Szumi, brumi i zakłóca - Pętla masy

PĘTLĄ MASY

Rysunek 1. Powstawanie pętli masy przez uziemienie.

Cóż to takiego? Jeśli między dwoma punktami istnieje więcej niż jedna ścieżka masy, powstaje pętla masy. Przykładowo: jeśli mamy dwa uziemione urządzenia i połączymy je ze sobą za pomocą kabla symetrycznego, z podłączonym na obu końcach ekranem, otrzymujemy dwie ścieżki masy między tymi dwoma urządzeniami: jedna ścieżka „po drucie” i druga poprzez uziemienie. W ten sposób powstała nam klasyczna pętla masy, co ilustruje rysunek 1. Oczywiście, sam fakt istnienia tych dwóch ścieżek jeszcze nie powoduje powstawania zakłóceń. Pętla masy daje nam się we znaki tylko wtedy, gdy płyną przez nią niekontrolowane i niepożądane prądy.

Istnieją dwie przyczyny przepływu prądów w pętli masy. Pierwsza wynika z tego, iż płynące między naszymi urządzeniami prądy, nazwijmy je „użyteczne”, powodują powstawanie pomiędzy nimi różnicy potencjałów. Rożnica ta wymusi przepływ prądów zakłócających w pętli masy. Drugi powód wynika z prawa fizyki mówiącego, iż w dowolnej pętli umieszczonej w polu elektromagnetycznym indukowany jest prąd. Ponieważ pętla masy, jak sama nazwa wskazuje, jest pętlą, więc pod wpływem pól elektromagnetycznych, pochodzących od przewodów zasilających, indukowane są w niej prądy o częstotliwościach równych częstotliwości 50 Hz i jej harmonicznych. Wartość napięcia zakłócającego jest wprost proporcjonalna do powierzchni pętli, dlatego tak ważnym jest problem długość kabla, którym przesyłamy sygnał z jednego urządzenia do drugiego, która ma wpływ nie tylko na tłumienie sygnału i zawężanie pasma, ale również na powstawanie zakłóceń.

MINIMALIZACJA ZAKŁÓCEŃ ZWIĄZANYCH Z PĘTLĄ MASY

Rysunek 2. Idea masy technicznej w instalacji stałej.

Problemy związane z pętlą masy można próbować rozwiązać na dwa sposoby, w zależności od tego, z jakimi instalacjami mamy do czynienia, jak głęboko możemy zaingerować w strukturę instalacji oraz gdzie leży główna przyczyna powstawania zakłóceń.

Jeśli jesteśmy w fazie projektowania instalacji stacjonarnej, możemy skoncentrować się na zaprojektowaniu i wykonaniu masy technicznej wysokiej jakości. Taka masa techniczna ma strukturę gwiazdy, czyli punkty dystrybucji masy w poszczególnych pomieszczeniach są ze sobą połączone właśnie w formie gwiazdy, co przykładowo przedstawia rysunek 2. W przypadku, gdy zdecydujemy się na zaimplementowanie takiej struktury, w naszym projekcie musimy pamiętać o kilku sprawach:

• po pierwsze – należy starannie wykonać punkty będące źródłem masy. Powinny one być wykonane z taśmy metalowej, izolowanej od jakiejkolwiek uziemionej konstrukcji metalowej. Punkt taki powinien być zainstalowany w każdym pomieszczeniu osobno,
• po drugie – punkty te łączymy zawsze w układzie gwiazdy. Nigdy nie powinniśmy prowadzić okablowania masy w połączeniu łańcuchowym, czyli od jednego punktu, będącego dystrybutorem masy w danym pomieszczeniu, do drugiego punktu, w innym pomieszczeniu itd.
• po trzecie – podobnie jak w przypadku połączeń między punktami dystrybucji masy, postępujemy w przypadku podłączenia poszczególnych urządzeń do punktów masy – zawsze w układzie gwiazdy (poszczególne urządzenia do jednego punktu dystrybucji masy, a nie od jednego urządzenia do drugiego)
• po czwarte – przekrój kabla biegnącego od źródła masy do punktów dystrybucji masy nie powinien być mniejszy od 6 mm².

Rysunek 3. Przerywanie pętli masy przy połączeniach Jack-XLR, Jack-Jack i XLR-XLR.

W sytuacjach gdy nie mamy możliwości ingerencji w strukturę okablowania całego budynku, możemy posłużyć się masą pseudo-techniczną. Polega ona na tym, iż ideę masy technicznej stosujemy w jednym pomieszczeniu, czyli wybieramy jeden punkt, który będzie spełniał funkcję punktu dystrybucji masy i do niego podłączamy poszczególne urządzenia (w myśl zasady połączenia gwiaździstego). Powinno to dać zadowalające wyniki w przypadku minimalizacji zakłóceń pochodzących od instalacji wentylacyjnych, dużych silników, urządzeń ze sterowaniem tyrystorowym itp.

PRZERYWANIE PĘTLI MASY

Inną metodę musimy zastosować w przypadku, gdy nie mamy możliwości ingerencji w strukturę techniczną obiektu lub gdy mamy do czynienia z instalacją mobilną.

Aby zapobiec przepływowi szkodliwych prądów w pętli masy musimy przerwać obwód tak, aby prąd ten nie mógł płynąć. Nie jest dobrym rozwiązaniem likwidacja uziemienia urządzeń elektrycznych, gdyż możemy narazić się w ten sposób na ryzyko bliskiego kontaktu z napięciem 220 V, a może nawet 380 V (a to nie należy do przyjemnych odczuć natury estetycznej). Musimy znaleźć inny punkt, w którym moglibyśmy przerwać pętlę masy. Możemy tego dokonać, korzystając z często spotykanego w urządzeniach (np. w końcówkach mocy) przełącznika GROUND/LIFT. Powoduje on, iż masa elektryczna urządzanie zostaje odłączona od masy sygnałowej (lub połączona, w zależności od pozycji przełącznika), co automatycznie przerywa pętlę, gdyż masy obu urządzeń połączone będą ze sobą tylko poprzez uziemienie w gniazdku sieciowym.

Innym sposobem jest nie podłączenie przewodu „masowego” (często – oplotu) do jednego z wtyków. Z jednej strony narazi nas to na zwiększenie się zakłóceń radiowych, ale jeśli bardziej dokuczliwym zakłóceniem jest „brum” pochodzący od sieci energetycznej, to warto zastosować taki zabieg. Przerywanie połączeń masy można stosować zarówno od strony wejścia, jak i wyjścia. Przykładowe połączenia z przerwaną pętlą masy dla rożnych konfiguracji wtyków Jack TS, Jack TSR i XLR przedstawia rysunek 3.

Korzystając z przełącznika GROUND/LIFT (lub GND/LIFT) możemy odłączyć masę elektryczną urządzanie od masy sygnałowej, co automatycznie przerywa pętlę masy.

Oczywistym odstępstwem od tej reguły są kable mikrofonowe (dla mikrofonów pojemnościowych zasilanych napięciem Phantom). Przerwanie ekranu, który jest tu jedynym połączeniem mikrofonu z masą, zakłóciłoby zasilanie mikrofonu napięciem fantomowym.

Należy wspomnieć tu jeszcze o jednej metodzie minimalizacji zakłóceń spowodowanych pętlą masy. Jest to rozwiązanie będące kompromisem pomiędzy brakiem przylutowanej masy z jednej strony wtyku (wzrost zakłóceń radiowych), a przylutowaną masą z obu stron przewodu (większy poziom „brumów”). Polega on na podłączeniu przewodu masowego do wtyku poprzez kondensator o małej pojemności. Zasada działania takiego układu polega na tym, iż kondensator zwiera ekran dla sygnałów radiowych, czyli wysokiej częstotliwości, na obu końcach przewodu. Natomiast mała wartość pojemności kondensatora powoduje, że dla sygnałów o małej częstotliwości („brum” sieciowy to sygnał będący sumą sygnałów sinusoidalnych o częstotliwości podstawowej 50 Hz i jej harmonicznych, czyli wielokrotności, tj. 100, 150, 200, 250 Hz itd.) stanowi on element o bardzo dużym oporze (a konkretnie – impedancji), w przybliżeniu – stanowi przerwę w obwodzie. Metoda ta nie jest jednakże często stosowana z uwagi na małą ilość miejsca we wtyku, w którym musimy znaleźć miejsce na ten kondensator (nawet jeśli zastosujemy element SMD, to nie każdy poradzi sobie z jego przylutowaniem), a poza tym przy niefachowym i niestarannym spreparowaniu takiego wtyku łatwo o zwarcia