Технологія, електроніка, балансная комутація

Добре, звичайно, якщо всі прилади в студії мають симетричні входи і виходи, але так буває не завжди, та й саме поняття симетричний або балансний інтерфейс останнім часом якось розмилося.

У технічній літературі використовують однозначний термін «диференційний підсилювач» - пристрій, вихідний сигнал якого U вих пропорційний різниці вхідних U + і U-, тобто U вих = k Ч (U + -U-). Диференціальний підсилювач легко перетворюється в звичайний, якщо один з його входів з'єднати з загальним проводом (рис.1).

Рис.1. Перетворення усілітеляс диференціальним входом (1) в звичайний (2)

Власне, відсутність такого з'єднання якраз і відрізняє балансний вхід від звичайного.

У відеоапаратури можна зустріти два типи балансних входів - трансформаторний і електронний. Не вдаючись в їх відмінності, відзначимо найважливіше властивість - балансний вхід охоче приймає сигнал з будь-якого виходу.

В гнізді балансного входу застосовують зазвичай гніздо TRS (іноді його називають стереоджек) або гніздо XLR (воно ж - Canon), в яких є три контакту: «+», «-» і «екран». Біля джерела сигналу на виході може стояти гніздо RCA (воно ж cinch, а на мові продавців радіоринку - «тюльпан»), гніздо «джек», а в стереоваріанте - гніздо TRS.

Розпаювання кабелів для подачі сигналу з небалансного виходу на балансний вхід для практично всіх можливих варіантів показана на рис.2.

Рис.2. Варіанти розпаювання роз'ємів для подачі сигналу з небаласного виходу на балансний вхід

І ще раз подивіться уважно на схеми розпаювання кабелів: екрануюча обплетення приєднана тільки до корпусу приймача сигналу, а у джерела - надійно ізольована.

Що буде, якщо оплетку з'єднати з корпусом джерела сигналу з небалансних виходом? Вельми вірогідна поява фону з частотою мережі живлення, механізм його появи ілюструє рис.3.

Рис.3. Проникнення перешкод від мережі живлення в сигнальні кола

За вимогами електробезпеки корпусу джерела і приймача сигналу повинні бути з'єднані з захисним провідником мережі, тобто з РЕ-провідником. За сучасними технічними умовами цей провідник повинен бути окремим. Але в реальності він часто виявляється поєднаний з нейтраллю трифазного мережі, що і показано на рис.3.

В ідеальному випадку по N-провіднику трифазної мережі струм не тече, а в реальному ... Припустимо, що струм в нейтралі дорівнює 1 А, тобто десь підключена незбалансована навантаження 200 Вт, наприклад звичайна лампочка. Припустимо, що довжина проводу між точками підключення приладів дорівнює 1 м - теж цілком ймовірна величина. Якщо площа його перерізу дорівнює 1 мм 2. то модуль опору | ZN | складе приблизно 17 мОм, а реактивну складову поки до уваги не беремо.

Падіння напруги на дроті нейтрали UN, в повній відповідності з законом Ома, дорівнюватиме 17 мВ - незначна для енергетиків величина. Але це напруга виявляється прикладеним до ланцюга, в яку входять корпус приймача сигналу - вхідний роз'єм - екрануюча обплетення кабелю - вихідний роз'єм - корпус приймача сигналу (рис.4).

Рис.4. Еквівалентна схема сигнальної ланцюга з урахуванням впливу PE-N-проводу

Теоретично цей ланцюг може шунтировать РЕ- N-провідник і зменшити падіння напруги, але практично, оскільки її опір набагато більше, ніж у метра мідного дроту перетином 1 мм 2. ці 17 мВ виявляються просто поділеними між перерахованими елементами.

Величина напруги перешкоди в ланцюзі сигналу UП залежить від опорів в контурі, в реальних умовах в звукову ланцюг потрапить приблизно третину, тобто близько 5 мВ. При напрузі корисного сигналу, наприклад, 1 В отримаємо відношення 5/1000 = 0,005 або -46 дБ. Такий рівень фону явно неприйнятний для студії.

Усунути причину появи перешкоди в сигнальної ланцюга можна декількома способами:

зрівняти потенціали корпусів приладів, з'єднавши їх окремим від силових ланцюгів контуром, і розділити сигнальні і силові ланцюги, тобто виключити прилади, у яких корпус з'єднаний з нульовим проводом сигнального тракту (рис.5).

Рис.5. Балансна лінія добре захищена від перешкод при коректному поєднанні екранів і корпусів

Саме так вирішували питання з наведеннями від мережі в студіях і будинках радіо в ті далекі часи, коли і про ціну особливо не замислювалися; в разі, коли нульовий провід сигнального ланцюга джерела з'єднаний з корпусом, для зниження фону можна ізолювати корпус від силових і захисних ланцюгів. Якщо вимоги безпеки не дозволяють ізолювати прилад повністю, можна використовувати компромісне рішення, показане на рис.6, - там корпус приладу з'єднаний з PE-N-провідником через ланцюг захисту.

Рис.6. Поділ сигнальних і силових ланцюгів

До тих пір, поки різниця потенціалів на висновках ланцюга захисту менше

1,5 В, діоди замкнені, і ми бачимо резистор, шунтуватися керамічним конденсатором. Для сигналу 50 Гц і гармонік напруги ланцюг захисту представляє собою просто резистор, опір якого істотно більше, ніж опір контакту вихідного роз'єму джерела сигналу (Z1 на рис.4), і перешкода в сигнальної ланцюга послаблюється на 40 ... 60 дБ пропорційно відношенню опорів.

Якщо ж раптом в результаті випадкової аварії або неправильних дій людини різницю потенціалів між корпусом джерела сигналу і PE-N-провідником зросте, то відкриються діоди моста VD1, а спочатку конденсатор С1 поглине фронт імпульсу. В аварійному режимі навіть при струмі 50 А напруга на ланцюзі захисту не перевищить 3 ... 5 В, тобто безпечно і для обладнання, і для людини.

Застосовані діоди (2W01G) витримують такий струм протягом часу, достатнього для спрацьовування загального захисту в ланцюгах харчування студії. На жаль, немає простого і універсального рішення для подачі сигналу з балансного виходу на небалансний вхід. Балансний вихід багатьох студійних приладів - це два операційних підсилювача.

Так побудовані наприклад, популярні мікросхеми SSM2142 і DRV134. Красиве схемотехнічне рішення, використане в обох випадках, дозволяє замикати вихід «-» на загальний провід - так балансний вихід перетворюється в небалансний. Якщо замикати поруч з мікросхемою, то вона працює надійно і без додаткових спотворень Якщо вихід «-» з'єднати з загальним проводом на деякій відстані, наприклад на вході приймача сигналу, то позитивний результат не гарантується. І перед замиканням непогано переконатися, що вихід пристрою розрахований на таку процедуру, а життєвого досвіду і знання музичної грамоти для оцінки ситуації може виявитися недостатньо.

За прикладами далеко ходити не треба. Здавалося б, що може бути простіше і зрозуміліше роз'єму типу «міні-джек стерео», який використовують як вихід в мільйонах звукових карт. Зрозуміло, що «загальний» провід в роз'ємі є загальним для сигналів лівого і правого каналів. Однак якщо вхідний опір приймача сигналу невелика, наприклад 600 Ом, вплив падіння напруги на цьому контакті стає помітним. Зокрема, погіршується поділ каналів, вірогідні значення 60 дБ і менш, а при особливо невдалому збігу обставин - аж до 40 дБ в звуковому діапазоні частот. На якість звучання таке погіршення чи може вплинути, але при сертифікації студії буде виявлено і відзначено як недолік, який підлягає усуненню. І заміна всієї звукової карти не допоможе ...

Наведені вище рецепти і схеми - перевірені часом рішення, що дозволяють отримати кращі результати. Але не забувайте - дешевий кабель і роз'єм добрим не буває ...

Наведені вище рецепти і схеми - перевірені часом рішення, що дозволяють отримати кращі результати. Є в реальному житті місце і для компромісу - подивіться на реальний провід (фото), спеціально для цього випадку вилучений ненадовго з реальної студії і розібраний.

Цим кабелем сигнал з небалансного виходу (роз'єм RCA) по коаксіальному кабелю поданий на роз'єм XLR. Зверніть увагу, що контакт (екран) в роз'ємі XLR ні з чим не з'єднаний - це дозволило виключити вплив різниці потенціалів джерела і приймача сигналів, і фону не буде. Але якщо поруч виявиться джерело електромагнітного поля, то стануть помітні недоліки коаксіальногокабелю в порівнянні з кручений парою в екрані - можлива поява помітних перешкод. Коаксіальний провід трохи дешевше, тому і був обраний в даному випадку. І зверніть заодно увагу на потемнілу поверхню контактів - дешевий роз'єм добрим не буває ...