Rozprava o prepájaní zvukových systémov a problémoch s uzemnením a šumom

Rozprava o prepájaní zvukových systémov a problémoch s uzemnením a šumom
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  658 zobrazení
5
 0
Audio zapojenia

Pôvodná podoba tohto článku vznikla už v roku 1985 a jeho obsah je stále považovaný za jednu z najdôležitejších referenčných prác. Jeho obľuba pramení najmä z neustále sa opakujúcich problémov so zapájaním audiozariadení - so všetkými typmi podivných šumov, brumov, bzučania, pískania a podobne a to nehovoríme o extrémnych finančných, fyzických a psychických nákladoch. S vývojom technológií je absolútne nevyhnutné, aby neustále zdokonaľovanie prebiehalo aj v oblasti prepájania elektronických zariadení. V audiopriemysle došlo od roku 1985 k zdokonaleniu mnohých vecí, ale prepájanie k nim bohužiaľ nepatrí. Asociácia Audio Engineering Society (AES) sa pokúša o istú nápravu a pracuje na dokumente zhŕňajúcom odporúčané postupy pri prepájaní audiozariadení.

Je preto dobré riadiť sa v duchu myšlienkou, že je lepšie "radšej sa prispôsobiť ako niečo nariaďovať". Tento článok obsahuje návrhy zmien v externom prepojovaní, ktoré by mal v ideálnom prípade vykonávať iba zaškolený technický personál. Bezpečnostné predpisy vyžadujú, aby z dôvodu prevádzkovej bezpečnosti nedošlo k zásahu do originálneho uzemnenia dodávaného z výroby. Zodpovednosť za náhodné ani následné škody si preto ponesiete sami. (Inými slovami, neupravujte zapojenie káblov a neskúšajte vlastnú verziu uzemnenia, kým presne neporozumiete typom výstupu a vstupu, ktoré hodláte prepojiť).

Zemné slučky

Takmer všetky typy rušenia sú spôsobené priamo zemnými slučkami, uzemnením alebo ich nedostatkami. Pre ich efektívne odstránenie je preto dôležité, aby sme porozumeli príčinám, ktoré brum uzemnenia spôsobujú. Každý komponent zvukového systému vytvára svoju vlastnú internú zem. Túto obvykle označujeme ako zem audiosignálu. Pri prepájaní prístrojov prostredníctvom prepojovacích káblov môže dôjsť k vzájomnému spojeniu signálových zemí dvoch zariadení. Zemné slučky môžu vznikať aj pri spojení zemí dvoch prístrojov v inom mieste - v treťom vodiči linkového kábla, pri dotyku kovového šasi s upevňovacími lištami rackového stojana, a pod. V týchto prípadoch sa vytvára obvod, v ktorom môže v uzavretej slučke pretekať prúd zo zeme jedného prístroja do druhého a naspäť. Odhalenie prítomnosti tohto prúdu vytvárajúceho brum nie je ľahké pretože sa jedná o dobu, kedy prúd prechádza zemou audiosignálu brumiaceho prístroja. V skutočnosti prechádza malý rušivý prúd každým prepojovacím káblom (úplné potlačenie týchto prúdov nie je úplne možné a ani jednoduché). Pokiaľ váš systém používa správne a výhradne symetrické prepojenia, ktoré sú samy o sebe vynikajúcim prostriedkom na potlačenie zemných slučiek a ďalších rušivých prúdov, samotná prítomnosť prúdu zemnej slučky nie je dôvodom na poplach. Symetrické prepojenie bolo vyvinuté kvôli zvýšeniu odolnosti voči týmto rušivým prúdom, ktoré nemožno nikdy úplne eliminovať. Prúd zemnej slučky je nepríjemný v situácii, kedy ním bude ovplyvnený audiosignál.

Bohužiaľ, mnoho výrobcov symetrických audiozariadení navrhuje interné uzemnenie nesprávne a vyrába tak symetrické zariadenia, ktoré nie sú voči rušivým prúdom v kabeláži imúnne. Táto skutočnosť je dôvodom, prečo má symetrické pripojenie niekedy zlú povesť.

Druhou príčinou zlej povesti symetrického pripojenia sú tí používatelia, ktorí si myslia, že sa pripojením nesymetrického zariadenia k "vynikajúcemu" symetrickému zariadeniu situácia zlepší. To je omyl. Symetrické zapojenie je totižto s nesymetrickým vzájomne nekompatibilné. Rušivé prúdy zemných slučiek sú obsiahnuté aj v krátkych káblových prívodoch úplne nesymetrických systémov (domáce audio). Prúdy v nesymetrických systémoch však nikdy nedosahujú takej intenzity, aby nejako ovplyvnili zvuk do tej miery, že by išlo už o počuteľné rušenie. Kombinácia symetrického a nesymetrického zariadenia je však úplne iná káva, pretože symetrické a nesymetrické prepojenie je skutočne nekompatibilné. Záver tohto článku uvádza niekoľko praktických odporúčaní pre všetky tieto prepojovacie schémy.

Potenciál alebo napätie, ktoré je príčinou prietoku rušivých prúdov obvodom, vzniká medzi nezávislými zemami jedného alebo niekoľkých prístrojov v systéme. Impedancia tohto obvodu je nízka, a aj keď je napätie rovnako nízke, prúd je vďaka pánovi Ohmovi (bez ktorého pomoci by sme tieto problémy nemali) vysoký. Na zmeranie impedancie oceľového šasi alebo rackových líšt by bol potrebný ohmmeter s vysokou rozlišovacou schopnosťou. Máme totiž na mysli tisíciny Ohmu, takže pokus o zmeranie týchto hodnôt by nám určite nepomohol. Myslím si, že by spm vás na to mal vopred upozorniť, čo so aj teraz urobil, takže si môžte ušetriť kopu času zbytočným menraním niečoho, čo určite presne nikdy nezmeriate.

Obr. 1a: Správne zapojenie.

Obr. 1b: Doporučený postup.

Absolútne najlepší postup

Použite symetrické vedenia a tienenie kábla na oboch koncoch pripojte ku kovovej konštrukcii šasi (v mieste kde vstupuje do šasi). Symetrické vedenia vyžadujú tri samostatné vodiče, dva z nich prenášajú signál (+ a –) a jeden predstavuje tienenie (viď obr. 1a). Tienenie chráni citlivé audio linky pred rušením. Prenos bez brumu vám môže zaručiť (áno, zaručiť) iba symetrické prepojenie. Vždy použite krútený párový kábel. Kostra spojená s tienením na oboch koncoch tiež zaručuje najlepšiu možnú ochranu pred vysokofrekvenčným rušením (RFI) a ďalšími typmi rušenia [neónové lampy, stmievače, pulzné zdroje].

Na tejto téme pracuje Výbor pre normalizáciu (SC-05-05), ktorý je súčasťou asociácie AES. Výboru svojho času predsedal Neil Muncy1,(*1938 - 2012), ktorý bol elektroakustickým konzultantom a skúseným veteránom, ako aj autorom úspešných realizácií z oblasti návrhu systémov. Neúnavne cestoval po svete, prednášal na seminároch a šíril informácie o správnom prepájaní profesionálnych audiozariadení2. Objasňujoval prečo a aké je absurdné, ak  si nakúpite audiozariadenia niekoľkých rôznych výrobcov, štandardnú kabeláž, prídete domov, všetko zapojíte a očakávate, že to bude hrať bez brumu a šumu. Omyl.

Neil Muncy o "Uzemnení" (video je v anglickom jazyku 3:35)

Systém Plug and play (Zapoj a hraj)

Bohužiaľ, v tomto prípade takmer nikdy, bez ohľadu na znalosti a zásady nerušeného pripojenia zistené a zdokumentované počas šesťdesiatich rokov (podrobné informácie pozri Odporúčaná literatúra) to nikdy takto 100% befungovalo.

Tento systém sa obmedzuje na používanie symetrických vedení, výhradne a bez výnimky. Áno, za týmto účelom bol aj vyvinutý. A navyše sa predpokladá, že spojíte tienenie kábla s konštrukciou šasi, v mieste kde do neho kábel vstupuje a na oboch koncoch (podrobnosti k "obom koncom" neskôr).

Štandardné káble XLR majú tienenie na oboch koncoch spojené s kontaktom 1 (plášte spojené nie sú, nie je to nutné), znamená to, že pri zariadení používajúcom 3-pólové konektory typu XLR musí byť spojený kontakt 1 s konštrukciou (obvykle sa hovorí o kostre) - nie so zemou audiosignálu, ako je to najčastejšie.

Nepoužitie signálovej zeme je v tomto prípade najradikálnejšou odchýlkou ​​od bežnej profesionálnej audiopraxe. Hľadáte nejaký argument o jej oprávnenosti? Neexistuje. To je tá správna cesta k dosiahnutiu výsledku. Tak prečo sa audiozariadenie nedodáva zapojené týmto spôsobom? Ale áno, niektoré sa dodávajú a od roku 1993 je ich väčšina (bavíme sa stále o komerčne predávaných zariadeniach).

Preto mnohé spoločnosti začali vyrábať niektoré výrobky so symetrickými vstupmi a výstupmi, pri ktorých je kontakt č.1 spojený s kostrou. Ale prečo tak nepostupuje každý výrobca? Pretože život nie je jednoduchý, niektoré veci sa ťažko menia a vždy sa bude používať nejaké zariadenie, ktoré bolo vyrobené skôr, než sa začali uplatňovať zásady správneho uzemnenia.

Nesymetrické zariadenie predstavuje ďalší problém: sú všade, sú ľahko dostupné a sú lacné. Sú to všetky tie, ktoré obsahujú konektory RCA (cinche) a monofónne jacky 6,3 mm vyskytujúce sa na zariadeniach audiotechniky ako gitarové efekty a vstupné body na mixážnych pultoch, signálových procesoroch, poloprofesionálnych digitálnych a analógových rekordéroch, počítačových kartách, mixážnych pultoch, apod. V tomto článku nájdete tipy aj na úspešné zapojenie nesymetrického zariadenia. Ak je nesymetrické zariadenie pripojené "naslepo" k plne symetrickej jednotke, spustí sa brum a nežiaduce reakcie, ktorých ďalšie riešenie bude vyžadovať zvláštne opatrenia.

Ďalší najlepší správny postup

Najrýchlejšou, najtichšou a najspoľahlivejšou metódou symetrického a nesymetrického prepojenia je oddelenie všetkých nesymetrických prepojení pomocou transformátora. Pozri obr. 2.

Komponenty potrebné na túto úlohu dodáva mnoho výrobcov. S otázkou na dostupné možnosti sa preto vždy obráťte na svojho audiopredajcu, či predajcu elektronických komponentov. Cieľom týchto adaptérov je možnosť použitia štandardných káblov v signálovej ceste. Pri použití oddeľovacích transformátorov nie je úprava zapojenia káblov nutná. Týmto spôsobom je možné úspešne prepojiť prakticky akékoľvek dve audiozariadenia, bez nebezpečenstva vzniku nežiaduceho brumu a šumu.

Ďalšia možnosť potrebného oddelenia ponúka takzvaný "Direct box". Pôvodne bol takto pomenovaný kvôli konverzii vysokoimpedančného vysokoúrovňového výstupu elektrickej gitary na nízkoimpedančný a nízkoúrovňový vstup mixpultu. Toto zapojenie umožňovalo priame pripojenie hudobníka, teda jeho nástroja do pultu. Teraz sa týmto výrazom označuje akýkoľvek box určený na konverziu nesymetrického vedenia na symetrické.

Obr. 2: Oddelenie pomocou transformátora

Posledný najlepší správny postup

Pokiaľ nie je oddelenie transformátorom možné, posledné riešenie predstavujú špeciálne zapojené káble. Zásadou je zabrániť prúdeniu tieniacich prúdov do jednotky, ktorej zemniace zapojenie vytvára zemné slučky (brum) v audioceste (čo je bohužiaľ väčšina audiozariadení). Pravdou je, že pripojenie oboch koncov tienenia je teoreticky najlepšou cestou k prepojeniu zariadenia - aj keď to predpokladá, že prepojené zariadenie má správne vykonané interné uzemnenie. Pretože väčšina zariadení nie je interne správne uzemnená, alebo nedostatočne uzemnený, pripojenie oboch koncov tienenia sa často nepoužíva, pretože ak by sa použilo, obvykle by nastalo rušenie.

Bežným riešením týchto problémov s brumom a bzukotom je odpojenie jedného konca tienenia, aj keď hotové káble, u ktorých by bolo tienenie na jednom konci odpojené, nie je možné bežne zakúpiť. Výber najlepšieho konca na odpojenie je otázkou osobných preferencií a mal by sa vykonávať veľmi starostlivo, preto zvoľte vstupy či výstupy a vždy odpojte zvolenú stranu (na schémach nižšie je odpojený vstupný koniec kábla - výstup budiacej jednotky). Ak je jeden koniec tienenia odpojený, prietok rušivého prúdu sa zastaví a brum zmizne - ale iba na nízkych kmitočtoch. Pri tienení pripojenom iba na jednom konci sa zvyšuje možnosť vysokofrekvenčného (rádiového) rušenia, pretože tienenie sa môže v tomto prípade správať ako anténa. Mnoho užívateľov obmedzuje toto potencionálne vysokofrekvenčné rušenie malým keramickým diskovým kondenzátorom (0,1 alebo 0,01 mikrofaradu), ktorý sa zapája medzi odpojený koniec tienenia a šasi. Skutočnosť, že sa v mnohých dnešných moderných konštrukciách toto opatrenie s jedným odpojeným koncom s trvalým úspechom stále dodržiava, svedčí o tom, že toto a ďalšie prijateľné riešenia problémov s vysokofrekvenčným rušením existujú. Rastúce využívanie digitálnej a bezdrôtovej technológie však v dnešnej dobe podstatne zvyšuje možnosť problémov s vysokofrekvenčným rušením , nakoľko pribudli ďalšie aspekty, ktoré toto rušenie vyvolávajú. Typickým príkladom môže byť aj poškodená anténa routra generujúca kvantu vysokofrekvenčného rušenia, ktoré určite raz nejaké zariadenie zachytí a vy si budete trhať vlasy nad pokusmi o jeho odstránenie.

Pokiaľ ste u niektorého zariadenia problém s brumom skutočne vyriešili, je tu možnosť, že aj keď dokumentácia indikuje správne zemnené tienenie k šasi, podozrivé zariadenie nemá správne vykonané interné zemnenie. V týchto prípadoch prichádzajú "ako na zavolanie" špeciálne testovacie káble (viď obr. 3), ktoré umožňujú spojiť tienenie so zemou šasi (kostrou) v mieste, kde do neho vstupuje kábel (alebo s kontaktom č.1), alebo jeden koniec tienenia odpojiť. Úloha je však ešte o to ťažšia, ak má zariadenie  väčší počet vstupov a výstupov. U problematického zariadenia s väčším počtom káblov vyskúšajte pri každom pripojení rôzne konfigurácie, aby ste zistili, či budú takéto špeciálne zapojené káble potrebné na viacerých miestach.

Odporúčané špeciálne zapojené káble pre konkrétne prepojenie nájdete na obr. 4. Vyhľadajte si príslušnú výstupnú konfiguráciu (vľavo dole) a potom ho zarovnajte so správnou konfiguráciou vstupu (na hornej strane strany). Odporúčanú schému zapojenia potom nájdete na konci tohoto článku.

Odzemňovacie prepínače

Mnoho prístrojov je vybavených tzv. odzemňovacími prepínačmi. Iba v niekoľkých prípadoch je možné preukázať, že odzemňovací prepínač zmenší rušenie súvisiace so uzemnením. (Bol vám odzemňovací prepínač niekedy naozaj užitočný?) Prítomnosť odzemňovacieho prepínača v skutočnosti výrazne znižuje správne zemnenie zariadenia a odolnosť voči brumom zo zemných slučiek. Odzemňovacie prepínače sú jednoducho len náplasťou na riešenie problémov so uzemnením. Je však pravdou, že pri celom systéme so správne zemneným zariadením, bez odzemňovacích prepínačov, je zaručená (áno zaručená) prevádzka bez brumu. Problémom je, že väčšina zariadení nemá správne uzemnenie (ako interné tak aj externé).

Väčšina prístrojov s odzemňovacími prepínačmi je dodávaných tak, že jednotka je "uzemnená" šasi je spojené so zemou audiosignálu. (To by mala byť najlepšia a "najistejšia" poloha pre odzemňovací prepínač). Ak sa po zapojení prístroja do systému ozýva nadmerné brum alebo bzukot, niekde medzi zemami systému existuje istá nekompatibilita.

Obr. 3: Testovacie káble

Okrem týchto špeciálne zapojených káblov, ktoré môžu pomôcť, je možné vyskúšať aj ďalšie veci:

  1. Vyskúšajte kombinácie odzemnenia na prístrojoch s odzemňovacími prepínačmi (alebo článkami). Skúšku vykonávajte s vypnutým napájaním!
  2. Ak máte úplne symetrický systém, overte si, či sú z bezpečnostných dôvodov a kvôli ochrane pred brumom spojené všetky šasi s "dobrou" zemou. Úplne nesymetrické systémy nemajú uzemnené vôbec nič (okrem káblovej televízie, ktorá je častým zdrojom zemných slučiek). Ak vlastníte systém kombinujúci symetrické a nesymetrické zapojenie, urobte si radosť a použite oddeľovacie transformátory. Pokiaľ nemáte dostatok financií, skúste nižšie popísané špeciálne zapojené káble a počítajte s tým, že riešenie situácie vám zaberie veľa času a nervov. Zlomte väz!
  3. Symetrické prístroje s externými napájacími zdrojmi (zásuvkové adaptéry alebo adaptéry na sieťových kábloch) nemajú uzemnené šasi prostredníctvom sieťového kábla. Overte si, či sú tieto prístroje pevne uzemnené spojením kostry so zemou pomocou spoľahlivej maticovej svorky. (Správne uzemnené šasí sú vždy opatrené externou skrutkou s ozubenou podložkou). Ako uzemňovací bod môže slúžiť akékoľvek zariadenie s 3-pólovou sieťovou vidlicou, napr. zosilňovač. Účel môžu plniť aj lišty rackového stojana, ale toto riešenie závisí od umiestnenia skrutiek a náteru.

Plávajúca zem či pseudosymetria

Počas kontroly sa môžete stretnúť s tzv. plávajúcimi nesymetrickými jackovými výstupmi (často sa označujú ako pseudo alebo quasi-symetrické). Pri týchto zapojeniach nie je vonkajší kontakt výstupu zapojený vo vnútri prístroja, ale krúžok jacku je pripojený (spravidla cez malý odpor) k zemi audiosignálu. Impedancia hrotu a krúžku sa  peto javí ako rovnaká, ako by bol výstup symetrický, aj keď je výstupný obvod nesymetrický.

Z plávajúceho nesymetrického výstupu sa často budí symetrický alebo nesymetrický vstup (záleží na tom, či je do neho zapojený kábel s mono alebo stereo jackom). Pokiaľ brumí, bude potrebný špeciálny kábel. Prezrite si obr. 11 a 12 a nevykonávajte úpravu krížovej väzby (systém cross-coupled) v spoji krúžku a vonkajšieho kontaktu.

Ako "zvíťaziť"?

  • Kedykoľvek je to možné, použite symetrické pripojenie.
  • Ak je to možné, tak nesymetrické obvody oddeľte od symetrických pomocou transformátora.
  • Pokiaľ nie je možné nesymetrické linky oddeliť transformátorom, použite špeciálne káble.
  • Dĺžka nesymetrického kábla by nemala presiahnuť dĺžku 3 m. Pri použití dlhších káblov by došlo k zosilneniu všetkých nežiaducich efektov spôsobených zemnými slučkami nesymetrických obvodov.
  • Ak všetky ostatné opatrenia zlyhajú, digitalizujte všetky signály a prenášajte ich optickými káblami ak je to možné.

Súhrn

Ak nie ste schopní urobiť veci správne (napr. použiť plne symetrické zapojenie s tienením spojeným s kostrou v mieste vstupu kábla, alebo oddeliť všetky nesymetrické signály od symetrických pomocou transformátora), potom nie je isté, či sa vám podarí dosiahnuť prepojenie bez brumu, nakoľko neexistuje žiadna presná schéma zapojenia, ktorá by zaručila nerušenú prevádzku vo všetkých konfiguráciách. Je to potom o nekonečnom kolotoči pokusov a omylov, ktoré vám pridajú k problémom z rušením celkom určite aj nespavosť. Mieru úspechu do určitej miery zaručia aj teoretické a praktcké skúsenosti s danou problematikou. Takže vám prajem pevné nervy a veľa úspechov.

Doporučená literatúra

  1. Neil A. Muncy "Noise Susceptibility in Analog and Digital Signal Processing Systems" ‖ prednáška na 97. kongrese AES v San Francisku, USA, november 1994.
  2. "Grounding, Shielding, and Interconnections in Analog & Digital Signal Processing Systems: Understanding the Basics" témy seminárov pod vedením Neila Muncyho a Cala Perkinsa, na 97.kongrese AES v San Francisku, USA, november 1994.
  3. Phillip Giddings, "Audio System Design and Installation" (SAMS, Indiana, 1990).
  4. Ralph Morrison, "Noise and Other Interfering Signals" (Wiley, New York, 1992).
  5. Henry W. Ott, "Noise Reduction Techniques in Electronic Systems" 2nd Edition (Wiley, New York, 1988).
  6. Macatee, RaneNote "Grounding and Shielding Audio Devices" Rane Corporation, 1994.
  7. Webové stránky rane.com

Schématická príloha

Obr. 4: Tabuľka prepojení - pomôcka pre vyhľadanie správnych špeciálnych káblov, ktorých zapojenie nájdete nižšie.

Poznámka: (A) Táto konfigurácia sa používa pre  "bežne predávaný" kábel.

Poznámka: (B) Táto konfigurácia spôsobuje stratu signálu 6 dB. Kompenzujte ju preto zvýšením úrovne signálu o 6 dB.

Ľavá strana obrázka - z výstupu, Pravá strana obrázka z vstupu.



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis