Masseschleifen bei symmetrischen Verbindungen?

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein Signal über Kabel von einem Ort zum anderen zu senden. Es gibt nicht die eine beste Methode für alle Fälle. Alles ist ein Kompromiss.

Spannungen sind innerhalb eines Stromkreises immer relativ, daher erfordert das Senden eines Signals per Kabel von Natur aus [mindestens] zwei Drähte. Oft sprechen wir von einem „Single-Wire“-Signal oder einem „Single-Ended“-Signal, weil der zweite Draht implizit geerdet sein muss.

Wenn sowohl der Sende- als auch der Empfangsschaltkreis dieselbe Masse haben, besteht das einfachste Schema darin, einen Draht für das Signal zu verwenden. Manchmal erfordert "die gleiche Erdung" die Verwendung zusätzlicher Drähte im Kabel, um diese Erdung explizit zu "senden". In anderen Fällen, wenn bereits eine gute Masseverbindung besteht, kann ein einzelner Leiter die gesamte Arbeit erledigen. Dies ist der mit Abstand häufigste Fall. Die meisten Signale innerhalb einer Leiterplatte benötigen keine individuellen Masseverbindungen. Alle Komponenten auf der Leiterplatte sind mit derselben gemeinsamen Masse verbunden, oft eine ganze Kupferebene. Wenn die Masseverbindung zwischen Sende- und Empfangskreis gut ist, wie es der Fall ist, wenn beide mit einer gemeinsamen Masseebene auf derselben Leiterplatte verbunden sind, ist normalerweise nichts weiter zu tun.

Wenn Sender und Empfänger weiter voneinander entfernt sind, aber immer noch mit derselben Masse verbunden sind, kann der Unterschied im Massepotential zwischen den beiden erheblich sein. Beispielsweise können zwei Geräte, die an gegenüberliegenden Seiten eines Hauses an Steckdosen angeschlossen sind, leicht einen Masseversatz von einigen hundert mV zwischen sich haben. Es sind beispielsweise nur 200 mA erforderlich, die durch einen 1/2-Ohm-Erdungsdraht fließen, um einen Erdungsoffset von 100 mV von einem Ende zum anderen zu erzeugen.

Ein viel kleinerer Masseversatz könnte je nach Grundrauschpegel des Signals Probleme verursachen. Wenn das Signal beispielsweise 1 V Audio mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 90 dB ist, beträgt das Grundrauschen nur etwa 30 µV. Dieser Bodenversatz kann sehr leicht passieren. Beispielsweise sind nur 30 µA Strom über eine 1-Ω-Masseverbindung erforderlich, um so viel Offset zu verursachen, wodurch ein störendes Brummen oder Brummen in das Audiosignal gemischt wird.

Wo sehr kleine Masse-Offsets Probleme verursachen können (wie im Beispiel oben), werden Signale oft differentiell gesendet . Dies bedeutet, dass das Signal als Spannungsdifferenz zwischen zwei angesteuerten Drähten "kodiert" wird. Um das Signal zu „dekodieren“, subtrahiert der Empfänger die beiden Spannungen. Der Vorteil davon ist, dass das Rauschen am Boden bei jedem Signal gleich erscheint, also durch die Subtraktion ausgenullt wird. Anders ausgedrückt, der Masseversatz und jedes Rauschen, das auf dem Weg von beiden Drähten identisch aufgenommen wird, wird zu einem Gleichtaktsignal , das die Subtraktion ablehnt .

In diesem Fall reduziert eine Masseverbindung die Belastung der Subtraktionsschaltung. Eine aktive Subtraktionsschaltung funktioniert nur, wenn die Signale innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen, der als Gleichtaktbereich bezeichnet wird . Außerdem ist jede aktive Differenzschaltung nicht perfekt. Ein Teil des Gleichtaktrauschens gelangt schließlich in das aus dem Differenzverstärker kommende Single-Ended-Signal. Wir können nicht einfach eine beliebige Gleichtaktspannung darauf werfen, da es nicht funktioniert und ein Teil des Rauschens sowieso durchkommt.

In vielen Fällen haben beide Enden Massepotentiale, die idealerweise "gleich" sind, außer dass ein kleiner Unterschied unvermeidlich ist. In diesem Fall ist es auch sinnvoll, die Masse anzuschließen, was eine Dreileiterverbindung bedeutet. Der „zusätzliche“ Erdungsleiter kann eine Abschirmung sein, die die anderen Leiter im Kabel umgibt, die verhindert, dass elektrische Felder in der Umgebung kapazitiv in die Signaldrähte im Inneren eingekoppelt werden.

Es gibt auch das Problem einer Masseschleife . Eine Masseschleife liegt vor, wenn es mehr als einen Pfad gibt, über den Erdströme fließen können. Der Grund dafür, dass dies schlecht sein kann, liegt darin, dass es nun unvorhersehbar ist, wo die Erdströme fließen und wo sie dadurch einen Erdversatz verursachen. Andere unabhängige Geräte, die an dasselbe Erdungsnetz angeschlossen sind, können beispielsweise Leckströme durch Ihre Geräte fließen lassen.

Wenn zwei "Boxen" ein 1-V-Audiosignal zwischen sich übertragen, wird dies manchmal gelöst, indem eine oder beide Boxen schwach verbunden werdenmit seiner örtlichen Masse, während beide im Kabel zwischen ihnen fest mit der Masse verbunden sind. Beispielsweise könnte jeder einen 1-kΩ-Widerstand von seinem Erdungsnetzwerk zum Erdungsanschluss in der Wechselstromsteckdose haben. Audiogeräte werden mit isolierten Netzteilen gebaut, so dass sie gut funktionieren, selbst wenn ihr Chassis willkürlich Hunderte von Volt in Bezug auf Masse "schweben" darf. Allerdings ist das nicht gut für alles andere in der Umgebung. Sie möchten nicht, dass Ihr Verstärker zufällige statische Ladungen aufnimmt und 2000 V von der Erde entfernt ist. Der 1-kΩ-Widerstand zur Erde leitet alle statischen Ladungen ab, und die Erdung des Geräts liegt höchstens innerhalb von ein oder zwei Volt an der Erdung der Wandsteckdose. Wenn es mit einem anderen Gerät verbunden ist, das eine ähnliche Masseverbindung hat, Es wird keine wesentliche Masseschleife gebildet, da sehr wenig Strom durch die 1-kΩ-Widerstände in jedem Gerät fließt. Beide werden über das Erdungskabel im Audiokabel fest miteinander verbunden, und diese Spannung wird aufgrund der beiden "Bleeder" -Widerstände gegen Masse nicht weit von der Steckdosenmasse entfernt sein.

In einigen Fällen, in denen sehr wenig über die Massespannungen an beiden Enden angenommen werden kann (so dass sie nicht miteinander verbunden werden können), galvanische Trennungerforderlich. Übliche Wege, ein Signal mit galvanischer Trennung zu senden, verwenden nur zwei Drähte, mit dem Zusatz eines Optokopplers oder eines Signaltransformators. Verfügbare Optokoppler und Signaltransformatoren halten je nach den Eigenschaften ihres Isoliermaterials problemlos Hunderten oder Tausenden von Volt Gleichtakt-Offset stand. Herkömmliches 10- und 100-Mbit/s-Ethernet mit RJ-45-Anschlüssen ist ein hervorragendes Beispiel für Transformatorkopplung. Das Signal ist ein Differenzstrom in einem verdrillten Adernpaar. Jedes Ende ist transformatorisoliert und darf ungefähr 1000 Volt (ich erinnere mich nicht an die genaue Spezifikation) vom anderen Ende entfernt sein. Ein Nachteil der Transformatorkopplung besteht darin, dass Gleichstrom verloren geht. Bei digitalen Signalen wie Ethernet werden die Bits auf eine bestimmte Weise codiert, um immer eine Mindestfrequenz zu enthalten.

Das Problem beim Senden einer Erdung zusammen mit einem symmetrischen Signalpaar besteht darin, dass wahrscheinlich eine Erdungsschleife eingeführt wird. Dies ist eine Anordnung, bei der ein bestimmtes Gerät oder ein Stromkreis zwei oder mehr Erdungspfade hat. Wenn sich diese Pfade erheblich unterscheiden, entsteht eine Schleife, und diese Schleife ist im Wesentlichen ein Transformator mit einer Windung, der ziemlich gut Streumagnetfelder (wie die von Netzleitungen) aufnimmt und diese in Rauschströme umwandelt.

Hier ist ein Beispiel:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Jeder magnetische Fluss durch die Schleife verursacht Strom in dieser Schleife durch elektromagnetische Induktion , und da die Masseverbindung zwischen den Geräten einen gewissen Widerstand hat, führen diese induzierten Ströme zu einer gewissen Spannungsdifferenz zwischen den Erdungen. Wenn die Masse eine Referenz für das Signal ist, dann sind diese Unterschiede in den Massepotentialen nicht vom Signal zu unterscheiden, und Rauschen ist die Folge.

Ausgeglichene Signalisierung, ideal implementiert, beseitigt dieses Problem. Der Grund dafür ist, dass bei einer symmetrischen Verbindung das Signal nicht auf Masse bezogen ist, sondern die Differenz zwischen zwei Hälften der symmetrischen Verbindung ist. Sie haben immer noch eine Masseschleife und die damit verbundenen Rauschströme und -spannungen, aber sie sind für das Signal irrelevant.

Durch die Erhaltung des Bodens kann das gesamte System vollständig von einem Schild umschlossen werden. Mit dem Gesamtsystem meine ich die Gehäuse beider Geräte sowie die Kabel zwischen ihnen. Dies verbessert die HF-Abschirmung, indem es wie ein Faraday-Käfig wirkt . Ohne die Abschirmung um das Kabel herum kann HF-Rauschen vom Kabel aufgenommen oder abgestrahlt werden.

Durch die Beibehaltung der Erdung wird auch sichergestellt, dass das Signal innerhalb der Gleichtaktfähigkeiten des Empfängers liegt. Dieses Problem kann durch Transformatorkopplung gemildert werden, die einen sehr großen Gleichtakt-Eingangsbereich hat, aber da Transformatoren relativ teuer sind, ist dies nicht immer eine Option.

Das Problem ist, dass viele Geräte scheiße sind. Besonders wenn wir über ausgewogenes Audio sprechen, scheint es die Norm zu sein, etwas falsch zu machen. Obwohl es sicherlich möglich ist, Masseströme vom Signal fernzuhalten und sie somit irrelevant zu halten, wie sie es bei einer symmetrischen Signalisierung sein sollten, erfordert dies eine sorgfältige Beachtung des Schaltungslayouts. Es ist auch wichtig, gleiche Impedanzen auf dem symmetrischen Paar aufrechtzuerhalten. Eine überraschende Anzahl von angeblich "professionellen" Audiogeräten scheitert an einem oder beiden dieser Faktoren.

Es braucht nur ein schlechtes Gerät in der Kette, um ein inakzeptables Brummen in das Audio zu injizieren. Da es einfacher ist, die Masse eines Signalkabels zu unterbrechen oder den Erdungsstift von einem Netzkabel abzutrennen, als Audiogeräte neu zu konstruieren, ist das Unterbrechen von Masseschleifen mit verschiedenen Ground-Lift-Geräten gängige Praxis.