В электрической системе контур заземления или контур заземления возникает, когда две точки цепи должны иметь одинаковый опорный потенциал заземления , но вместо этого имеют разный потенциал между собой. [1] Обычно это происходит, когда в соединении между двумя точками заземления протекает достаточно тока, чтобы вызвать падение напряжения и привести к тому, что две точки будут иметь разные потенциалы. Ток может возникать в контуре заземления посредством электромагнитной индукции .
Контуры заземления являются основной причиной шума , гула и помех в аудио-, видео- и компьютерных системах. Методы электропроводки, защищающие от контуров заземления, включают обеспечение того, чтобы все уязвимые сигнальные цепи были привязаны к одной точке как к земле. Использование дифференциальной сигнализации может обеспечить отклонение помех, вызванных землей. Удаление заземления оборудования в попытке устранить контуры заземления также устранит защиту, которую должно обеспечивать защитное заземление.
Контур заземления возникает из-за взаимосвязи электрических устройств, что приводит к появлению нескольких путей к земле, тем самым образуя замкнутые токопроводящие контуры через заземляющие соединения. Типичным примером являются два электрических устройства, каждое из которых подключено к розетке электросети с помощью трехжильного кабеля и вилки, содержащей защитный заземляющий проводник для безопасности . Когда сигнальные кабели подключены между обоими устройствами, экран сигнального кабеля обычно подключается к заземленному шасси обоих устройств. Это образует замкнутый контур через заземляющие проводники шнуров питания, которые подключены через проводку здания.
Вблизи электропроводки всегда будут присутствовать блуждающие магнитные поля , особенно от линий электропередач, колеблющихся с частотой 50 или 60 Гц . Эти окружающие магнитные поля, проходящие через контур заземления, будут индуцировать ток в контуре посредством электромагнитной индукции . Контур заземления действует как одновитковая вторичная обмотка трансформатора , первичная обмотка которой представляет собой сумму всех токопроводящих проводников поблизости. Величина индуцированного тока будет зависеть от величины и близости близлежащих токов. Наличие мощного оборудования, такого как промышленные двигатели или трансформаторы, может усилить 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 по кабелю, может вносить электрические помехи в сигнал. Индуцированный переменный ток, протекающий через сопротивление заземляющего проводника кабеля, вызовет небольшое падение напряжения переменного тока на заземлении кабеля. Это добавляется к сигналу, подаваемому на вход следующего каскада. В аудиооборудовании помехи частотой 50 или 60 Гц могут быть слышны как гул в динамиках. В видеосистеме они могут вызывать искажения или проблемы с синхронизацией. В компьютерных кабелях они могут вызывать замедление или сбои в передаче данных.
Контуры заземления также могут существовать во внутренних цепях электронного оборудования как конструктивные недостатки.
Добавление сигнальных соединительных кабелей к системе, где корпуса оборудования уже должны быть связаны с землей, может создать контуры заземления. Правильная конструкция такой системы будет удовлетворять как требованиям к заземлению безопасности, так и целостности сигнала. По этой причине в некоторых крупных профессиональных установках, таких как студии звукозаписи, иногда практикуется обеспечение двух полностью отдельных заземлений для отсеков оборудования. Одно из них — это обычное защитное заземление, которое подключается к открытой металлоконструкции, другое — техническое заземление для экранов кабелей и т. п. [2]
Схема цепи иллюстрирует простой контур заземления. Цепь 1 (слева) и цепь 2 (справа) имеют общий путь к земле с сопротивлением . В идеале этот заземляющий проводник не имел бы сопротивления ( ), не создавая на нем падения напряжения ( ), сохраняя точку соединения между цепями при постоянном потенциале земли. В этом случае выход цепи 2 просто .
Однако, если этот заземляющий проводник имеет некоторое сопротивление ( ), то он образует делитель напряжения с . В результате, если ток ( ) протекает через цепь 1, то происходит падение напряжения на , в результате чего общее заземляющее соединение больше не находится на фактическом потенциале земли. Это напряжение через заземляющий проводник подается на цепь 2 и добавляется к ее выходу:
Таким образом, две цепи больше не изолированы друг от друга, и цепь 1 может вносить помехи в выход цепи 2. Если цепь 2 представляет собой аудиосистему , а в цепи 1 протекают большие переменные токи, помехи могут быть слышны как гул частотой 50 или 60 Гц в динамиках. Кроме того, обе цепи имеют напряжение на своих заземленных частях, которые могут подвергаться контакту, что может представлять опасность поражения электрическим током . Это верно даже если цепь 2 выключена.
Хотя контуры заземления чаще всего возникают в заземляющих проводниках электрооборудования, аналогичные контуры 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 взаимосвязей между электронными компонентами, такими как лабораторное или студийное оборудование звукозаписи или домашние аудио-, видео- и компьютерные системы. Это создает непреднамеренные замкнутые контуры в цепи заземления, которые могут допустить возникновение паразитного переменного тока частотой 50/60 Гц и его протекание через заземляющие проводники сигнальных кабелей. [3] [4] [5] [6] Падения напряжения в системе заземления, вызванные этими токами, добавляются к сигнальному пути, внося шум и гул на выход. Контуры могут включать в себя систему заземления электропроводки здания, когда более одного компонента заземлены через защитное заземление (третий провод) в их шнурах питания.
Симптомы контура заземления, шума заземления и гула в электрооборудовании вызваны током, протекающим в заземленном 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 конце назначения (справа) сигнальный и заземляющий проводники подключены к дифференциальному усилителю . Это создает входной сигнал для компонента 2 путем вычитания напряжения экрана из напряжения сигнала для устранения синфазного шума, улавливаемого кабелем.
Если ток I от отдельного источника протекает через заземляющий проводник, сопротивление проводника R создаст падение напряжения вдоль заземления кабеля IR , поэтому конечный конец заземляющего проводника будет иметь другой потенциал, чем исходный конец. Поскольку дифференциальный усилитель имеет высокое сопротивление, в сигнальном проводе протекает небольшой ток, поэтому на нем нет падения напряжения: Напряжение заземления, по-видимому, последовательно с напряжением сигнала V 1 и добавляется к нему.
Если I — переменный ток, это может привести к появлению шума на пути сигнала в компоненте 2.
Схемы в этом разделе показывают типичный контур заземления, вызванный сигнальным кабелем S, соединяющим два заземленных электронных компонента C1 и C2 . Контур состоит из заземляющего проводника сигнального кабеля, который подключен через металлическое шасси компонентов к заземляющим проводам P в их шнурах питания, которые подключены к заземлениям розеток, которые подключены через систему заземления здания G.
Такие петли в заземляющем контуре могут вызывать токи в заземлениях сигнальных кабелей двумя основными механизмами:
Решение проблемы шума контура заземления — разорвать контур заземления или иным образом предотвратить протекание тока. Доступно несколько подходов.
Опасный прием, иногда используемый любителями, заключается в разрыве третьего провода заземления P в одном из шнуров питания компонента, путем удаления заземляющего штыря на вилке или использования обманной вилки . Это создает опасность поражения электрическим током, оставляя один из компонентов незаземленным. [4] [5]
Более комплексное решение — использовать оборудование, использующее дифференциальную сигнализацию . Шум заземления может попасть в сигнальный путь только в односторонней сигнализации , в которой заземляющий или экранирующий проводник служит одной стороной сигнального пути. Когда сигнал отправляется как дифференциальный сигнал по паре проводов, ни один из которых не подключен к земле, любой шум от системы заземления, наведенный в сигнальных линиях, является синфазным сигналом , идентичным в обоих проводах. Поскольку линейный приемник на конце назначения реагирует только на дифференциальные сигналы, разницу в напряжении между двумя линиями, синфазный шум отменяется. Таким образом, эти системы очень невосприимчивы к электрическим шумам, включая шум заземления. Профессиональное и научное оборудование часто использует дифференциальную сигнализацию с симметричными линиями .
Если, например, домашняя HiFi- система имеет заземленный проигрыватель и заземленный предусилитель, соединенные тонким экранированным кабелем (или кабелями в стереосистеме) с использованием фоноразъемов, поперечное сечение меди в экране(ах) кабеля, вероятно, будет меньше, чем у защитных заземляющих проводников для проигрывателя и предусилителя. Таким образом, когда ток индуцируется в контуре, будет падение напряжения вдоль возврата сигнала по земле. Это напрямую добавляется к нужному сигналу и приведет к нежелательному гулу. Например, если ток 1 мА на местной частоте сети индуцируется в контуре заземления, а сопротивление экрана сигнального кабеля составляет 100 мОм, падение напряжения будет = 100 мкВ. Это значительная часть выходного напряжения звукоснимателя с подвижной катушкой и накладывает нежелательный гул на выходной сигнал картриджа. [a]
В более сложных ситуациях, таких как системы звукоусиления , системы оповещения , усилители музыкальных инструментов , оборудование студий звукозаписи и вещания , в питаемом от сети оборудовании имеется множество источников сигнала, которые питают множество входов на другом оборудовании, и их взаимосвязь может привести к проблемам с гулом. Попытка решить эти проблемы путем удаления защитного заземляющего провода создает опасность поражения электрическим током . Решение проблем с гулом должно осуществляться в сигнальных взаимосвязях, и это делается двумя основными способами, которые могут быть объединены.
Изоляция — самый быстрый, тихий и надежный метод решения проблем с гулом. Сигнал изолируется небольшим трансформатором, так что исходное и целевое оборудование сохраняют свои собственные защитные заземляющие соединения, но нет сквозного соединения между ними на пути сигнала. Благодаря трансформаторной изоляции всех несимметричных соединений несимметричные соединения преобразуются в симметричные. В аналоговых приложениях, таких как аудио, физические ограничения трансформаторов вызывают некоторую деградацию сигнала, ограничивая полосу пропускания и добавляя некоторые искажения.
Сбалансированные соединения воспринимают паразитный шум из-за тока контура заземления как синфазную помеху, в то время как сигнал является дифференциальным , что позволяет разделить их в месте назначения с помощью цепей с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала . Такое подавление может быть достигнуто с помощью трансформаторов или полупроводниковых выходных драйверов и линейных приемников.
С ростом тенденции к цифровой обработке и передаче аудиосигналов все более полезным становится полный спектр изоляции с помощью небольших импульсных трансформаторов, оптопар или волоконной оптики. Стандартные протоколы, такие как S/PDIF , AES3 или TOSLINK, доступны в относительно недорогом оборудовании и обеспечивают полную изоляцию, поэтому контуры заземления не должны возникать, особенно при подключении аудиосистем к компьютерам.
В измерительных системах широко распространено использование дифференциальных входов с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала для минимизации влияния индуцированных сигналов переменного тока на измеряемый параметр. Также возможно введение узкополосных режекторных фильтров на частоте сети и ее низших гармониках ; однако, это невозможно сделать в аудиосистемах из-за нежелательных слышимых эффектов на полезном сигнале.
В аналоговом видео сетевой гул можно увидеть как полосы гула (полосы немного разной яркости), прокручивающиеся вертикально вверх по экрану. Они часто встречаются в видеопроекторах , где корпус устройства отображения заземлен через трехконтактный штекер, а другие компоненты имеют плавающее заземление, подключенное к коаксиальному кабелю CATV . В этой ситуации видеокабель заземлен на конце проектора к домашней электросистеме, а на другом конце к заземлению кабельного телевидения, что наводит ток через кабель, который искажает изображение. Проблему лучше всего решить с помощью изолирующего трансформатора в радиочастотном фидере CATV, функция, включенная в некоторые конструкции коробок CATV.
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 и той же розетке и, таким образом, все имеют одно и то же заземление, коаксиальный кабель, входящий в телевизор, может быть заземлен кабельной компанией в другой точке, нежели заземление дома, что создает контур заземления и вызывает нежелательный сетевой гул 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 больше, чем индуцированный переменный ток промышленной частоты на экранах соединительного кабеля. Из перечисленных протоколов только RS-232 является несимметричным с возвратом через землю, но это большой сигнал, обычно + и - 12 В, все остальные являются дифференциальными.
Дифференциальная передача сигналов должна использовать сбалансированную линию, чтобы гарантировать, что сигнал не излучается и что наведенный шум от контура заземления является синфазным сигналом и может быть удален на дифференциальном приемнике.
Многие системы передачи данных, такие как Ethernet 10BASE-T , 100BASE-TX и 1000BASE-T , используют кодирование с балансировкой постоянного тока , например, манчестерский код . Контуры заземления, которые могут возникнуть в большинстве установок, избегаются с помощью трансформаторов, изолирующих сигналы.
Другие системы разрывают контур заземления на частотах передачи данных, устанавливая небольшие ферритовые сердечники вокруг соединительных кабелей около каждого конца или прямо внутри границы оборудования. Они образуют синфазный дроссель , который подавляет неуравновешенный ток, не влияя на дифференциальный сигнал.
Коаксиальные кабели, используемые на радиочастотах, могут быть намотаны несколько раз через ферритовый сердечник , чтобы добавить полезное количество синфазной индуктивности. Это ограничивает поток нежелательного высокочастотного синфазного тока вдоль экрана кабеля.
Там, где не нужно 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 часто и для безопасной изоляции и могут помочь предотвратить распространение неисправности.
Как правило, аналоговая и цифровая части схемы находятся в отдельных областях печатной платы, с их собственными заземляющими плоскостями для получения необходимого заземления с низкой индуктивностью и предотвращения скачков заземления . Они связаны вместе в тщательно выбранной точке звезды. При использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП) точка звезды может быть на клеммах заземления АЦП или очень близко к ним. Схемы фазовой автоподстройки частоты особенно уязвимы, поскольку схема фильтра контура VCO работает с субмикровольтными сигналами, когда контур заблокирован, и любое нарушение приведет к дрожанию частоты и возможной потере блокировки.
Заземление и потенциал для контуров заземления также являются важными факторами при проектировании схемы. Во многих схемах большие токи могут проходить через плоскость заземления, что приводит к разнице напряжений опорного заземления в разных частях схемы, что может привести к гулу и другим проблемам. Существуют методы, позволяющие избежать контуров заземления и, в противном случае, гарантировать хорошее заземление:
В этой статье использованы материалы из Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22.
