Поділ землі в підсилювачі
У деяких підсилювачах потужності в земляну ланцюг включений резистор невеликого опору.
Для чого він потрібен?
Ідеальний підсилювач, як його представляє теорія підсилювачів, показаний на рис. 1. На вхід подається вхідний сигнал, а на виході в кожен момент часу встановлюється напруга більше ніж на вході в Ку раз, де Ку - коефіцієнт посилення підсилювача.
Мал. 1. Ідеальний підсилювач.
У такому підсилювачі вхідний і вихідний ланцюга розділені - це абсолютно різні ланцюги і вони ніяк не пов'язані. Джерело сигналу замикається вхідний ланцюгом, а вихідна ланцюг, що складається з блоку живлення (саме з нього в навантаження надходить електрична потужність) і регулятора (він потрібен для того, щоб встановлювати в навантаженні потрібне напруження) - сама по собі. Подібні підсилювачі реально існують, і його в принципі можна зробити з «звичайного» підсилювача, включивши на його вхід і / або вихід сигнальний трансформатор. А ось джерело живлення і навантаження обов'язково мають спільну точку, це важливий момент.
У реальності набагато зручніше мати один провід загальний для всього пристрою, і навіть загальний для декількох пристроїв. Тоді все напруги у всіх точках схеми можна вимірювати (і прикладати) щодо цього загального проводу. Такий принцип конструювання дуже зручний, він має безліч переваг і тому застосовується більш ніж дуже широко. Чесно кажучи, я ось так з ходу і не зміг би придумати ряд ланцюгів, що існують в реальному сучасному підсилювачі, якби в ньому не було загального проводу - «землі». А раз є провід, загальний для всіх ланцюгів підсилювача, то і вхідні ланцюг, і вихідна ланцюг - обидві вони повинні бути з'єднані з цим загальним проводом, рис. 2. Цей загальний провід по ряду причин з'єднують з корпусом пристрою.
Мал. 2. Підсилювач, що має загальний провід для всіх ланцюгів.
За ідеєю, цей загальний провід, показаний на рис. 2 червоною лінією, нікого ні до чого не зобов'язує. Просто зрівнює потенціали вхідний і вихідний ланцюга. Тобто з точки зору електротехніки напруги і на нижньому вхідному провіднику, і на нижньому вихідному провіднику дорівнюють нулю (щодо загального проводу). Вхідна і вихідна ланцюга при цьому все одно залишаються незалежними, кожна з них працює зі своїми напругою і струмами, які з одного ланцюга в іншу потрапити ніяк не можуть. На рис. 3 показано, що струми вхідний і вихідний ланцюгів незалежні, тому по ділянці АВ земляного провідника ніякої струм не тече.
Мал. 3. Токи вхідний і вихідний ланцюгів незалежні і ніяк не впливають один на одного.
Чому я так детально про це говорю? Тому, що збираюся роз'єднати ці тільки що з'єднані мною землі входу і виходу.
На жаль, все так добре тільки на папері.
У реальності по ділянці АВ, що зв'язує вхідну і вихідну ланцюга, струм може протікати:
1. У реальному підсилювачі немає окремо входу і окремо виходу. У ньому багато різних елементів «супроводжують» сигнал від початку і до кінця. Токи цих елементів можуть протікати по ділянці АВ, і тут нічого не поробиш. В цьому випадку намагаються згрупувати струми так, щоб ті, які більше відносяться до вхідного ланцюга протікали в точці А, а ті, які відносяться до вихідний ланцюга протікали в точці В.
2. Невдалий монтаж. Джерело живлення обов'язково з'єднаний з вихідною (силовий) землею. І в ній завжди протікає струм навантаження. При невдалому монтажі цей струм навантаження може потрапити до вхідної ланцюг, або вплинути на неї.
3. Струм через ділянку АВ може бути створений іншими блоками підсилювача. Про це поговоримо докладніше пізніше.
Що поганого в тому, що через ділянку АВ на рис. 3 буде протікати струм?
1. Так як опір ділянки АВ не дорівнює нулю, то згідно із законом Ома на ньому виникає напруга (перешкода), пропорційне що протікає току. І це напруга перешкоди складається з вхідною напругою підсилюється сигналу.
Приклад освіти земляний петлі показаний на рис. 4.
Мал. 4. Приклад освіти земляний петлі.
У цьому випадку на вхід підсилювача потужності надходить як мінімум дві перешкоди:
1. Перешкода, що циркулює по земляний петлі.
2. Перешкода, викликана струмом харчування, що протікає з точки D1 в точку С. За ідеєю ток джерела живлення в попередній підсилювач повинен надходити таким шляхом: D1-C1-C. Але ж є ще інший шлях по інших проводах: D1-D-A1-B-C. Другий шлях паралельний першому, опір у проводів маленьке, ось ток і тече.
Як з цим боротися? Найпростіше було б повернутися до початкової схемою, де немає дроти АВ (провід А1-В1 на рис. 4 і 5) і вхід відділений від виходу. Але не можна - підсилювач спроектований на основі того, що у всіх ланцюгів один і той же потенціал землі. А що якщо розірвати провід на ділянці АВ не зовсім, а «частково»? В розрив включаємо резистор з маленьким опором 1 ... 2 ома, але це опір в десятки разів більше, ніж опір проводу, який ми розірвали. Головне при цьому земляний дріт розірвати в такому місці, щоб землі вхідних ланцюгів залишилися приєднаними до входу, а землі вихідних ланцюгів - приєднаними до виходу. Тобто щоб включається в земляну ланцюг резистор не вплинув на роботу ланцюгів підсилювача, рис. 5. Що тоді вийде?
Мал. 5. Розрив земляний петлі резистором.
Точка включення земляного резистора вибирається так, щоб через неї ніякої спеціальний струм не протікав. Тоді напруга на цьому резисторі дорівнюватиме нулю, і потенціали вхідний і вихідний земель (лівого і правого за схемою кінців резистора) будуть однакові. Тобто земля ніби залишається і її опір як би залишається дорівнює нулю. Тобто робота підсилювача ніяк не порушується. З іншого боку, опір земляний петлі зросте, і струм перешкод по ній циркулювати не буде. Та й струм, поточний з точки D1 в точку С, піде по землі блоку живлення через точку С1, а в підсилювач потужності взагалі не потече. Крім того (це теж важливий момент), земляний резистор - це перешкода для змішування між собою вхідних і вихідних струмів: він заважає цим струмів затікати в чужу ланцюг.
Це моє опис роботи земляного резистора досить спрощене. Насправді все складніше, і не так чудово, як виглядає на перший погляд. Одна з найбільших проблем - вибрати точку в якій можна безболісно розірвати землю підсилювача. Інша проблема - якщо раптом через цей резистор стане протікати якийсь сторонній ток (наприклад, викликаний невдалим монтажем, невдалим сполученням блоків підсилювача між собою або якимись іншими причинами), то падіння напруги на земляному резисторі буде (відносно) дуже велике - набагато більше, ніж було б без нього. І всі проблеми з потраплянням перешкод у вхідні ланцюг виростуть багаторазово. Ось чому земляний резистор використовується нечасто. І не завжди його наявність приносить користь. У моєму підсилювачі на мікросхемі TDA7294 такий резистор є. У цій схемі вдалося вдало розділити вхідну і вихідну землі. І майже завжди, земляний резистор приносить користь. Але іноді люди, що зібрали цей мій підсилювач, пишуть, що виключення земляного резистора поліпшило роботу підсилювача (просто видалити зі схеми його не можна - порушиться електричне з'єднання! Якщо треба виключити резистор, то його замінюють перемичкою!).
Закінчити все ж хочеться на позитивній ноті: при правильному використанні, земляний резистор дуже допомагає отримати від підсилювача в цілому максимум того якості звучання, яке цей підсилювач може забезпечити.
Мал. 6. Спектр сигналу і перешкод на виході підсилювача без поділу земель.
Мал. 7. Спектр сигналу і перешкод на виході підсилювача з поділом земель.