Заземляющий контур (электричество)

Эта статья посвящена неправильной электрической конфигурации, широко известной как «контур заземления». О неконтролируемом вращении самолета при наземном движении см. Контур заземления (авиация) .

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. 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 контуре заземления 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 заземляющих соединений с оборудования с целью устранения контуров заземления также устранит защиту, которую призвано обеспечить защитное заземляющее соединение.

Описание

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 подключено 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 паразитные 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, в которой 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 для оборудования. Одно из них — это обычное защитное заземление, которое соединяется с открытыми металлическими конструкциями, другое — техническое заземление для экранов кабелей и т.п.

Репрезентативная схема

Упрощенная схема, иллюстрирующая контур заземления

Принципиальная схема иллюстрирует простой контур заземления. Цепь 1 (слева) и цепь 2 (справа) имеют общий путь к заземлению сопротивления. $\scriptstyle R_{G}$. В идеале этот заземляющий проводник не имел бы сопротивления ( $\scriptstyle R_{G}=0$), что не приводит к падению напряжения на нем ( $\scriptstyle V_{G}=0$), сохраняя точку соединения между цепями под постоянным потенциалом земли. В этом случае выход схемы 2 просто $\scriptstyle V_{\text{out}}=V_{2}$.

Однако если этот заземляющий проводник имеет некоторое сопротивление ( $\scriptstyle R_{G}>0$), то он образует делитель напряжения с $\scriptstyle R_{1}$. В результате, если ток ( $\scriptstyle I_{1}$) протекает через $\scriptstyle R_{G}$ от цепи 1, то падение напряжения на $\scriptstyle R_{G}$ из $\scriptstyle V_{G}\;=\;I_{1}R_{G}$ происходит, в результате чего общее заземление больше не имеет фактического потенциала земли. Это напряжение на заземляющем проводнике подается на схему 2 и добавляется к ее выходу: $$V_{\text{out}}=V_{2}-V_{G}=V_{2}-{\frac {R_{G}}{R_{G}+R_{1}}}V_{1}.\,$$

Таким образом, две цепи больше не изолированы друг от друга, и цепь 1 может создавать помехи на выходе цепи 2. Если цепь 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 $\scriptstyle V_{G}$ на их 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.

Общие контуры заземления

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. Падения напряжения в системе заземления, вызванные этими токами, добавляются к пути 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.

Токи заземления в сигнальных кабелях

Рис. 1: Типичный сигнальный кабель S ток I. между электронными компонентами, по экранированному проводу протекает

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) . Кабель имеет заземляющий или экранированный проводник, который подключен к заземлению корпуса 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. $$V_{2}=V_{\text{S2}}-V_{\text{G2}}\,$$

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 $$V_{\text{G2}}=V_{\text{G1}}-IR\,$$ Поскольку дифференциальный усилитель имеет высокое сопротивление, в сигнальном проводе течет небольшой ток, поэтому падения напряжения на нем нет: $V_{\text{S2}}=V_{\text{S1}}\,$ Напряжение земли оказывается включенным последовательно с сигнальным напряжением V ₁ и добавляется к нему. $$V_{2}=V_{\text{S1}}-(V_{\text{G1}}-IR)\,$$ $$V_{2}=V_{1}+IR\,$$

Если I представляет собой переменный ток, это может привести к добавлению шума в путь сигнала в компоненте 2.

Источники тока заземления

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 которые подключаются к заземлению розеток, которые подключены через систему проводов заземления здания G. в их шнурах питания ,

Такие петли на пути заземления могут вызывать токи в заземлении сигнального кабеля по двум основным причинам:

• 

  Ток контура заземления, индуцированный паразитными магнитными полями переменного тока (B, зеленый)

  Токи контура заземления могут быть индуцированы паразитными магнитными полями переменного тока. (B, зеленый), которые всегда присутствуют вокруг электропроводки переменного тока. Контур заземления представляет собой проводящий проводной контур, площадь которого может составлять несколько квадратных метров. Согласно закону индукции Фарадея , любой изменяющийся во времени магнитный поток, проходящий через контур, индуцирует в контуре электродвижущую силу (ЭДС), вызывая протекание изменяющегося во времени тока. Петля действует как короткозамкнутая одновитковая обмотка трансформатора; любой магнитный поток переменного тока от близлежащих трансформаторов, электродвигателей или просто от соседней силовой проводки будет индуцировать переменный ток в контуре за счет индукции. В общем, чем больше площадь, охватываемая петлей, и чем больше магнитный поток через нее, тем больше будут индуцированные токи. Поскольку его сопротивление обычно очень низкое, часто менее 1 Ом , индуцированные токи могут быть большими.

• 

  Ток контура заземления, вызванный токами утечки в системе заземляющего провода здания от прибора А

  Другим менее распространенным источником токов контура заземления, особенно в мощном оборудовании, является утечка тока с горячей стороны линии электропередачи в систему заземления. Помимо резистивной утечки, ток также может индуцироваться за счет емкостной или индуктивной связи с низким импедансом. Потенциал земли в разных розетках может отличаться на целых 10-20 вольт. из-за падения напряжения от этих токов. На диаграмме показан ток утечки от такого устройства, как электродвигатель A, здания протекающего через систему заземления G к нейтральному проводу в точке заземления сети на сервисной панели . Контур заземления между компонентами C1 и C2 создает второй параллельный путь для тока. Ток разделяется, часть которого проходит через компонент C1 , заземляющий проводник сигнального кабеля S , C2 и обратно через розетку в систему G. заземления Падение переменного напряжения на заземляющем проводе кабеля из-за этого тока вызывает шум или помехи в компоненте C2 .

Решения

Решение проблемы шума контура заземления состоит в том, чтобы разорвать контур заземления или иным образом предотвратить протекание тока. Доступно несколько подходов.

• Сгруппируйте кабели, участвующие в контуре заземления, в жгут или змейку . Заземляющий контур все еще существует, но две стороны контура расположены близко друг к другу, поэтому рассеянные магнитные поля индуцируют одинаковые токи с обеих сторон, которые компенсируются.

• 

  Проломить щит

  Создайте разрыв в проводнике экрана сигнального кабеля. Разрыв должен быть на стороне нагрузки. Это часто называют подъёмом земли . Это самое простое решение; он оставляет токи земли течь через другое плечо петли. Некоторые компоненты звуковой системы имеют на входах переключатели подъема заземления, которые отключают заземление. Одна из проблем этого решения заключается в том, что если другой путь заземления компонента будет удален, компонент останется незаземленным, а паразитные токи утечки могут вызвать очень громкий шум на выходе, что может привести к повреждению динамиков.

• 

  Резистор в щите

  Установите небольшой резистор сопротивлением около 10   Ом в проводник экрана кабеля на стороне нагрузки. Это достаточно велико, чтобы уменьшить токи, индуцированные магнитным полем, но достаточно мало, чтобы обеспечить заземление компонента, если другой путь заземления удален. В высокочастотных системах это решение приводит к несогласованию импедансов и утечке сигнала на экран, где он может излучаться, создавая радиочастотные помехи , или, симметрично, посредством того же механизма, внешние сигналы или шум могут приниматься экраном и смешиваться с желаемый сигнал.

• 

  Изолирующий трансформатор

  Используйте изолирующий трансформатор контура заземления. в кабеле Это считается лучшим решением, поскольку при этом разрывается соединение постоянного тока между компонентами при передаче дифференциального сигнала по линии. Даже если один или оба компонента не заземлены, шум не будет возникать. Трансформаторы с лучшей изоляцией имеют заземленные экраны между двумя наборами обмоток. Трансформатор обычно вносит некоторые искажения в частотную характеристику . Необходимо использовать трансформатор, специально разработанный для соответствующего диапазона частот. Оптоизоляторы могут выполнять ту же задачу для цифровых линий, но вносят задержку сигнала.
• В цепях, создающих высокочастотный шум, таких как компьютерные компоненты, с ферритовыми шариками дроссели размещаются вокруг кабелей непосредственно перед подключением к следующему устройству (например, компьютеру). Они имеют высокий импеданс только на высоких частотах, поэтому эффективно подавляют радиочастотный и цифровой шум, но мало влияют на шум 50/60 Гц.
• Укрепите экран сигнального кабеля, соединяющего C1 и C2, подключив параллельно экрану толстый медный проводник. Это уменьшает сопротивление экрана и, следовательно, амплитуду нежелательного сигнала.
• Метод, используемый в студиях звукозаписи, заключается в соединении всех металлических шасси с помощью толстых проводников, таких как медные полосы, а затем в одной точке подключения к системе заземляющего провода здания; это называется заземлением звездой или одноточечным заземлением . Однако в домашних системах несколько компонентов обычно заземляются через трехпроводные шнуры питания, что приводит к многоточечному заземлению.
• батареи позволяет избежать контура заземления, поскольку все устройство может быть отключено от сети питания. Питание одной или нескольких цепей от

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.

Сбалансированные линии

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 .

В низкочастотных аудиосистемах и приборных системах

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 ток $I$ В контуре заземления наводится ток 1 мА на местной частоте сети, а сопротивление $R$ экрана сигнального кабеля составляет 100 мОм, падение напряжения составит $V=I\cdot R$ = 100 мкВ. Это значительная часть выходного напряжения картриджа звукоснимателя с подвижной катушкой , и оно вызывает нежелательный шум на выходе картриджа.

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

Изоляция — самый быстрый, тихий и надежный метод решения проблем с шумом. Сигнал изолируется небольшим трансформатором, так что оборудование источника и приемника сохраняет свои собственные соединения защитного заземления, но сквозное соединение между ними на пути сигнала отсутствует. Благодаря трансформатору, изолирующему все несимметричные соединения, несимметричные соединения преобразуются в симметричные. В аналоговых приложениях, таких как аудио, физические ограничения трансформаторов вызывают некоторое ухудшение сигнала, ограничивая полосу пропускания и добавляя некоторые искажения.

Сбалансированное соединение

Симметричные 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 аналоговых видеосистемах

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, создающего контур заземления и вызывающего нежелательный шум сети в динамиках системы.

В цифровых и радиочастотных системах

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.

Внутренние контуры заземления в оборудовании

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 ГУН схема контурного фильтра работает с сигналами субмикровольтового уровня, когда контур заперт, и любые помехи вызывают дрожание частоты и возможную потерю синхронизации.

В схемотехнике

Заземление и возможность возникновения контуров заземления также являются важными факторами при проектировании схем. Во многих цепях через заземляющий слой могут существовать большие токи, приводящие 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:

• Внешний экран и экраны всех разъемов должны быть соединены вместе.
  • Если источник питания в конструкции не изолирован, это внешнее заземление шасси должно быть подключено к заземлению печатной платы в одной точке; это одноточечное соединение позволяет избежать больших токов через заземление печатной платы.
  • Если в конструкции используется изолированный источник питания, это внешнее заземление должно быть подключено к заземлению печатной платы через конденсатор высокого напряжения, например, 2200 пФ при 2 кВ.
  • Если разъемы установлены на печатной плате, внешний периметр печатной платы должен содержать медную полоску, соединяющуюся с экранами разъемов. Между этой полосой и основной заземляющей поверхностью цепи должен быть разрыв меди. Оба должны быть соединены только в одной точке. Таким образом, если между экранами разъема протекает большой ток, он не пройдет через заземляющий слой цепи.
• Для распределения заземления следует использовать звездообразную топологию, избегая петель.
• Устройства большой мощности следует размещать ближе всего к источнику питания, а устройства малой мощности можно размещать дальше от него.
• Сигналы, где это возможно, должны быть дифференциальными .
• Изолированные источники питания требуют тщательного рассмотрения паразитной, компонентной или внутренней емкости силовой панели печатной платы, которая может позволить переменному току, присутствующему на входном питании или разъемах, проходить на землю или на любой другой внутренний сигнал. AC может найти путь обратно к своему источнику через сигнал ввода-вывода.

См. также

• Повышение потенциала Земли
• Фантомная схема
• Ток оболочки
• Паразитное напряжение
• Теллурический ток

Внешние ссылки

• Уитлок, Билл. «Чистота сигнала» . Звуко- и видеоподрядчик. Архивировано из оригинала 17 сентября 2004 года.

В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.