Földelés I.
Elég sok félreértés, hibás elképzelés a házi építésű készülékek, áramkörök a földelésének kialakításával kapcsolatban. Bonyolítja a helyzetet a nem föltétlenül egyértelmű szakmai szóhasználat, amely a föld/földelés szóval illeti az áramkör belső viszonyítási pontotját - jel föld értelmű - illetve a Föld potenciálján lévő - védő föld értelmű- pontokat. Az alábbiakban a "Designing Valve Preamps for Guitar and Bass" című könyv a földeléssel foglalkozó 15. fejezétnek magyarítása olvasható az eredeti ábrákkal. Az eredeti itt
15. fejezet: Földelés
A "föld" kifejezés közös „referencia csomópontra” utal, amelyen az áramkör összes része osztozik.
15.1 ábra Rajzjelek
A könyvben szereplő összes áramkörnél (és a legtöbb másnál) a földelés potenciálját tekintjük nulla voltnak, és 15.1. ábrán látható áramkör szimbólumok egyike jelöli. A négy rajzjel többé-kevésbé felcserélhető, bár az "a." rendszerint a közvetlenül a a készülék fémházához, vagy a hálózati védőföldeléshez való csatlakozás számára van fenntartva. Ezek közül a szimbólumok közül akár több is szerepelhet egy kapcsolási rajzon, de a végső soron ezek mindegyike egymással összekapcsolt elemeket jelöl. Egy áramkör fizikai megépítésekor azonban fontos, hogy megfelelő fizikai elrendezésű földelési rendszert alkalmazzunk, különösen az előerősítőben. Tilos véletlenszerű elrendezésben összekötni az összes földelővezetéket egymással, még akkor is, ha papíron úgy tűnhet, hogy minden földpont egyforma. Ez nem igaz! Nem egyformák!
Jó kiindulási alapelvek:
- Minimalizálni a soros impedanciát a jelföldelésben
- Kerülni a földhurkokat
- Megakadályozni, hogy „zajos” földáramok folyjanak csendes jelföldeken
A "földeléssel" kapcsolatos zűrzavar valószínűleg akkor kezdődik, amikor elkezdünk elektronikát tanulni. A tanulást értelemszerűen nagyon egyszerű áramkörökkel kezdjük. Annyira egyszerűekkel, hogy a földelés nem jelent gondot. Bármelyik fizikai ponthoz csatlakoztathatjuk a földelést, fémdarabhoz vagy vezetékhez, és amíg ezek mindegyike össze van kötve, addig az áramkör teljesen kielégítően működik. Ezért nem vesződünk azzal, hogy a földelésről gondolkodjunk vagy tanuljunk addig, amíg rossz szokásokat nem alakítunk ki, hogy aztán amikor továbblépünk a fejlettebb földelések felé...A nagy erősítésű áramkörökben hirtelen fontossá válnak. A rossz szokások kialakulásának kedvez az is, hogy látjuk a kapcsolási rajzokon a földelés rajzjeléhez kapcsolódó alkatrészeket. Ez rendezett kapcsolási rajzot eredményez, de könnyű elfelejteni, hogy az áram zárt hurokban - áramkör - folyik, tehát ha áramkörről beszélünk, akkor az azt is jelenti, hogy áramnak valahogyan újra vissza kell találnia a földön keresztül a forrása vagy generátora felé. A föld tehát „az áramkör másik fele”, és nem valami elektromos fekete lyuk, amelyben az áram eltűnik, és soha többé nem kerül elő bármennyire is ezt sugallják a rajzok.
A elektroncsöves erősítők még a legjobbak is viszonylag zajosak, amiben a rossz földelés komoly szerepet játszik, még sok gyári erősítőben is. Néha nehéz a gyakorlatilag ideális alapelvek követése, és mindig megvan a kísértés arra, hogy valamit a legközelebbi földelővezetékhez vagy házhoz csatlakoztassunk remélve a legjobbakat. Néha megússzuk ezt, különösen kicsiben, alacsony erősítésű erősítőkben, de ennek a könyvnek az olvasói valószínűleg túl vannak ezen a szinten és szeretnék rendesen csinálni a dolgokat. A földelés mögött rejlő alapelvek egyszerűek és egyértelműnek tűnhetnek, de azokat az olvasókat, akik csak a feszültségekre gondolnak az áramkörökben (egy másik rossz megszokás) figyelmeztetni kell, hogy el kell kezdeniük áramokban gondolkodni, amikor arra szükség van. Azt is érdemes megjegyezni, hogy az analóg audio áramkörök földelése során betartandó szabályok nem mindig azonosak a nagyfrekvenciás illetve a digitális áramköröknél használtakkal, ezért az olvasónak ügyelnie kell arra, hogy milyen tankönyvekhez fordul tanácsokért.
15.1: Biztonsági Védőföld
A legtöbb gitár erősítő fém házba van beépítve. Még ha fadobozban is van, akkor is lehetséges, hogy a felhasználó valamilyen módon hozzáérjen a fémhez, a rögzítő csavarokon keresztül, vagy csövek cseréjekor, stb. Így a készülék biztonságos működtetése érdekében teljesen lehetetlenné kell tenni, hogy a fémvázon (és bármi máson, amihez a felhasználó hozzáérhet) hálózati feszültség legyen. Ezt úgy érik el, hogy a fémvázat fizikailag összekötik a Föld bolygóval a hálózati földelő vezetéken keresztül. Miután az alváz földelve lesz, ugyanazon a potenciálon lesz, mint az azt használó személy, így ha bármilyen feszültség alatt álló vezeték hozzáérne a házhoz, az azonnal rövidre zárja a földeléssel, és nem tudja megrázni a felhasználót, függetlenül attól, hogy az olvadóbiztosító kiolvadt, vagy sem.
15.2. ábra Védőföld bekötése
Ahol a hálózati kábel belép a készülékbe - általában egy IEC aljzaton keresztül - egy vastag vezetéket kell forrasztani a földelő fülhöz (ne használjon sarus csatlakozót), majd a házhoz egy forrasztott sarun keresztül kell csatlakoztatni a 15.2. ábrán látható módon. A ház/alváz felületének fém tisztának kell lennie, csiszolópapírral kell azt megtisztítani, a jó elektromos kapcsolat biztosítása érdekében. A vezetéknek rövidnek kell lennie, és ugyanolyan szín összeállítású legyen, mint a helyi elektromos hálózatban használt, ami zöld-sárga csíkos Európában, illetve zöld az USA-ban. Amikor ez a vezeték a házhoz/alvázhoz van csavarozva, azt védő földelésnek nevezik, és egy csak erre a célra használt csavart kell használni, nem pedig egy olyat, amelyik valamilyen más alkatrészt rögzít, illetve amely idővel meglazulhat. Önzáró anyát, vagy rázkódásbiztos csillag alátétet kell használni, két rendes - kontra- anyával, jól meghúzva a kötést. Ez a vezeték a legfontosabb csatlakozás az erősítőben, megléte jogilag kötelező, és sérülésmentesnek kell lennie. Ez a védő földelő kapcsolat csak a biztonságot szolgálja, az áramkör működésében nem játszik szerepet, áram nem folyik benne, csak hiba esetén. A készülékház részének tekinthető. Bár a "föld" és a "földelés" kifejezéseket gyakran felcserélhetően használják, az erősítő áramkör földelésének nem feltétlenül kell a Föld bolygóhoz kapcsolódnia. Az egész erősítő áramkört lehet a fémvázon belül "lebegő" áramkörként is felépíteni, anélkül, hogy az a házhoz/alvázhoz kapcsolódna . A gyakorlatban azonban az áramkört az alvázhoz/készülék házához csatlakoztatják, amivel biztosítható, hogy az erősítő üzemi feszültségeit a megszokott nulla volthoz lehessen viszonyítani, és hogy a ház árnyékolja a külső elektromos tereket. Ha elfogadjuk, hogy az áramkörünk egy biztonságosan földelt fémdobozban létezik, akkor elfelejthetjük a házat/alvázat. Egyelőre legalábbis
15.2: Földhurkok
Földhurok jön létre, ha két vagy több földelt áramköri csomópont van és azokat egynél több út köti össze. Ez a gondatlan elrendezés miatt fordulhat elő, véletlen vagy váratlan földelés, vagy ha két vagy több készülék van össze kötve (lásd 15.9. szakasz). A vintage erősítők gyakran véletlenül hoznak létre földhurkokat szigeteletlen jack aljzataikkal, a potenciométerek árnyékolásának a házhoz forrasztásával, vagy azzal, hogy a házat többé-kevésbé „véletlenszerű földként” használják. Sok erősítőben megúszták ezt durva búgás nélkül, de ez mindenképp rossz mérnöki gyakorlat bármennyire is kényelmesnek tűnik. A földhurok akkor válik problémássá, ha nem kívánt zajáram folyik benne. Ez kétféleképpen fordulhat elő:
- A transzformátorok és a nagy áramú áramkörök által keltett váltakozó mágneses mezők. a Faraday-törvény szerint EMF-et indukálnak a hurokban. Ez viszont zajáramot hoz létre a hurokban.
- A zajos tápegység, vagy a teljesítményerősítő földáramai alternatív visszatérési utat találhatnak a hurkon keresztül (lásd a 15.9. szakaszt).
- Ha egyszer egy "zajos" áram a földhurok körül áramlik, akkor kétféleképpen okozhat búgást:
- Zajfeszültségek jönnek létre az elkerülhetetlen soros impedanciákon keresztül a hurokban, amelyek közvetlenül hozzáadódhatnak a jelfeszültséghez.
- Az áram a közeli jel vezetékekben zajt - EMF - indukál a kölcsönös induktivitás, vagy más szóval transzformátor hatás révén.
A mágneses indukció okozta zavarás csökkenthető, vagy kiküszöbölhető a hurok fölvágásával, a hurok területének csökkentésével, illetve a hurok áthelyezésével. A hurkon áthaladó mágneses fluxus csökkenthető azzal, hogy egyszerűen csak távolabb helyezzük el a hurkot a mágneses mező forrásától. A transzformátor működéséből adódó interferencia akkor keletkezik amikor egy földhurok vezeték és egy jel vezeték párhuzamosan és egymáshoz közel fut, így kölcsönös induktivitás alakul ki közöttük, mint például egy árnyékolt kábelben. Ez csökkenthető vagy kiküszöbölhető úgy, hogy a földeléssel az árnyékolást csak az egyik végén kötjük össze (a hurok megszakítása), soros ellenállás hozzáadásával a hurokhoz, csökkentve földhurok áramát, illetve szimmetrikus áramkörök használatával, ezzel csökkentve a búgást okozó jeleket, amint az a stúdiótechnikában megszokott.
15.3. ábra: a: Egyszerű áramkör, amely a készülékház és az árnyékoló harisnya által létrejött földhurok. b: A földhurok megszűnik az harisnya egyik végének házról való leválasztásával. c: Ideális helyzet amikor teljesen különálló és független árnyékolást használ az áramkör.
A 15.3. ábra egy speciális esetet mutat be, amely gyakran előfordul az elektroncsöves erősítőknél. Az a. részlet egy egyszerű bemeneti fokozatot mutat be, amely árnyékolt kábelt használ a rácsra kapcsolódó bemenetének árnyékolására. Az áramkörben azonban véletlenül az árnyékolás mindkét vége a készülékházhoz csatlakozik földhurkot létrehozva. Nyilak mutatják a létrejövő áramokat. A jel áramát és földhurok miatt az árnyékoló harisnyában folyót. A földhurok árama zajfeszültséget hoz létre az árnyékoló harisnya ellenállásán, amely közvetlenül hozzáadódik a bejövő jel feszültségéhez. A transzformátor is zajt indukálhat ami a rácsra jut. A hiba kijavításához a hurkot föl kell vágni, az árnyékoló harisnya végét el kell választani a készülék házától, amint az a b. részleten látható Alternatív megoldásként a c. részrajz még jobb megoldást mutat. A hálózati vezeték és a jel földelése most teljesen független az árnyékoló harisnyától. A harisnya most gyakorlatilag a készülékház csőszerű kiterjesztése és csak egyik vége van földelve a földhurok elkerülése és a transzformátor okozta búgás megelőzése érdekében
15.3: Tápegység - Töltő áramok
Ez a könyv feltételezi, hogy megfelelő tápegység áll rendelkezésére. A szerzőnek nem áll szándékában a tápegység tervezésének intim részleteivel foglalkozni, de ha a földelésről van szó, legalább némi elképzelésünk kell legyen arról, hogy mit, hogyan és hová, azaz honnan származik az áram. A legtöbb elektroncsöves erősítőben a tápegység egy telesítmény transzformátorból, egyenirányítóból és puffer kondenzátorból áll. Az egyenirányító lehet kétfázisú, vagy graetz híd ( vagy akár félhullámú), és lehet félvezető vagy elektroncső. A földelés szempontjából mindegy. A puffer kondenzátor táplálja az erősítőt, általában egy RC szűrőkből álló láncon keresztül, amelyek mindegyike fokozatosan simítja az egyenfeszültséget, és egy vagy két (csöves) fokozatot lát el. Az terhelés árama többé-kevésbé egyenletes sebességgel távozik a puffer kondenzátorból, de a transzformátorból származó áram nem folyik be ugyanolyan egyenletesen a puffer kondenzátorba. A kondenzátort hálózati ciklusonként kétszer „töltik fel”. Más szóval, az áram a transzformátorban, az egyenirányítóban és a kondenzátorba rövid, erős impulzusokban folyik, és annak ellenére, hogy ennek az áramnak az átlagos értéke megegyezik a az egyenáramú terhelő árammal, a csúcsértéke általában a terhelés ötszöröse lesz.
15.4. ábra: Áramok a transzformátor-egyenirányító-puffer kondenzátor körben. Rövid, erős impulzusok, amelyek a búgás forrásai lehetnek.
Ezt a vastag nyilak ábrázolják a 15.4 ábrán (az egyértelműség kedvéért csak egy dióda árama van berajzolva, míg a valóságban ezek váltják egymást). Ezek az erős impulzusok, könnyen bejuthatnak a hangfrekvenciás áramkörükbe, hacsak nem alkalmaznak valami ésszerű elrendezést.
15.5. ábra: A transzformátor-egyenirányító-kondenzátor hálózatot egyetlen áramköri blokknak kell tekinteni, és a fizikai összeköttetéseket a lehető legrövidebbre kell készíteni. a: Kétfázisú egyenirányító. b: Graetz hídas egyenirányító.
A tőltő áramimpulzusok és az áramkör többi részével való kölcsönhatás minimalizálása érdekében a transzformátor-egyenirányító-kondenzátor részt egyetlen, önálló áramköri blokként kell kezelni. Egyes kapcsolási rajzokon ezt az áramkör kompaktabb megrajzolásával hangsúlyozzák, mint az 15.5. ábrán látható és az áramkört fizikailag hasonlóan kompakt módon kell felépíteni.* Az erősítő többi részét ezután közvetlenül a puffer kondenzátor kivezetéseire kell csatlakoztatni. Csatlakozás bármely más ponthoz ezen a zajos áramhurokhoz nem megengedett, és ennek a hálózatnak egyetlen része sem csatlakoztatható az alvázhoz, ha csendes földelési rendszer kialakítása a cél! Egyes nagyon érzékeny előerősítők akár fém válaszfallal vagy árnyékoló búrával is leárnyékolhatják a tápegység ezen részét az audio áramköröktől.
Visszahivatkozások
Nincsenek visszahivatkozások
Hozzászólások
A hozzászólások megjelenítése így: Folyamatos | Logikai sorrend