Warum zeigt die Analyse, dass Ground-Lifts keine Erdschleifen reparieren?

Hinweis: "Erdschleife" bezieht sich in dieser Frage auf eine Erdschleife, die durch verknüpfte Magnetfelder verursacht wird. (Manchmal bezieht sich Masseschleife auf leicht unterschiedliche Szenarien.)

In letzter Zeit habe ich mich viel mit Masseschleifen befasst, da ich ihnen in von mir eingerichteten Schaltkreisen begegnet bin. Ich habe versucht, Masseschleifen mithilfe der Schaltungstheorie zu analysieren, um zu verstehen, warum sie auftreten und wie sie behoben werden können. Meine Analyse führt jedoch zu Ergebnissen, die den von Wikipedia (Stand 14.09.2021) und vielen Seiten im Internet entgegengesetzten Ergebnissen entsprechen . Wo liege ich falsch?

Unten ist ein Schema einer typischen Erdschleifensituation mit Maschenströmen ich S Und ich G um ihre jeweiligen Schleifen zirkulieren. R L modelliert die Eingangsimpedanz für einen Verstärker/Oszilloskop/Multimeter/usw. Wir können davon ausgehen, dass der Inhalt der beiden Boxen von jeglicher EMI in der Umgebung unbeeinflusst ist (vielleicht verbinden sie sich über weit, weit entfernte Twisted Pairs). Das Signal, das am Ende verstärkt/gelesen wird, wird sein ich S R L . Diagramm des MasseschleifenmodellsIm obigen Diagramm: Der obere Draht ist der Signaldraht, der mittlere Draht ist die Erdungsabschirmung des Signalkabels und der untere Draht ist die Erdungsverbindung über die Netzleitung.

Jedes Leiterstück hat einen gewissen Widerstand, der wie folgt modelliert ist R 1 Und R 2 . Wir nehmen an, dass R L ≫ R 1 Und R L ≫ R 2 (Der Verstärker hat eine hohe Eingangsimpedanz, sagen wir einige Megaohm - viel höher als jeder Widerstand, den die Drähte haben könnten). Die Drahtschleifen haben auch eine gewisse Selbstinduktivität - aber wir werden dies später direkt mit dem Faradayschen Gesetz modellieren. Beachten Sie, dass ich keinen Widerstand in die obere Signalleitung aufgenommen habe - dies liegt daran, dass er im Vergleich zu vernachlässigbar ist R L mit dem es in Reihe ist.

Schließlich nehmen wir an, dass der Bereich der Schleife für ich S ist vernachlässigbar gegenüber der Fläche für ich G (Sie können sich vorstellen, dass sich die Signal- und Erdungskabel genau überlappen oder ein verdrilltes Paar sind).

Jetzt können wir die Schleifenströme mithilfe der Maschenanalyse auflösen. Für die Masseschleife wenden wir einfach das Faradaysche Gesetz direkt an, anstatt zu versuchen, die parasitären Gegen- und Selbstinduktivitäten in das Modell einzubeziehen, damit wir KVL verwenden können. Für die Signalschleife gibt es gemäß unserer vorherigen Annahme keinen verknüpften Fluss, was bedeutet, dass sich das Faradaysche Gesetz nur zu KVL um die Schleife vereinfacht:

(1) v S − ich S R L − ( ich S − ich G ) R 1 = 0
Für die Masseschleife nehmen wir an, dass sie einen magnetischen Fluss verbindet, der durch EMI in der Umgebung und durch das eigene Magnetfeld der Schleife verursacht wird, das proportional zu dem um sie herum fließenden Strom ist (dies ist die Eigeninduktivität der Schleife). Nach dem Faradayschen Gesetz erhalten wir eine EMF um die Schleife, die gleich ist:
∮ Masseschleife im Uhrzeigersinn E ⋅ D l = − D Φ gesamt D T = − D D T ( Φ Lärm + L ich G ) = − D Φ Lärm D T − L D ich G D T
Wir nennen den Rauschterm v N - Es ist eine Art Spannungsquelle, die um die Schleife verteilt ist. Daher:
∮ Masseschleife im Uhrzeigersinn E ⋅ D l = v N − L D ich G D T

Das Ohmsche Gesetz kann allgemeiner ausgedrückt werden als:

∫ Widerstand E ⋅ D l = ich R
Somit können wir das Integral des geschlossenen Regelkreises in Integrale über jeden Widerstand aufteilen. Das gibt:
(2) ( ich G − ich S ) R 1 + ich G R 2 = v N − L D ich G D T
Jetzt haben wir die beiden Schleifengleichungen, Gleichung 1 und Gleichung 2. Da ist eine Ableitung drin, was ein bisschen nervig ist (macht das Ganze zu einer ODE erster Ordnung ich G ). Wir können dies jedoch einfach in die Laplace-Domäne bringen, um es in ein algebraisches Problem zu verwandeln. (Wenn Sie die Laplace-Transformation nicht gewohnt sind, S L ist im Wesentlichen dasselbe wie J ω L für Phasoren verwendet.)
(1a) v S − ICH S R L − ( ICH S − ICH G ) R 1 = 0
(2a) ( ICH G − ICH S ) R 1 + ICH G R 2 = v N − S L ICH G
Lösen von Gleichung 2a für ICH G gibt uns:
ICH G = v N + ICH S R 1 R 1 + R 2 + S L
Das Einsetzen in Gleichung 1a ergibt:
v S − ICH S R L − ICH S R 1 + ICH G R 1 = 0 v S − ICH S R L − ICH S R 1 + ( v N + ICH S R 1 R 1 + R 2 + S L ) R 1 = 0 v S − ICH S R L − ICH S R 1 + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) v N + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) ICH S R 1 = 0
v S + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) v N = ICH S R L + ICH S R 1 − ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) ICH S R 1 v S + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) v N = ( R L + R 1 − ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) R 1 ) ICH S
Deshalb:
ICH S = v S + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) v N R L + R 1 − ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) R 1
Das Signal, das wir lesen, wird gleich sein ICH S R L . Also multiplizieren wir mit R L zu bekommen:
v L = ICH S R L = v S + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) v N R L + R 1 − ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) R 1 ⋅ R L
Wir können etwas Algebra anwenden, um den Nenner wie folgt zu verfeinern:
v L = v S + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) v N R L + ( R 1 ) ( R 2 + S L ) R 1 + R 2 + S L ⋅ R L
Der Bruch im Nenner ist nur die Impedanz von R 1 parallel zu R 2 + S L , was notiert werden kann als:
(3) v L = v S + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) v N R L + ( R 1 ) | | ( R 2 + S L ) ⋅ R L
Nun, da wir davon ausgegangen sind R L ≫ R 1 Und R L ≫ R 2 , der Nenner ist ungefähr gleich R L , was ergibt:
v L ≈ v S + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) v N R L ⋅ R L
Dies ergibt unseren endgültigen Ausdruck für v L :
v L = v S + ( R 1 R 1 + R 2 + S L ) v N
Dies stimmt jedoch nicht mit dem überein, was Wikipedia über Erdschleifen sagt. Die obige Gleichung impliziert, dass zunimmt R 1 macht das Geräusch schlimmer , nicht besser. Die Wikipedia-Seite schlägt jedoch vor, einen 10-Ohm-Widerstand auf der Erdungsabschirmung des Signalkabels anzubringen, um Erdschleifen zu mindern, aber diese Gleichung legt nahe, dass dies das an der Last gesehene Rauschen erhöhen sollte!

Außerdem können wir die Grenze als nehmen R 1 → ∞ , die den Fall eines offenen Stromkreises modelliert. Um dies zu tun, sollten wir Gleichung 3 verwenden (das ist, bevor wir das angenähert haben R L ≫ R 1 ). Nimmt man Gleichung 3 bis zur Grenze von R 1 → ∞ gibt uns:

v L = ( v S + v N ) R L R L + R 2 + S L
Dies impliziert, dass Sie das volle Rauschen der Schleife sehen würden, außer durch einen Spannungsteiler herunterskaliert (der eine Verstärkung von ungefähr Eins hätte, wenn R L war sehr groß). Und das macht sogar Sinn, wenn man sich die Schaltung ohne den Mittelweg darin ansieht!!! Dies widerspricht jedoch der gängigen Praxis (laut Internet), bei der häufig ein "Ground Lift" verwendet wird, um Erdschleifen abzumildern, indem die Erdungsabschirmung des Signalkabels unterbrochen wird.

Außerdem, wenn Sie Stromkreis öffnen R 2 , du erhältst:

v L = v S R L R L + R 1
das ist ähnlich wie vorher, außer mit einem etwas anderen Spannungsteiler und ohne Rauschen. Wenn R L ist sehr groß, bekommen wir v L = v S .

Was ist denn hier los? Warum scheint diese Analyse darauf hinzudeuten, dass ein Großteil des Internets falsch liegt, wenn es darum geht, Erdschleifen zu mindern? Tatsächlich könnte ich sogar argumentieren, dass das obige Ergebnis Sinn macht. Die Leute sagen, dass das Einfügen von Widerstand dort verhindert, dass die Erdschleifenströme fließen. Aber wen interessiert der Strom! Wir kümmern uns um die Spannung (wenn die Eingangsimpedanz der Last sehr hoch ist, ist es im Grunde nur ein Voltmeter). Beim Zunehmen R 1 erschwert den Stromfluss insgesamt, erhöht die Kopplung zwischen den Schleifen z ICH S Und ICH G .

Hilfe! Entweder gibt es einen Fehler in meinen Berechnungen (was sich meiner Meinung nach auf die endgültige Antwort auswirken würde, da die endgültige Antwort bis zu einem gewissen Grad intuitiv sinnvoll ist). Wahrscheinlicher ist, dass mir etwas Wichtiges im Modell fehlt. Eine Grundannahme ist falsch.

Besorgen Sie sich einen frei verfügbaren und kostenlosen Simulator und überprüfen Sie Ihre Ergebnisse darin.
Hallo Andy, ich habe meine Ergebnisse experimentell verifiziert. Siehe meine gepostete Antwort. Ich kann jedoch nicht feststellen, warum das Internet anderer Meinung ist. Ich werde einen Schaltungssimulator doppelt überprüfen, aber das wird nur Fehler in meiner Algebra erkennen, keine Fehler in meinem Modell (ich muss das richtige konzentrierte Elementmodell in der Simulation erhalten, damit es funktioniert). Da meine experimentellen Ergebnisse jedoch mit der Analyse übereinstimmen, bin ich mir umso sicherer, dass die Analyse korrekt ist.
Hallo @Andyaka - Ich habe dieses Schaltungslabor simuliert und die Ergebnisse entsprechen genau meinen Schlussfolgerungen. Unterbrechung der Erdungsabschirmung ( R 1 ) verursacht maximales Rauschen an der Last, während eine Unterbrechung der Masseschleife ( R 2 ) verursacht kein Rauschen. Auch ein nicht offener Stromkreis führt zu einem Ergebnis mit etwas gedämpftem Rauschen. Dies widerspricht dem Internet, das besagt, dass Groundlifts die Erdschleife abmildern!
Tatsächlich erscheinen die Ergebnisse dieser Analyse intuitiv offensichtlich. Wenn Sie die Masseabschirmung öffnen, liegt die große Schleife, die als Spannungsquelle für das induzierte Rauschen dient, jetzt in Reihe mit dem Signal. Wenn Sie jedoch eine Erdungsabschirmung mit niedriger Impedanz haben, wird diese große Schleife kurzgeschlossen und das Rauschen reduziert.
Warum sagen Sie das in Ihrer Frage: Warum stimmt diese Analyse nicht mit der realen Welt überein? ?
Anfangs habe ich meine experimentellen Ergebnisse falsch interpretiert und geglaubt, dass dies der Fall sei, weshalb ich das geschrieben habe. Jetzt scheint mein Experiment jedoch darauf hinzudeuten, dass es der realen Welt entspricht, aber es stimmt nicht mit dem überein, was viele Seiten im Internet sagen (einschließlich vieler Seiten, die von Wikipedia zitiert werden).
Ich habe die Frage bearbeitet, um Erwähnungen der Analyse zu entfernen, die nicht mit meinen eigenen Experimenten übereinstimmen. Entweder stimmt das ganze Internet nicht, oder an meinen Experimenten, Analysen und Simulationen stimmt etwas nicht....
„Meine Analyse liefert entgegengesetzte Ergebnisse zu dem, was Wikipedia und der Rest des Internets suggerieren . Wir alle wissen, dass ein Teil des Internets falsch liegt, aber selbst Wikipedias eigener Eintrag zu Ground Lift (Top-Google-Suche für mich) singt nicht gerade Lobeshymnen. Andere Top-Suchergebnisse von Google wie ePanoram.net haben ähnliche Vorbehalte gegenüber der Praxis.
Ja, ich war ein bisschen melodramatisch. Ich habe kürzlich den Wikipedia-Artikel über Groundlifts gesehen, der eigentlich ganz vernünftig war, da er sich mehr auf ausgewogene Linien konzentrierte - ein Fall, in dem ich jetzt glaube, dass Groundlifts Sinn machen können. Aber es gibt definitiv viele Missverständnisse und schlechte Erklärungen da draußen. Ich habe die Frage bearbeitet, um sie etwas abzuschwächen. - Aber siehe meine Antwort, ich glaube, dass das Internet Recht hat, dass Bodenaufzüge in einigen Szenarien nützlich sein können, aber einige Missverständnisse darüber verbreitet wurden, warum sie nützlich sind und wie sie funktionieren.
Dieser ePanorama.net- Link, den Sie bereitgestellt haben, hat einige wichtige Vorbehalte gemacht. Aber es enthielt immer noch ein paar Dinge, die ich jetzt für Missverständnisse halte. ZB impliziert es, dass das Einsetzen von Widerständen das Erdbrummen durch "Reduzieren des Stroms" behebt. Das ist nicht wahr. Der Strom ist nicht das Problem (außer in dem Maße, in dem er dazu führen kann, dass die Nennstromstärke der Erdungskabel überschritten wird). Was das Signal betrifft - Spannung ist das Problem. In den meisten Schaltungen wird durch Erhöhen eines Widerstands der Spannungsabfall erhöht , nicht verringert.
Ich habe mit vielen Geräten gearbeitet, die Ground-Lifts hatten, und kann mich an keinen einzigen Fall erinnern, in dem sie hilfreich waren. Die Lösung besteht immer darin , den Erdschluss zu beheben.
Haben Sie sich das sehr schöne Kapitel von Horowitz und Hill dazu angeschaut?
Ich habe Abschnitt 8.16 (Störungen, Abschirmung und Erdung) gelesen. Tolles Buch! Einige Beobachtungen: (a) Abb. 8.127 zeigt, dass ein differentieller Empfänger es ermöglicht, das empfangende Ende der Abschirmung problemlos zu erden - dies weicht jedoch von meiner Interpretation von "Ground Lift" in dieser Frage ab, da ich davon ausgegangen bin, dass es sich um eine vollständig getrennte Abschirmung handelt , anstatt es in einen differentiellen Empfänger zu leiten. (b) Abb. 8.131 zeigt ein ähnliches Szenario, aber auf der Sendeseite. Die Masseabschirmung am sendenden Ende ist immer noch verbunden, was sich von dem Fall unterscheidet, den ich analysiert habe.
Abschnitt 8.16.2 spricht von "Strömen, die ... durch eine Masseleitung fließen ... können ein Signal erzeugen", scheint eher von einer gemeinsamen Impedanzkopplung als von einer induzierten Erdschleife zu sprechen. Dieses Kapitel hat definitiv geholfen. Ich nehme weg, dass "Ground Lift" ein wenig mehrdeutig ist. Die Missverständnisse im Internet beruhen wahrscheinlich auf ein paar schlechten Diagrammen, die mit Single-Ended-Empfängern herumschwirren, bei denen die Abschirmungen vollständig getrennt sind (was ich für die Zwecke dieser Frage mit "Ground Lift" gemeint habe).
Also "Ground Lift" an sich ist nicht wirklich das, womit ich ein Problem habe. Es ist die online dargestellte spezifische Form des "Ground Lift" und die schlechte Argumentation dahinter (zB "es stoppt den Stromfluss, also kein Rauschen!!!").

Antworten (4)

Hinweis: Wenn ich den Begriff "Ground Lift" verwende, beziehe ich mich darauf, wenn die Masse eines Endes eines Signalkabels getrennt ist. Der Begriff gilt auch für andere Szenarien, wie z. B. einen Ground-Lift-Schalter, der die Primär- und Sekundärwicklungen eines Trenntransformators oder anderer Arten von Isolatoren isoliert, oder einen (wahrscheinlich gefährlichen) Cheater-Stecker .

Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass meine Analyse angesichts der Annahmen richtig war. Ich konnte die Kernvorhersagen meiner Analyse in einem Experiment reproduzieren (siehe meine Beschreibung dazu hier ), was darauf hindeuten würde, dass die Annahmen (zumindest in meinem Fall) ziemlich genau sind.

Was manche falsch machen

Erdschleifenrauschen durch elektromagnetische Induktion steht nicht unbedingt im Zusammenhang mit dem Strom. Elektromagnetische Induktion bedeutet, dass es effektiv parasitäre Spannungsquellen über der Signalleitung, der Erdungsabschirmung und der Erdungsverdrahtung gibt. Auch wenn kein Strom fließt, erzeugen diese dennoch Spannungsunterschiede.

In den meisten Schaltungen erhöht das Erhöhen eines Widerstands den Spannungsabfall darüber, obwohl der Strom abfällt (das einfachste Beispiel ist ein Spannungsteiler - dies kann mit Thevenins Theorem auf andere Schaltungen ausgedehnt werden ). Ändern des Widerstands von Teilen der Erdschleife (z. B. durch Einfügen 10 Ω Widerstand, oder machen seinen Widerstand ∞ durch Unterbrechung der Abschirmung) ändert lediglich die Verteilung der Rauschspannungen, entfernt sie jedoch nicht.

Groundlifts mit Single-Ended-Anschlüssen

Das Anwenden eines Ground-Lift auf einen Kabelschirm ist wie das Erhöhen des Schirmwiderstands auf unendlich. Es bewirkt, dass der gesamte Rauschabfall über diese Lücke auftritt, wodurch die Masse an beiden Enden bei völlig unterschiedlichen Spannungen schweben kann, was dazu führt, dass viel Rauschen über die Leitung hinzugefügt wird. Es wird auch verhindern, dass Erdschleifenströme fließen.

Ob dies dazu führt, dass sich das am Empfänger gesehene Rauschen insgesamt verbessert, hängt davon ab, woher der größte Teil des Rauschens ursprünglich kam. Wenn das Rauschen hauptsächlich von der Spannung über der Abschirmung herrührt, wird es noch schlimmer. Andererseits, wenn das Rauschen hauptsächlich auf die Erzeugung von Erdschleifenströmen zurückzuführen ist ICH R innerhalb empfindlicher Signalschaltkreise im Sender oder Empfänger abfällt, dann wird es besser. Ich vermute, dass ersteres wahrscheinlicher ist, da Sie letzteres mit einem guten Schaltungsdesign vermeiden können, indem Sie sicherstellen, dass die Signalerde nicht in den Pfad von Erdschleifenströmen gelegt wird (und dies würde tendenziell größere Leiterbahnwiderstände, Schaltungen mit hoher Verstärkung oder niedrige Signalpegel). Diese parasitären ICH R Drops wären auch Probleme für symmetrische Leitungen.

Allerdings auch wenn intern ICH R Tropfen waren der dominierende Faktor, ein Ground Lift konnte das Rauschen niemals vollständig unterdrücken, da das Öffnen der Erdungsabschirmung die Rauschspannungen direkt in Reihe mit dem Signal setzt (unter Bezugnahme auf die Symbole in meiner Frage: v S wäre direkt in Reihe mit v N - so dass der Groundlift zu einem SNR von führt v S / v N ).

Bodenaufzüge mit anderen Anschlüssen

Wenn ein Signalkabel das Erdungsrauschen über die Leitung als Gleichtaktsignal unterdrücken kann (z. B. symmetrische Leitung, die in einen Differentialempfänger eingespeist wird) oder wenn das Rauschen aus einem anderen Grund toleriert werden kann, dann Heben Sie die Erdung eines Kabels an Abschirmung wird die Dinge insgesamt verbessern, da Erdströme gestoppt werden (wodurch unerwünschte Spannungsabfälle an anderer Stelle verhindert werden), während Probleme durch Rauschspannungen über der getrennten Abschirmung vermieden werden.

Aktuelle Bewertungen

Ein weiteres Problem bei induzierten Erdströmen besteht darin, dass es verhindert, dass Schleifenströme durch Erdleiter zirkulieren, die möglicherweise nicht für diese Ströme ausgelegt sind (ich weiß in der Praxis nicht, wie oft Erdströme so groß sein können, und habe nur davon gehört, dass es sich um eine Theorie handelt Ausgabe von anderen Personen).

Kopplung mit gemeinsamer Impedanz

Der Begriff „Erdungsschleife“ wird manchmal verwendet, um sich auf Probleme zu beziehen, bei denen eine Kopplung mit gemeinsamer Impedanz durch Netzerdleiter zu unerwünschten Spannungsabfällen zwischen der Netzmasse zweier Geräte führt, da mehrere Geräte Strom durch einen gemeinsamen Erdungswiderstand ziehen. Dadurch werden die Geräte gekoppelt: Strom, der von einem Gerät aufgenommen wird, wird als Spannungsverschiebung in der Erde eines anderen Geräts angesehen. Dies ist ein anderes Phänomen als das, was in der Frage diskutiert wurde.

In diesem Fall liegt die Erdungsabschirmung parallel zum Rest der Erdungsverdrahtung und trägt dazu bei, den Gesamtwiderstand zwischen den beiden Erdungen zu verringern, was zu einem geringeren Spannungsabfall führt (trotz eines etwas höheren Stroms). In diesem Fall wird das Öffnen der Erdungsabschirmung diesen Spannungsabfall vergrößern und höchstwahrscheinlich die Gesamtleistung verschlechtern (es sei denn, wie zuvor waren parasitäre Abfälle innerhalb der Signalschaltung dominanter). Erdströme von einem anderen Gerät, die die Nennwerte der Erdungsabschirmung überschreiten, sind möglich, aber ein anderes Problem als Rauschen.

Abschluss

Ground Lifts haben eine begrenzte Wirksamkeit, wenn sie auf den Boden von Single-Ended-Leitungen angewendet werden, und werden das Rauschen höchstwahrscheinlich verschlimmern. Selbst wenn sie das Rauschen verbessern können, sind sie in ihrer Wirksamkeit begrenzt. Sie sind viel sinnvoller für symmetrische Leitungen (in diesem Fall ist ein Ground-Lift auf der Empfängerseite vorzuziehen, um die Filterung aufgrund der Leitungskapazität zu minimieren - wie von Handbook for Sound Engineers, 4. Aufl. vorgeschlagen ).

Wenn das Rauschen über die Leitung der dominierende Faktor ist (und nicht intern ICH R sinkt), verschlechtert ein Ground Lift das Rauschen und eine Verringerung des Widerstands der Erdungsabschirmung verbessert das Rauschen. Dies ist jedoch in der Praxis auch von begrenzter Wirksamkeit, da es schwierig wäre, ein Kabel mit einem Schirmwiderstand zu bekommen, der deutlich unter dem Widerstand der Netzleitung liegt (Begrenzung der Rauschdämpfung auf ~ 6 dB gemäß den Formeln, die ich in meiner Frage abgeleitet habe). Es hat auch den Nachteil, dass der Schleifenstrom erhöht wird, was potenziell problematische Spannungsabfälle an anderer Stelle erhöht. Schlussfolgern:

Das Anheben der Masse an einem Ende eines unsymmetrischen Kabels verschlimmert das Rauschen über dieses Kabel - es kann Rauschen in anderen Leitungen verhindern und das Rauschen insgesamt verbessern, wenn es parasitär ist ICH R an anderer Stelle waren die Einbrüche dominanter, aber das gesamte Schleifenrauschen wird immer noch über dieses Kabel erscheinen, was ein unsymmetrisches Kabel nicht unterdrücken kann.

IMO Ground Lift und andere zwielichtige Schaltkreise, die von Leuten verwendet werden, die mit EMI nicht allzu vertraut sind, sind alle schrecklich. dieser ganze Sektor und seine Internetabteilung sind voll von Märchen und nicht reproduzierbaren Voodoo-Ratschlägen.
"Wie oft sind induzierte Erdströme so groß?" Wenn sich die beiden Steckdosen in verschiedenen Gebäuden befinden und / oder unabhängig voneinander geerdet sind, kann es zu einem Potentialunterschied kommen, und die Abschirmung würde aufgrund von Ausgleichsströmen oder großen statischen Entladungen zu einer Brand- oder Stromschlaggefahr.
Es besteht nur Brandgefahr, wenn die Stromstärken überschritten werden. Die meisten Drähte sind so ausgelegt, dass sie zumindest eine gewisse Stromstärke führen. Ich bin nur neugierig, wie oft diese Strömungen groß genug sind, um dieses Risiko in der Praxis darzustellen, oder ob es sich nur um ein rein theoretisches Risiko handelt. Es ist eine Frage der Zahlen. Für statische Entladungen - okay, aber ich bin mir nicht sicher, warum dies unbedingt etwas mit Erdschleifen im Gegensatz zu Erdungskabeln oder Kabeln im Allgemeinen zu tun hat. ESD ist ein elektrostatisches Phänomen, das keine Rolle spielt E in Schleifen laufen.

RICHTIG

"Professionelle Audiogeräte, die für die Verwendung mit symmetrischen Leitungen vorgesehen sind, können einen Ground-Lift-Schalter für die Kabelabschirmung haben." Siehe Groundlift

Beispiel:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
(Bildquelle: Audio Science Review )

Und

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
(Bildquelle: Shure )

Und

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
(Bildquelle: ProSoundWeb )

Das Diagramm auf der anderen Wikipedia-Seite, auf die Sie verweisen, Common_ground_loops , ist falsch.

Dies ist keine ausgewogene Linie:

FALSCH

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
(Bildquelle: Wikipedia - Masseschleife (Strom) )

Und wie Sie in Experimenten analysiert und bestätigt haben, reduziert es das induzierte Rauschen nicht. Vielleicht ist dies Ihre Chance, eine nützliche und fundierte Wikipedia-Bearbeitung vorzunehmen.

Seltsamerweise ist, wie Sie betonen, das falsche Diagramm, das einen Erdschluss in einer Single-Ended-Verbindung zeigt, im Internet weit verbreitet.

Lincoln hat es am besten ausgedrückt: " Heutzutage ist es in Amerika schwieriger als in irgendeiner anderen Epoche der Geschichte, die Wahrheit dessen zu überprüfen, was ein Mann im Internet liest " --- Abraham Lincoln

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Die Möglichkeit eines Ground Lifts besteht hauptsächlich in Verbindung mit einem Audio-Übertrager, typischerweise im Rahmen einer DI. Ohne Ground-Lift ist die Masse der unsymmetrischen Signalquelle mit der Masse des (typischerweise symmetrischen) Signalempfängers verbunden. Der Erdschleifenstrom jedes sich ändernden Magnetfelds kompensiert unter der Annahme eines Widerstands der Erdschleife von nahezu Null jede Änderung des Nettomagnetfeldflusses durch die Schleife, während er durch die Geräte selbst fließt und dort Sekundärspannungen induziert.

Wenn beide Instrumente (wie ein Keyboard und ein Mischpult oder Verstärker) bereits geerdet sind, kann das Potential eines symmetrischen oder unsymmetrischen Eingangs nicht auf für die Eingangsschaltung problematische Pegel schweben, sodass man die Masse sicher trennen kann.

Eine Alternative für einen Verstärker mit unsymmetrischem Eingang ist ein "Poor Man's Ground Lift", der Signalerde und Erde über die AC-Eingänge eines Hochspannungs-Hochstrom-Brückengleichrichters trennt, dessen DC-Ausgänge fest kurzgeschlossen sind, damit er dem Netzkurzschlussstrom standhält lang genug, um einen Leistungsschalter auszulösen.

Da der Brückengleichrichter mindestens 1,2 V benötigt, um zu leiten, funktioniert er normalerweise als Groundlift und verhindert dennoch Todesfälle.

Sie können auch einen "Brummunterbrechungs"-Widerstand (etwa 10 Ohm, klein genug, um einen GFCI-Unterbrecher auszulösen, der vorhanden sein muss ) in die Signalmasseleitung zur ersten Vorverstärkerstufe einfügen. Damit das auch wirklich hilft, muss die Bezugsmasse der ersten Eingangsstufe auf der Seite der Signalquelle liegen und nicht auf der Seite des Verstärkers. Auf diese Weise wird jegliches Eingangsbrummen, das sowohl Signal als auch Signalmasse gemeinsam ist, nicht von der ersten Eingangsstufe verstärkt. Es wird auch nicht eliminiert, ist aber im Vergleich zum verstärkten Signal nach der ersten Eingangsstufe deutlich weniger ausgeprägt.

Die meisten diskreten oder opAmp-implementierten Eingangsstufen lassen sich auf diese Weise vergleichsweise einfach modifizieren.

Diese Näherungen eines Ground Lifts für unsymmetrische Signale können dazu beitragen, einen Verstärker oder ähnliches robuster gegen Erdschleifenbrummen zu machen. Ein tatsächlich symmetrisches Signal/eine Verbindung in Kombination mit einem expliziten Ground-Lift, das redundante (Nicht-Signal-)Masseverbindungen trennt, ist vorzuziehen.

Ein Ground-Lift macht nur Sinn, wenn das ankommende Signal symmetrisch ist (trivialerweise bei Erzeugung mit einem Transformator, aber auch möglich, indem sowohl Signal- als auch Rücksignalspannungen über gleiche Widerstände geführt werden, selbst wenn die Rücksignalspannung nicht das invertierte Hauptsignal ist, sondern nur Signalmasse) und die Differenz zwischen Signal und Rückweg wird verstärkt.

In diesem Fall unterbricht es die Masseschleife, ohne die Differenz zwischen Signal und Signalrückgabe zu beeinflussen.

Können Sie den "Brummbruch" -Widerstand näher erläutern? Und was hat das mit GFCI zu tun? Vielleicht hilft eine kurze Skizze. Ich verfolge nicht, wo sich diese Widerstände befinden und wie es helfen könnte, mit "Eingangsbrummen" umzugehen.

Es ist eine unbestreitbare Tatsache, die vielen Benutzern von Audiogeräten bekannt ist, dass Netzfrequenzbrummen oder -brummen in einem Soundsystem in dem Moment auftreten kann, in dem eine Erdschleife erzeugt wird, und in dem Moment verschwinden kann, in dem die Erdschleife unterbrochen wird.

Der Effekt kann sowohl bei symmetrischen als auch bei unsymmetrischen Verbindungen auftreten.

Die obige Frage beschreibt ein Modell, bei dem Brummen oder Brummen NICHT durch Unterbrechen einer Masseschleife verbessert wird. Ein solches Modell hilft zu verstehen, warum eine nur einseitige Erdung eines Kabelschirms manchmal keine Besserung bringt, erklärt aber nicht, warum Ground Lifts manchmal funktionieren.

Ground Lifts können das Brummen oder Brummen der Netzfrequenz verbessern, wenn das Gerät, an das das abgeschirmte Kabel angeschlossen ist, entweder aus Versehen oder aufgrund von Denkfehlern oder sogar absichtlich nicht dafür ausgelegt ist, Erdstrom richtig zu handhaben.

Der Designer hat möglicherweise angenommen, dass es in der Verantwortung des Endbenutzers liegt, Masseschleifen zu vermeiden oder zu unterbrechen. Oder ein Konstrukteur hat möglicherweise die Konsequenzen seiner oder ihrer Designentscheidungen in Bezug auf das durch Erdschleifen verursachte Rauschen nicht verstanden. Aber, warum auch immer die Ausstattung

  1. Hat eine nicht unerhebliche Impedanz zwischen der Kabelabschirmung und der Schutzerde des Netzes und
  2. Die über dieser Impedanz durch Masseschleifenstrom entwickelte Spannung wird an die Schaltung gekoppelt und zusammen mit dem gewünschten Signal verstärkt.

Geräte können auf solche Bedingungen getestet werden, indem ein Strom mit Netzfrequenz (aber nicht Netzspannung!) zwischen dem Kabelschirmanschluss und dem Schutzerdungsanschluss angelegt wird. Wenn dies ein Brummen oder Brummen im Ausgang erzeugt, gibt es zwischen diesen Punkten eine nicht triviale Impedanz, und ein Teil der an dieser Impedanz entwickelten Spannung wird mit dem Signal gekoppelt und verstärkt.

Eine „schnelle Lösung“ für Brummen und Summen in solchen Geräten besteht darin, die Masseschleife mit einem Ground-Lift-Schalter zu unterbrechen. Alternativ kann die Masseschleife durch die Verwendung eines Transformators oder einer anderen galvanischen Isolationstechnik unterbrochen werden. Die vielleicht beste Lösung besteht jedoch darin, das Gerät zu befestigen, indem ein Draht mit ausreichend niedrigem Widerstand vom Schirmstift des Steckers direkt an die Sicherheitserdungsverbindung innerhalb des Geräts gelötet wird, wobei alle Verstärkerschaltungen umgangen werden.

Beachten Sie, dass moderne PCB-Designpraktiken, wie z. B. die Verwendung von Masseebenen, dazu neigen, solche Situationen von vornherein zu verhindern.

Bearbeiten: Ich füge ein Beispiel für ein Modell eines Systems mit einem unsymmetrischen Signal und einer Erdschleife hinzu, die von einem Ground-Lift profitiert.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Das folgende zeigt das Verhalten der Schaltung.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der erste Teil der Ausgabe erfolgt bei geöffnetem Ground-Lift-Schalter und der zweite Teil bei geschlossenem Ground-Lift-Schalter. Wie man sieht, kommt der Ground-Lift-Schalter dem Signal-Rausch-Verhältnis ziemlich zugute. Das Modell berücksichtigt nicht die Drahtwiderstände in der Signalleitung oder in der Masseschleife (außer zwischen dem Potentiometer "Masse" und der Verstärkermasse). Dadurch ist der Masseschleifenstrom nicht realistisch. Dies wird getan Stellen Sie das Problem in einem Diagramm des Ausgangssignals dar. Ein Signal-Rausch-Verhältnis von beispielsweise 40 dB wird für das Ohr wahrnehmbar sein, während es in einem linearen Diagramm der Kombination von Signal und Rauschen kaum wahrnehmbar wäre mit der Zeit.

Das Modell kann korrigiert werden, um den Widerstand in der Kabelabschirmung und auch den Widerstand in der Netzerdleitung einzubeziehen. Dieser Widerstand kann das S/N-Verhältnis deutlich verbessern. Ebenso verbessert ein Ground-Lift-Widerstand zwischen der Kabelabschirmung und der „Masse“ des Potentiometers das S/N-Verhältnis.

Obwohl eine realistischere Gestaltung des Modells (normalerweise) das S/N-Verhältnis verbessert, bleibt das Prinzip bestehen. Der Erdstrom in diesem speziellen Empfangsgerät wirkt sich negativ auf das Signal-Rausch-Verhältnis aus und unterbricht die Erdschleife mit einem Ground-Lift-Schalter, der die Verbindung trennt Kabelschirm oder das Hinzufügen eines Widerstands in Reihe mit dem Kabelschirm verbessert das S/N-Verhältnis.

Ich stimme zu, dass Bodenaufzüge manchmal das Rauschen reduzieren, und meine Analyse (lesen Sie meine aktualisierte Antwort) erklärt dies. Ich bin jedoch nicht der Meinung, dass es das Rauschen reduziert, wenn es für unsymmetrische Kabel verwendet wird. "Es ist eine unbestreitbare Tatsache, die vielen Benutzern von Audiogeräten bekannt ist ... symmetrische oder unsymmetrische Verbindungen" - ich denke, diese Leute liegen falsch. Die meisten sind keine Elektroingenieure, und selbst diejenigen, von denen ich vermute, dass sie nicht zu viel darüber nachgedacht haben, nehmen das, was das Internet sagt, als selbstverständlich hin. Sie haben wahrscheinlich festgestellt, dass sie an einem symmetrischen Kabel oder an der Netzerde arbeiten (Sicherheit beiseite) und dies auf unsymmetrische Kabel extrapoliert.
Wenn Sie den Kabelschirm brechen, setzen Sie den Empfänger der vollen Rauschspannung aus, wie in meiner Analyse gezeigt und durch mein Experiment bestätigt wurde. Diese Spannung kommt nicht von einem IR-Abfall, sondern vom Faradayschen Gesetz.
"Hat eine nicht triviale Impedanz zwischen der Kabelabschirmung ..." Wenn diese Impedanz, auf die Sie sich beziehen, direkt in Reihe mit der Kabelabschirmung liegt, stimme ich voll und ganz zu, und das zeigt meine Analyse. Höhere Impedanz des Kabelschirms = schlechter. Ein Ground Lift auf einem Signalkabelschirm macht diese Impedanz unendlich. "Die über dieser Impedanz entwickelte Spannung ... wird an die Schaltung gekoppelt und verstärkt ..." Sie benötigen hier ein Diagramm, um zu veranschaulichen, über welche Impedanzen und Spannungen Sie sprechen.
Der Stromfluss ist schlecht, wenn die Nennströme der Erdungskabel überschritten werden und das Kabel durchbrennt. Ich habe jedoch keine Hinweise darauf gesehen, dass eine Erdschleife ausreichend große Ströme erzeugt, die dies verursachen, und ich vermute, dass dies zumindest selten vorkommt. Was jedoch das vom Empfänger gesehene Rauschen betrifft, ist die Spannung das Problem. Bei den meisten Schaltungen (mit Ausnahme einiger exotischerer Ausnahmen) erhöht sich der Spannungsabfall, wenn Sie einen Widerstand erhöhen , obwohl der Strom abnimmt . Betrachten Sie beispielsweise einen Spannungsteiler. Sie können dies auf kompliziertere Schaltungen verallgemeinern.
Beachten Sie, dass ich voll und ganz zustimme, dass hohe Impedanzen in der Erdungsverkabelung Probleme aufgrund von IR-Abfällen verursachen können. Dies wird als gemeinsame Impedanzkopplung bezeichnet. Einige Leute bezeichnen diese auch als Erdschleifen, aber es ist eigentlich ein völlig anderes Phänomen als die von mir diskutierten "induktiven" Erdschleifen. Aber selbst in diesen Fällen machen Sie die Dinge nicht besser, indem Sie eine Erdungsabschirmung unterbrechen - dies erhöht nur die Impedanz zwischen zwei Erdungspunkten ... Nur weil kein Strom mehr über eine offene Erdungsabschirmung fließen kann, heißt das nicht es gibt keinen Spannungsabfall darüber
Tatsächlich könnte ein Ground Lift sogar in einem unsymmetrischen Kabel funktionieren, indem es Erdschleifenrauschen in anderen Kabeln, die die Schleife bilden, verhindert. Das einzige Problem wäre, dass das unsymmetrische Kabel mit dem Groundlift all dieses Rauschen für sich selbst absorbiert hätte. Wenn dieses Rauschen irgendwie kein Problem ist (z. B. vielleicht weniger ein Problem für digitale Signale ...), dann "funktioniert" der Ground Lift vermutlich in diesem Fall, aber nur, weil er das Rauschen irgendwo hin umverteilt, wo es ist. Dies ist kein so großes Problem, nicht weil es das Rauschen entfernt hat (die induzierten elektrischen Felder zirkulieren immer noch um die Schleife!)
Ich habe ein Beispiel hinzugefügt, bei dem eine Schaltung, die ein Single-Ended-Signal empfängt, von einem Ground-Lift profitiert. Es würde auch von einem höheren Schildwiderstand profitieren. Oder ein Ground-Lift-Widerstand zwischen Abschirmung und Empfängermasse. Die Werte sind etwas übertrieben, um den Punkt grafisch sichtbar zu machen. Leider ist ein Brummen bei einem Signal mit einem S/N-Verhältnis von 40 dB für das Ohr ziemlich wahrnehmbar, aber bei einem linearen Signalverlauf nicht sichtbar wahrnehmbar. Reduzieren Sie den Masseschleifenstrom auf realistischere Werte und Sie werden das Summen nicht sehen , aber Sie werden es hören.
Die Ausgangsspannung, die Sie in dieser Simulation messen, ist nicht die Spannung, die der Empfänger lesen würde (was die durch die Potentiometereinstellung herunterskalierte Zweigspannung über dem 10k-Pot wäre). Stattdessen messen Sie die Knotenspannung in Bezug auf einen anderen Punkt in der Schaltung, den Sie als Masse bezeichnet haben. Um die Empfängerspannung korrekt zu messen, sollte das Erdungssymbol an der Basis des 10k-Pots platziert werden, sodass die Knotenspannung gleich der zu messenden Zweigspannung ist.
@hddh Ich denke, du verfehlst den Punkt. Der Punkt ist, dass der Erdschleifenstrom im Empfänger Rauschen verursacht und der Ground Lift dieses Rauschen verbessert. Daher ist Ihre Schlussfolgerung, dass Ground-Lift-Schalter nicht funktionieren, falsch. Sie funktionieren in einigen Fällen nicht, aber in anderen, abhängig von der beteiligten Ausrüstung.
In Ihrem Beispiel verursacht der geschlossene Ground-Lift-Schalter kein Rauschen im Empfänger. Es verursacht Rauschen in einer zufälligen Knotenspannung, die keine physikalische Bedeutung hat, da die Rauschspannung und der Erdungswiderstand tatsächlich verteilte Elemente sind, sodass die Erdungsreferenz im geposteten Beispiel nichts physikalisch Bedeutungsvollem entspricht. Ihre Schaltung erzeugt das gegenteilige Ergebnis, wenn Sie die Empfängerzweigspannung messen. Außerdem, wenn Sie meine Antwort lesen (die ich kürzlich aktualisiert habe), komme ich sowieso nie zu diesem Schluss.
Der Titel Ihrer Frage lautet: „Warum zeigt die Analyse, dass Ground Lifts keine Erdschleifen reparieren?“. Sie gaben an, dass Sie "nicht einverstanden sind, dass es das Rauschen reduziert, wenn es für unsymmetrische Kabel verwendet wird". Und Sie behaupten, dass "der Massebezug im geposteten Beispiel nichts physikalisch Sinnvolles entspricht". Aber jemand, der sich die Ausgabe dieses Geräts anhört, wird definitiv den Unterschied im S/N-Verhältnis zwischen geöffnetem und geschlossenem Ground-Lift-Schalter bemerken. Die Masse in der Schaltung ist die Referenz, mit der der Ausgang des Operationsverstärkers gepaart ist. Nicht sicher, ob Sie es bekommen.
Mir war nicht klar, was Ihr 10-mOhm-Widerstand darstellt - und es ist wichtig. Sicher, Sie können eine beliebige Schaltung konstruieren, aber wenn sie nicht einem Erdschleifenszenario entspricht, dem Sie wahrscheinlich im wirklichen Leben begegnen, zeigt sie nicht wirklich etwas. Wenn sich Ihr 10-mOhm-Widerstand auf den parasitären Widerstand der Erdungsleitung beziehen soll, hat die von Ihnen gemessene Spannung keine physikalische Relevanz. Ein Operationsverstärker im Empfänger könnte niemals auf diesen Punkt verwiesen werden.
Wenn Ihr 10-mOhm-Widerstand einen parasitären Spurenwiderstand im Gerät darstellt, dann ist das in Ordnung, das ist ein gültiger Punkt. Ich hatte dies bereits etwas in meiner Antwort unter dem Abschnitt "Sonstige Probleme aufgrund von Strom" erörtert. Also ja, es ist technisch möglich, einen Ground-Lift-Schalter zu öffnen, um das SNR zu verbessern. Ein paar Punkte dazu:
(a) Die tatsächlichen Widerstände, die in der Praxis vorhanden wären, bedeuten, dass Sie wahrscheinlich keinen großen Nutzen aus dem Öffnen des Schilds ziehen werden. In Ihrem Fall besteht der parasitäre Leiterbahnwiderstand zu 100% aus der Impedanz um die Erdschleife, was sehr unrealistisch ist. Wenn Sie anfangen, andere Widerstände um die Schleife herum hinzuzufügen, wird es viel weniger effektiv. Selbst eine 50-mOhm-Erdungsabschirmung und eine 50-mOhm-Erdungsverdrahtung bringen bei K=0,05 keinen großen Nutzen. Bei K=1 wird es schlimmer, wenn Sie es öffnen (der Schalter müsste also umgelegt werden, wenn Sie die Lautstärke ändern, um das optimale SNR zu erhalten!).
(b) Das Öffnen des Masseschalters kann das SNR niemals über Vs/Vn hinaus verbessern (da das Rauschen vollständig in Reihe mit dem Signal liegt). Selbst wenn also die Zahlen genau richtig sind, um das SNR zu verbessern, ist es nicht wirklich die beste Lösung. Die Änderung des SNR in Ihrem Beispiel war sehr dramatisch, weil der Pot so niedrig eingestellt war. Selbst bei halber Lautstärke bekommt man kaum einen Nutzen. Bei voller Lautstärke mit nur 50 mOhm Erdungskabel und 50 mOhm Abschirmung (dh Leiterbahn beträgt 9 % des gesamten Erdungsschleifenwiderstands) wird es schlimmer, wenn Sie es öffnen.
Ich sage nicht einmal, dass es besser ist, die Erdungsabschirmung anzuschließen. In meiner Antwort sagte ich, dass "eine Abschirmung mit niedrigerer Impedanz besser sei", aber in der Praxis wäre es schwierig, die Abschirmungsimpedanz weit unter die Impedanz der Erdungskabel zu bringen, wodurch die Dämpfung von Rauschen auf etwa 6 dB begrenzt würde (und dies entspricht auch meinem Experiment). Die Schlussfolgerung ist also wirklich, dass rohe Single-Ended-Kabel dafür einfach nicht sehr gut geeignet sind. Ground Lifts an ihnen könnten das SNR verbessern, aber sie machen es wahrscheinlich schlechter, und selbst wenn sie funktionieren, haben sie eine begrenzte Wirksamkeit. Andere Lösungen sind besser.
Wenn ich Zeit habe, werde ich meine Antwort aktualisieren, um diese Dinge deutlicher zu machen. Vielleicht formuliere ich mein Fazit etwas um.
Und aufgrund der Erdschleifeninduktivität gibt es, selbst wenn das Öffnen des Schalters das SNR bei niedrigeren Frequenzen verbessert, einen Übergangspunkt bei einer höheren Frequenz, nach dem das SNR durch Öffnen des Schalters verschlechtert wird. Ich weiß jedoch nicht, ob die Induktivität der Erdschleife groß genug ist, damit dieser Übergangspunkt im hörbaren Bereich liegt.
Warum zeigt die Analyse, dass Ground-Lifts keine Erdschleifen reparieren?
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