Tu Ziemia - odbiór - Uziemienie i pętle masowe

Najczęściej występującymi problemami, po intensywnie przepracowanym sezonie są zwykle problemy z uszkodzonym okablowaniem, ale z nimi stosunkowo łatwo można się uporać. Jest jednak coś znacznie gorszego, co potrafi narobić znacznie większego i trudniejszego do eliminacji zamieszania. Są to pętle masowe, których najczęstszym powodem jest bałagan w sposobie zasilania (uziemienie) oraz prowadzeniu mas sygnałów audio w systemie nagłośnieniowym.

Tam, gdzie urządzenia często „wędrują”, bardzo łatwo o popełnienie elementarnych błędów, których lokalizacja i naprawienie to czynności czasochłonne, wymagające pewnego zasobu wiedzy, a także praktycznego doświadczenia.

CZYM JEST UZIEMIENIE

Dla wielu osób (niestety, również i części realizatorów oraz techników) jest to zagadnienie leżące w sferze „czarnej magii” – nie mówiąc już o przypadkowych użytkownikach systemów nagłośnienia. Wszyscy wiedzą, że ma to coś wspólnego z bezpieczeństwem. Niektórzy wiedzą nawet, że ma to również coś wspólnego ze zmniejszeniem poziomu zakłóceń, ale zaledwie nieliczni wiedzą, w jaki sposób zaprojektować dystrybucję zasilania poszczególnych urządzeń i jak poprowadzić sygnały audio pomiędzy nimi, aby uniknąć pętli masowych i zredukować do minimum poziom zakłóceń.

Nie spodziewam się, że po przeczytaniu mojego opracowania każdy stanie się natychmiast ekspertem w przedmiotowej dziedzinie. Liczę jednak na to, że być może po jego lekturze zmniejszy się choć trochę liczba osób ochoczo chwytających za Leathermana i na chybił trafił tnących ekrany oraz przewody ochronne, by usunąć zakłócenia. Może też przynajmniej u kilku zaradnych technicznych rozsądek weźmie czasem gorę nad ową „zaradnością” i zrezygnują oni z wyrywania bolców uziemiających w gniazdkach, do których nie mogą wetknąć klasycznej wtyczki „Schuko”. Liczę też i na to, że materiał ten pozwoli zaznajomić się ogólnie z pewnymi pojęciami, zasadami oraz środkami bezpieczeństwa, które warto poznać, aby oszczędzić sobie wielu stresujących sytuacji w pracy.

Wszystkich, którzy już po przeczytaniu tych kilku zdań wstępu zdecydowali, że nie warto czytać artykułu do końca, zachęcam do wykrzesania z siebie odrobiny cierpliwości i przeczytanie jeszcze tylko tych kilku punktów zamieszczonych poniżej. O pewnych rzeczach warto bowiem wiedzieć nie tylko dlatego, aby uniknąć problemów w pracy. Należy o nich pamiętać również (a może przede wszystkim) z drugiego, znacznie ważniejszego powodu – w trosce o własne zdrowie, a nawet życie...

• Zanim podłączycie główny kabel zasilający wasz system PA do jakiegoś lokalnego przyłącza w miejscu, gdzie przyszło wam go używać, powinniście bacznie prześledzić oznaczenia przewodów (głownie zerowego i uziemiającego). Uwaga ta ma szczególne znaczenie podczas rożnych imprez plenerowych. Zdarza się, że na potrzeby takich imprez wykonywana jest prowizoryczna instalacja. Niestety – bywa, że nie zawsze przyłącze to jest wykonane przez uprawnionych elektryków i niekiedy z wykorzystaniem będących właśnie „pod ręką” lub „okazyjnie” załatwionych materiałów, nie bacząc na obowiązujące normy i oznaczenia.
• Posiadanie przyrządu (nawet bardzo prostego) pozwalającego na zmierzenie napięć w odpowiednim zakresie może okazać się zbawienne, dzięki czemu można sobie zaoszczędzić wielu problemów i kosztów.
• Należy też pamiętać, że żaden producent ani żaden dystrybutor nie obejmuje gwarancją oferowanego przez siebie sprzętu, który zostanie uszkodzony w wyniku podłączenia go do źródła zasilania o parametrach innych, niż są dla niego wymagane. Gwarancja nie obejmuje też uszkodzeń powstałych podczas eksploatacji sprzętu w warunkach, do pracy w których nie został on przygotowany, itp.
• Ani producent ani dystrybutor nie ponosi też odpowiedzialności, gdy z opisanych powyżej powodów sprzęt stwarza sytuację niebezpieczną dla zdrowia lub życia operatorów i użytkowników. Mówiąc najprościej – jeżeli odpinasz masę lub przewód uziemiający, bierzesz na siebie odpowiedzialność za stworzenie sytuacji, w wyniku której może dojść do porażenia prądem elektrycznym członków ekipy i wykonawców.
• Nigdy nie należy ufać urządzeniom, instalacjom i przyłączom mogącym stanowić potencjalne zagrożeniem porażenia prądem (czyli wszystkim, zasilanym napięciem przemiennym 230 V). Jeśli nawet ktoś zapewnia, że wszystko jest w porządku, dla pewności najlepiej jest sprawdzić to osobiście. Znane są przypadki porażenia prądem muzyków w wyniku niewłaściwie okablowanego i źle zasilonego systemu PA.

UŚCIŚLIJMY KILKA POJĘĆ

Ziemia (Ground) – w rozważaniach elektrotechnicznych jest punktem odniesienia, względem którego wyrażone są określone potencjały (wartości napięcia). W praktyce okaże się, że podczas konfigurowania systemu elektroakustycznego napotkamy na kilka niezależnych punktów odniesienia, występujących w jego częściach składowych. Wszystkie one mogą mieć ten sam elektryczny potencjał lub też nie. Jeżeli właściwie pokierujemy nasze rozumowanie, okaże się z pewnością, że nie muszą one mieć tego samego potencjału. Czyż nie jest to oczywiste? Rozumiem, że nie… W takim razie – aby rzecz można było wyrazić prościej – spróbujmy powiedzieć inaczej.

W każdym systemie PA, zarówno tym najprostszym, jak też i tym bardzo rozbudowanym, możemy wyróżnić trzy główne punkty odniesienia, mające w swojej nazwie słowo „GROUND”. Mamy więc: „SIGNAL GND” (masa sygnału) – punkt odniesienia, względem którego wyraża się potencjały sygnałów w poszczególnych częściach urządzeń lub grupach urządzeń w naszym systemie. Kolejnym jest: „CHASSIS GND” (masa obudowy) – połączenie obudowy urządzenia z określonym miejscem systemu. W urządzeniach mających 3-żyłowy kabel zasilający, czyli taki z zielono- żółtym przewodem ochronnym, obudowa jest połączona właśnie poprzez ten przewód i gniazdo zasilające z uziemieniem. Masa sygnału jest także połączona z uziemieniem.

Urządzenia zasilane poprzez kabel mający tylko 2 przewody będą miały obudowę podłączoną do masy sygnału. Ostatni z nich to: „GROUND” lub „EARTH” (uziemienie) – punkt odniesienia, względem którego lokalny potencjał źródła zasilania wyraża się określoną wartością. Np. w USA jest to 120 V, w Australii 240 V, a od 1 stycznia 2004 roku w krajach członkowskich UE wartość napięcia sieciowego to 230 V. Jak będziemy się mogli niebawem przekonać, połączenia pomiędzy opisanymi powyżej rożnymi punktami odniesienia mają kolosalne znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania naszego systemu elektroakustycznego.

DLACZEGO UZIEMIENIE JEST RZECZĄ TAK WAŻNĄ ?

Każdy przewodnik jest wrażliwy i podatny na indukcję elektromagnetyczną, wywołaną przez rożne zewnętrzne czynniki. Może to być oddziaływanie fal elektromagnetycznych o częstotliwościach radiowych, sąsiedztwo kabli elektrycznych, obciążonych dużym poborem, praca przekaźników, silników elektrycznych itp. To jest właściwie odpowiedź na postawione wcześniej pytanie.

Aby uchronić przesyłane sygnały audio przed zakłóceniami przenikającymi z otoczenia, okablowanie, którym prowadzone są te sygnały, ekranuje się na całej długości. Zadaniem ekranu jest przechwytywanie zakłóceń emitowanych przez rozmaite źródła zewnętrzne i odprowadzanie ich najkrótsza drogą do ziemi. To tylko jedno z zadań. Oprócz minimalizowania poziomu zakłóceń, równie ważna jest druga rola uziemienia – jest to bezpieczeństwo! Połączenie obudowy urządzenia z ziemią nie bez powodu bowiem nazywane jest uziemieniem ochronnym.

Wyobraźmy sobie taką oto sytuację – z jakiegoś powodu napięcie zasilające, przykładowo, gitarowy wzmacniacz przedostaje się na metalowe elementy jego obudowy. Powodów powstania takiej sytuacji może być kilka, na przykład uszkodzenie izolacji przewodów wewnątrz wzmacniacza, nagromadzenia się wilgoci itp. Wyglądający do tej pory niegroźnie i zachowujący się bardzo przyjaźnie w stosunku do swojego użytkownika wzmacniacz staje się natychmiast czymś, co niektórzy Anglosasi zwykli nazywać „widów maker”.

W opisanej sytuacji wystarczy już tylko, aby muzyk trzymający gitarę połączoną z takim właśnie nieuziemionym wzmacniaczem (struny gitary połączone są z masą wzmacniacza) złapał za mikrofon, który jest połączony z masą konsolety lub dotknął jakiegokolwiek uziemionego urządzenia, i natychmiast staje się on elementem zamykającym obwód i skupia na sobie całe uderzenie napięcia, które przedostało się na chassis. Jeżeli chassis wzmacniacza połączone jest przewodem ochronnym z ziemią, to w przypadku opisanym powyżej nastąpi zadziałanie bezpiecznika we wzmacniaczu lub w obwodzie zasilającym wzmacniacz (mówimy o prawidłowo wykonanej instalacji, z właściwie dobranymi zabezpieczeniami).

Zdarzyć się może jednak i tak, że „kopnięcie” nastąpi w innej sytuacji, niż opisana powyżej – w sytuacji, w której coś takiego na pozór zdarzyć się nie powinno, bo wszelkie zasady bezpieczeństwa zostały przecież zachowane.

Jeżeli mamy przykładowy wzmacniacz gitarzysty, który jest podłączony do najbliższego gniazda na scenie (w tym przypadku gniazdo jest z bolcem), oraz mikrofon połączony z masą konsolety, ale ta wpięta jest do innego najbliższego jej gniazdka (także z bolcem), które znajduje się na drugim końcu sali. Dlaczego mikrofon „kopie”, skoro urządzenia zasilane są z gniazd posiadających przewód ochronny?

Teoretycznie rozważając przewody ochronne w tym samym budynku powinny mieć ten sam potencjał: 0 V. Praktyka udowodniła jednak wielokrotnie, że w rzeczywistości wcale tak nie jest, bo różnica potencjałów pomiędzy tymi przewodami w rożnych częściach budynku wynosi często od kilku do kilkunastu woltów, a zdarzało się i tak, że przekraczała nawet 70 V, czego doświadczyłem kiedyś na własnej skórze w sensie dosłownym. W takiej sytuacji, dotykając dwóch rożnych urządzeń, zasilanych z rożnych faz i rożnych części instalacji, powodujemy zwarcie tzw. pasożytniczego źródła prądu, a to może być nie tylko nieprzyjemne, ale też i niebezpieczne dla życia. Pomijam tu takie drobiazgi jak głośny sieciowy brum, będący skutkiem napięcia odłożonego na linii łączącej oba urządzenia oraz – jeśli napięcie to będzie odpowiednio wysokie – duże prawdopodobieństwo uszkodzenia konsolety ze względu na niską impedancję wejść.

PĘTLE MASOWE

Wracając do problemu głośnego brumu o częstotliwości napięcia zasilającego system, to chyba nikt nie zaprzeczy, że jest to najczęściej spotykany, najbardziej uciążliwy i zwykle najtrudniejszy do rozwiązania problem występujący w systemach nagłośnienia. Należy jeszcze powiedzieć w tym miejscu, że najczęstszym powodem powstawania takiego właśnie brumu są pętle masowe. Cóż to takiego jest? Pętla masowa występuje wtedy, gdy pomiędzy dwoma urządzeniami tego samego systemu występuje więcej niż jeden punkt uziemiający – to chyba najkrótsza i najbardziej zrozumiała definicja.

Pętle masowe są często bardzo trudne do zlokalizowania, nawet dla bardzo doświadczonych w tej dziedzinie inżynierów. W kiepsko zaprojektowanym systemie PA pętle masowe będą się pojawiały, a problem ten jest zwykle tym trudniejszy do zlokalizowania i usunięcia, im bardziej rozbudowany jest system. Nie ma tu żadnego znaczenia fakt, że system taki będzie się składał z komponentów bardzo drogich, wyprodukowanych przez firmy o uznanej w świecie reputacji, bo fakt ten nie ma tu nic do rzeczy. Często jedynym sensownym rozwiązaniem jest rozłożenie systemu na pojedyncze elementy składowe i zaprojektowanie od nowa sposobu zasilania współpracujących ze sobą urządzeń oraz dystrybucji sygnałów audio pomiędzy nimi.

Rysunek 1 przedstawia typowy przykład pętli masowej. Widać na nim, że oba urządzenia są uziemione od strony zasilania, a także poprzez chassis oraz ekrany przewodów prowadzących pomiędzy nimi sygnały audio. Obie te gałęzie łączą się obustronnie, co tworzy formę zamkniętego (zapętlonego) obwodu. Przedstawiona na rysunku pętla nie będzie powodem zakłóceń w torze audio jeśli spełnione zostaną dwa warunki.

Pierwszy – przewody łączące urządzenia oraz wejścia i wyjścia urządzeń są w pełni symetryczne (najlepiej jeśli mają transformatory). Drugi – masa sygnału nie jest wspólna z masą chassis. Wystarczy jednak, że jeden z tych dwóch warunków nie zostanie spełniony, a przechwycony przez ekran potencjał – zamiast być odprowadzony do ziemi i zaniknąć – krąży po obwodzie pętli, modulując w przewodach sygnałowych napięcie zakłócające, wzmacniane wraz z sygnałem użytecznym.

PODSTAWOWE TECHNIKI

Przyjrzyjmy się teraz czterem podstawowym zasadom prowadzenia mas i uziemiania, stosowanym w systemach elektroakustycznych, a mianowicie:

• zasada jednopunktowa,
• zasada wielopunktowa,
• zasada „pływającej masy”,
• zasada teleskopowych ekranów. Każda z tych zasad jest na swój sposób pożyteczna w rożnych rodzajach systemów.

Rysunek 2 przedstawia zasadę uziemiania tylko w jednym wspólnym punkcie. Chassis każdego ze współpracujących w systemie urządzeń jest indywidualnie uziemione od strony zasilania. Masa sygnałów prowadzonych pomiędzy tymi urządzeniami jest uziemiona tylko w jednym punkcie. Taka konfiguracja jest bardzo efektywna w eliminowaniu zakłóceń i jest ona wygodnym rozwiązaniem w systemach, lub ich częściach, które pozostają w stałej konfiguracji. Zasada takiego właśnie uziemiania jest często stosowana przy wykonywaniu instalacji w studiach nagraniowych. Jest również bardzo efektywna przy indywidualnym okablowaniu raków ze sprzętem, ale nie jest ona możliwa do kompleksowego stosowania w rozbudowanych, mobilnych systemach PA.

Pokazana na kolejnym rysunku (rysunek 3) zasada wielopunktowa nie jest korzystna dla systemów zawierających w swojej strukturze urządzenia niesymetryczne, których chassis jest połączone z masą sygnału audio. Przewagą tego sposobu jest jego prostota, ale trzeba sobie uczciwie powiedzieć, że w praktyce nie jest on zbyt skuteczny, zwłaszcza gdy konfiguracja systemu PA bywa często zmieniana. Zastosowanie tej metody w systemie, w którym wykorzystuje się urządzenia niesymetryczne sprawi, że będzie on obfitował w liczne pętle masowe. Brum oraz inne zakłócenia mogą się równie niespodziewanie pojawiać, jak też i zanikać podczas dołączania lub odłączania kolejnych elementów systemu. Często bywa tak, że jeżeli już zakłócenia się pojawią, ich przyczyna nie jest możliwa do zlokalizowania i usunięcia w warunkach koncertu.

Zastosowanie sposobu wielopunktowego w systemie złożonym z urządzeń w pełni symetrycznych, którego konfiguracja nie jest zmieniana, może okazać się rozwiązaniem nie sprawiającym większych kłopotów.

Na rysunku 4 przedstawiona jest zasada tzw. „pływającej masy” (Floating Ground). Należy tu zwrócić uwagę, iż masa sygnału audio jest w tym przypadku zupełnie odizolowana – zarówno od chassis urządzeń, jak też i od uziemienia. Nie jest ona traktowana w tym przypadku jako stały punkt odniesienia, ale raczej jako wspólny węzeł odizolowany od ziemi. Izolacja obwodów powoduje, że potencjał elektryczny względem ziemi jest „pływający” wokół zera i zależy on od tego, na ile idealna jest izolacja obwodów. Tego typu rozwiązanie było powszechnie stosowane w konstrukcjach starego sprzętu elektronicznego, na przykład starych typach wzmacniaczy lampowych. Układ taki może być użyteczny, gdy w systemie występują znaczne zakłócenia. Eliminacja zakłóceń indukowanych w ekranach okablowania odbywa się wówczas w stopniach wejściowych.

Trzeba tu jednak zaznaczyć, że to rozwiązanie może również stanowić spore zagrożenie zarówno dla samego użytkownika, jak i dla urządzenia. Jeśli dojdzie do sytuacji, w której dana osoba dotyka urządzenia mającego pływającą masę i jednocześnie innego urządzenia, które jest podłączone do rzeczywistego uziemienia, to staje się ona przewodnikiem i może zostać porażona prądem. W podobny sposób, czyli w sytuacji, w której urządzenie to zostanie podłączone do innego, prawidłowo uziemionego urządzenia, tworzy się obwód pomiędzy dwoma urządzeniami, będący źródłem powstawania uciążliwych zakłóceń.

Kolejny rysunek (rysunek 5) ilustruje zasadę tzw. teleskopowych ekranów. Sposób ten jest bardzo skuteczny w eliminowaniu pętli masowych. Polega on na połączeniu ekranów bezpośrednio i tylko z ziemią, dzięki czemu nie biorą udziału w przepływie jakichkolwiek sygnałów. Tym samym wyindukowany w nich potencjał nie ma możliwości przedostania się do toru sygnałowego. Symetryczne połączenia oraz transformatory stanowią dodatkowe narzędzia w walce z zakłóceniami.

Słabą stroną tego rozwiązania jest konieczność posiadania dodatkowych kabli, których ekran jest podłączony tylko na jednym końcu, i odpowiedniego ich sortowania podczas montowania i demontowania systemu. Nie jest to jednak problem, którego rozwiązać się nie da. W rozbudowanych mobilnych systemach PA stosuje się zwykle kable typu multicore do łączenia poszczególnych elementów systemu. Kable te mają odpowiednie złącza, co pozwala skrócić czas montażu i zmniejsza prawdopodobieństwo popełnienia pomyłki.

Na koniec ilustracja przykładowego, ale bardzo typowego systemu PA, w którym wykorzystano kombinację omówionych wcześniej sposobów uziemiania – rysunek 6.

Przedstawione powyżej przykłady to typowe rozwiązania, z których większość jest stosowana powszechnie z dużym powodzeniem. Można w tym miejscu zadać pytanie: „Który z przedstawionych sposobów jest najlepszy?” Uważam, że panaceum pozwalającego ustrzec się pętli masowych oraz zapewniającego pełne bezpieczeństwo niestety nie ma. Największym sprzymierzeńcem jest tu chyba konsekwentne trzymanie się przyjętej i sprawdzonej konfiguracji systemu, systematyczna konserwacja urządzeń i okablowania, a także odpowiedzialna eksploatacja.