелательный шум на выходе картриджа. [а]
В более сложных ситуациях, таких как системы звукоусиления , системы громкой связи , усилители музыкальных инструментов , оборудование студий звукозаписи и студий вещания , в оборудовании с сетевым питанием имеется множество источников сигнала, подающих множество входов на другое оборудование, и соединение может привести к проблемам с шумом. . Попытка решить эти проблемы путем удаления защитного заземляющего проводника создает опасность поражения электрическим током . Решение проблем с фоном должно осуществляться в межсоединениях сигналов, и это делается двумя основными способами, которые можно комбинировать.
Изоляция — самый быстрый, тихий и надежный метод решения проблем с шумом. Сигнал изолируется небольшим трансформатором, так что оборудование источника и получателя сохраняет свои собственные соединения защитного заземления, но сквозное соединение между ними на пути сигнала отсутствует. Благодаря трансформатору, изолирующему все несимметричные соединения, мы можем соединить несимметричные соединения с симметричными и таким образом решить проблему шума. В аналоговых приложениях, таких как аудио, физические ограничения трансформаторов вызывают некоторое ухудшение сигнала, ограничивая полосу пропускания и добавляя некоторые искажения.
Сбалансированные соединения рассматривают паразитный шум, возникающий из-за тока контура заземления, как синфазные помехи, в то время как сигнал является дифференциальным , что позволяет разделить их в пункте назначения с помощью цепей, имеющих высокий коэффициент подавления синфазного сигнала . Это подавление может быть достигнуто с помощью трансформаторов или полупроводниковых выходных драйверов и линейных приемников.
С растущей тенденцией к цифровой обработке и передаче аудиосигналов все более полезным становится полный спектр изоляции с помощью небольших импульсных трансформаторов, оптопар или оптоволокна. Стандартные протоколы, такие как S/PDIF , AES3 или TOSLINK , доступны в относительно недорогом оборудовании и обеспечивают полную изоляцию, поэтому не требуется возникновения контуров заземления, особенно при соединении между аудиосистемами и компьютерами.
В контрольно-измерительных системах широко распространено использование дифференциальных входов с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала для минимизации влияния наведенных сигналов переменного тока на измеряемый параметр. Также возможно введение узкополосных режекторных фильтров на промышленной частоте и ее нижних гармониках ; однако это невозможно сделать в аудиосистемах из-за нежелательного звукового воздействия на полезный сигнал.
В аналоговом видео шум сети можно увидеть в виде полос жужжания (полос немного разной яркости), прокручивающихся вертикально вверх по экрану. Их часто можно увидеть в видеопроекторах , где корпус устройства отображения заземлен через трехконтактную вилку, а другие компоненты имеют плавающее заземление, подключенное к коаксиалу кабельного телевидения . В этой ситуации видеокабель заземляется со стороны проектора на домашнюю электрическую систему, а на другом конце — с землей кабельного телевидения, в результате чего через кабель индуцируется ток, который искажает изображение. Проблему лучше всего решить с помощью изолирующего трансформатора в радиочастотном канале кабельного телевидения, функция, включенная в некоторые конструкции коробок кабельного телевидения.
Проблемы с контуром заземления телевизионного коаксиального кабеля могут повлиять на любое подключенное аудиоустройство, например ресивер. Даже если все аудио- и видеооборудование, например, в системе домашнего кинотеатра, подключено к одной розетке и, следовательно, имеет одно и то же заземление, коаксиальный кабель, входящий в телевизор, может быть заземлен кабельной компанией на другое заземление. точка, чем у электрического заземления дома, создавая контур заземления и вызывая нежелательный шум сети в динамиках системы.
В цифровых системах, которые обычно передают данные последовательно ( RS-232 , RS-485 , USB , FireWire , DVI , HDMI и т. д.), напряжение сигнала часто намного превышает наведенную частоту переменного тока на экранах соединительных кабелей. Из перечисленных протоколов только RS-232 является несимметричным с заземлением, но это большой сигнал, обычно + и - 12 В, все остальные - дифференциальные.
Для дифференциальной сигнализации должна использоваться симметричная линия, чтобы гарантировать, что сигнал не излучается и что наведенный шум от контура заземления является синфазным сигналом и может быть удален в дифференциальном приемнике.
Многие системы передачи данных, такие как Ethernet 10BASE-T , 100BASE-TX и 1000BASE-T , используют кодирование , сбалансированное по постоянному току, такое как манчестерский код . Контур заземления, который может возникнуть в большинстве установок, можно избежать за счет использования трансформаторов, изолирующих сигнал.
Другие системы разрывают контур заземления на частотах передачи данных, устанавливая небольшие ферритовые сердечники вокруг соединительных кабелей рядом с каждым концом или внутри границ оборудования. Они образуют синфазный дроссель , который подавляет несбалансированный ток, не влияя на дифференциальный сигнал.
Коаксиальные кабели , используемые на радиочастотах, можно несколько раз намотать на ферритовый сердечник , чтобы добавить полезную величину синфазной индуктивности. Это ограничивает протекание нежелательного высокочастотного синфазного тока по экрану кабеля.
Там, где не требуется передавать электроэнергию, а только цифровые данные, использование оптоволокна может устранить многие проблемы контура заземления, а иногда и проблемы безопасности. Оптические изоляторы или оптопары часто используются для обеспечения изоляции контура заземления, а зачастую и для защитной изоляции и могут помочь предотвратить распространение неисправностей.
Как правило, аналоговая и цифровая части схемы располагаются на отдельных участках печатной платы со своими собственными плоскостями заземления , чтобы обеспечить необходимое заземление с низкой индуктивностью и избежать дребезга земли . Они связаны вместе в тщательно выбранной звездной точке. При использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП) точка звезды может располагаться на клеммах заземления АЦП или очень близко к ним. Схемы контура фазовой автоподстройки частоты особенно уязвимы, поскольку схема контурного фильтра ГУН работает с сигналами субмикровольтового уровня, когда контур заперт, и любые помехи вызывают дрожание частоты и возможную потерю синхронизации.
Заземление и возможность возникновения контуров заземления также являются важными факторами при проектировании схем. Во многих цепях через заземляющий слой могут существовать большие токи, что приводит к разнице напряжений опорного заземления в разных частях цепи, что может привести к шуму и другим проблемам. Существуют методы, позволяющие избежать контуров заземления и, в противном случае, гарантировать хорошее заземление:
Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.
