Балансное подключение сети

1. Что такое балансное подключение сети?
2. Опустимся на землю
3. Как это работает
4. Аналоговое аудио
5. Цифоровое аудио

1. Что такое балансное подключение сети?

Балансное подключение переменного тока (БППТ) стало новой технологией, постепенно становящейся все популярнее приблизительно в течение последних 5 лет. Ниже мы постараемся кратко изложить его основы.

БППТ - это обычная сеть напряжением 220 вольт 50Гц, которая разбита на две подсети по 110 вольт каждая. Одна фаза является +110V 50Гц (так называемый горячий провод), в то время как другая -110V 50Гц (холодный провод). Фазы сдвинуты друг относительно друга на 180 градусов, и в нагрузке суммируются в обычные 220 вольт 50 гц - стандартное питание для всевозможного оборудования. По сравнению с обычным включением в сеть основная разница будет заключаться в том, что исчезает понятие нейтрали, и земля расположена как общий провод между двумя фазами (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема балансного подключения переменного тока Рис. 1. Схема балансного подключения переменного тока

Ниже для примера приведен рисунок, как выглядит обычная сеть (рис.2).

Рис. 2. Схема обычной сети Рис. 2. Схема обычной сети

Если обобщить, то обычная сеть питания переменным током состоит из горячего провода (как говорят "фаза") и нулевого провода и земли, объединенных в один провод, (нейтраль). Возможно, что эта древняя топология (небалансная цепь питания переменным током) порождает самое большое количество проблем и аномальных явлений, связанных со звуком и другой чувствительной электроникой.

Электрический шум является природным явлением. На следующей иллюстрации, наряду с основной 220-вольтовой 50 Гц сетью, показаны реактивные токи.

Рис. 3. Реактивные токи в обычной небалансной сети Рис. 3. Реактивные токи в обычной небалансной сети

Реактивные токи представляют собой «неиспользованную» энергию, разряженную на линию питания от всевозможных нагрузок с различными импедансами. В результате напряжение источника модулируется. Каждая часть подключенного оборудования что-то добавляет к общему реактивному току на нулевом проводе, который в свою очередь связан с землей электрической системы. Уровень этих реактивных токов может быть значительным. Практика показала, что высокие уровни реактивных токов в системе питания часто нарушают системы обработки данных. Неудивительно, что в аудио промышленности переход на цифровое воспроизведение звука не стал никакой панацеей в улучшении качества звучания. В других связанных областях, таких как цифровое телерадиовещание, неправильное функционирование от плохой сети, часто оказывается «Ахиллесовой пятой» системы, особенно там, где используются чрезвычайно высокие битрейты и широкая пропускная способность. В данном случае сжатый шум может вызвать настоящие проблемы.

Электронные источники питания (потребители энергии), как нам давно известно, создают эти реактивные токи. В промышленных электросетях исследования «качества электрической энергии» являются одной из самых важных деталей. Качество электрической энергии имеет непосредственное отношение к чистоте питания переменным током, поскольку, это влияет на эксплуатационное качество чувствительной электроники.

Кроме реактивных токов, существуют другие проблемы качества электроэнергии, которые могут влиять на рабочие характеристики оборудования. Среди них есть такой параметр, как Коэффициент мощности. Каждый раз, когда активная мощность, используемая нагрузкой, меньше мощности, которая затрачена источником (полная мощность), возникают реактивные токи и соответственно реактивная мощность. Это отношение между активной мощностью и полной мощностью называют «Коэффициентом мощности». Идеально отношение было бы 1:1. Однако присутствие реактивного тока означает, что некоторая часть полной мощности стала реактивной. Это происходит из-за эффекта сдвига фазы между током и напряжением при наличии нагрузки с нелинейным импедансом. Наличие в сети потребителей с емкостной или индуктивной нагрузкой вызывает сдвиг фазы между током и напряжением, и, соответственно, возникают реактивные токи. Низкий коэффициент мощности означает, что могут возникнуть проблемы в электропитании чувствительных приборов.

Часто владельцы звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуры будут комментировать, что их оборудование работает лучше ночью. Это признак большой нагрузки на системы питания в течение дневного времени и индикатор относительно плохого коэффициента мощности.

2. Опустимся на землю

Каким образом вся эта энергетика, имеет отношение к шумам или плохо звучащему аудиооборудованию? Рассмотрим то, что называют "Шумовой цепью".

Рис. 4. Шумовая цепь Рис. 4. Шумовая цепь

На иллюстрации выше отмечены в (типичном усилителе), как реактивные токи в земляной шине находят свой путь в цепи звукового сигнала. Сумма этого реактивного наведенного потенциала, также пропорциональна импедансу исходной питающей сети. Так в действительности путь переменного тока создается через электронику между противоположными реактивными потенциалами через источник питания и через заземление переменного тока. Эти реактивные токи замыкаются через чувствительные сигнальные цепи, проходя через любую линию заземления или путь прохождения сигнала, который доступен. Это - шум, гармоническая структура которого может быть любой, таким образом, все виды «звуковых дефектов» в шуме возможны. По крайней мере, шум на низких уровнях создает интермодуляционные искажение в материале программы, который может вызвать потерю звукового образа и уменьшить точность воспроизведения через весь аудио тракт.

Любопытно, что об этом явление в аудио известно в течение очень долгого времени, и ничего не было сделано для устранения причины проблемы. Да, были заплатки всех видов, корректоры коэффициента мощности, заземления, подавляющие помехи конденсаторы, специальные трансформаторы в источниках питания и много других подобных средств - но ничто, что имеет дело с источником проблемы. Только с появлением балансного питания появилась возможность решения проблемы, а не очередная заплатка.

3. Как это работает?

Рассмотрим, каким образом, балансное питание переменным током изящно и эффективно решает проблемы с шумом.

Рис. 5. Схема балансного питания Рис. 5. Схема балансного питания

Обратите внимание на рисунке, что реактивные токи на противоположных фазах, не совпадают друг с другом. Протекая через свои плечи, они замыкаются на землю в противофазе в центре обмотки трансформатора. В этой точке существует равное присутствие противофазных реактивных токов, вытекающих из плеч на землю. В этой точке они взаимно уничтожаются.

Этот принцип идентичен теории балансных сигналов в аудио цепи. Оба примера балансной схемы подавляют шум очень эффективно. Почему балансное включение широко применяется в аудио, а такое же включение не применяется в сети переменного тока, является своего рода тайной.

Любопытно, что этот простой метод борьбы с гармониками переменного тока был полностью пропущен в технических текстах и рекомендациях до самого последнего времени. Однако теперь балансное подключение переменного тока было признано утвержденным методом проводного соединения в Национальном Электрическом Коде 1996 года, Части «G» Статьи 530 (США).

4. Аналоговое аудио

Слабосигнальные цепи с большим входным сопротивлением получат наибольшие преимущества. Это место, где сигнал низкого уровня вместе с продуктами интерференции с шумом может быть усилен. Отношение между сигналом и уровнем шума здесь является самым важным моментом. Любая интерференция с сигналом при уровне даже в милливольты может создать проблему. В оборудовании, работающем на линии с низким сопротивлением, присутствие низкого уровня шума является, очевидно, менее важным фактором.

Известно, что каждый источник питания обладает некоторым реактивным импедансом и порождает реактивный ток. Чем больше оборудования включено, тем больше этих реактивных токов присутствует. И таким образом, следует, что чем больше устройств, тем больше фонового шума будет присутствовать. Это часто происходит в суммирующих усилителях в консоли. Некоторое оборудование более чувствительно к шуму, чем другое, таким образом, проблемы часто трудно предсказать. Наибольшая выгода получается для устройств с высокой чувствительностью и высоким входным сопротивлением.

Таким образом, в количественном выражении, из-за полдавления шума, среднее увеличение динамического диапазона можно ожидать на уровне 12 дБ, и еще 3 дБ могут быть получены если усилители мощности также включены в балансную сеть переменного тока.

5. Цифровое аудио

В аудио как с и другими цифровыми приложениями обработки данных гармоники питания переменным током вызывают повреждение данных. За исключением полного отказа системы, их эффект на ухудшение сигнала, несколько отличается от аналоговых проявлений. Основным отличием являются частоты, на которых появляются проблемы. Например, в 16-битном аудио 16-битные данные обрабатываются на частоте 44.1 кГц. Уровень битового потока в 16-битном аудио поэтому составляет приблизительно 700 000 бит в секунду (16 x 44,100.), и он также подвергается воздействию высокочастотного шума сетей переменного тока.

То, как это звучит на слух, является вопросом для субъективной оценки, но это также измеримо. Недавние тесты, сделанные на машине известного производителя DAT, показали некоторые интересные результаты. При питании от стандартной сети, пиковое колебание фронта сигнала (джиттер), было измерено при тесте в ситуации с живым выступлением. Результаты показали джиттер 18 нс. В то же время среднее измеренное время составляло 6 нс. Затем тест был при питании от балансной сети переменного тока. Результаты были удивительным, даже при том, что они ожидались. Среднее колебание было сокращено на половину до 3 нс, и пиковое колебание было сокращено на 2/3, около 6 нс.

Цифровое джиттер появляется способом, мало чем отличающимся от модуляционных искажжений в аналоговых схемах. Джиттер накапливается, поскольку больше оборудования добавляет свои шумы к цифровому сигналу, помехи проходят тот же путь, что и более низкочастотные шума в аналоговых системах. Джиттер является по существу «цифровым фоном!»