Балансная коммутация

Хорошо, конечно, если все приборы в студии имеют симметричные входы и выходы, но так бывает не всегда, да и само понятие симметричный или балансный интерфейс в последнее время как-то размылось.

В технической литературе используют однозначный термин «дифференциальный усилитель» – устройство, выходной сигнал которого Uвых пропорционален разности входных U+ и U-, то есть Uвых=kЧ(U+-U-). Дифференциальный усилитель легко превращается в обычный, если один из его входов соединить с общим проводом (рис.1).

Рис.1. Преобразование усилителя с дифференциальным входом (1) в обычный (2)

Собственно, отсутствие такого соединения как раз и отличает балансный вход от обычного.

В аудиоаппаратуре можно встретить два типа балансных входов – трансформаторный и электронный. Не вдаваясь в их различия, отметим важнейшее свойство – балансный вход охотно принимает сигнал с любого выхода.

В качестве разъема для балансного входа применяют обычно гнездо TRS (иногда его называют стереоджек) или гнездо XLR (оно же – Canon), в которых имеется три контакта: «+», «-» и «экран». У источника сигнала на выходе может стоять гнездо RCA (оно же cinch, а на языке продавцов радиорынков – «тюльпан»), гнездо «джек», а в стереоварианте – гнездо TRS.

Распайка кабелей для подачи сигнала с небалансного выхода на балансный вход для практически всех возможных вариантов показана на рис.2.

Рис.2. Варианты распайки разъемов для подачи сигнала с небаласного выхода на балансный вход

И еще раз поглядите внимательно на схемы распайки кабелей: экранирующая оплетка присоединена только к корпусу приемника сигнала, а у источника – надежно изолирована.

Что будет, если оплетку соединить с корпусом источника сигнала с небалансным выходом? Весьма вероятно появление фона с частотой питающей сети, механизм его появления иллюстрирует рис.3.

Рис.3. Проникновение помех от сети питания в сигнальные цепи

По требованиям электробезопасности корпуса источника и приемника сигнала должны быть соединены с защитным проводником сети, то есть с РЕ-проводником. По современным техническим условиям этот проводник должен быть отдельным. Но в реальности он часто оказывается совмещен с нейтралью трехфазной сети, что и показано на рис.3.

В идеальном случае по N-проводнику трехфазной сети ток не течет, а в реальном… Предположим, что ток в нейтрали равен 1 А, то есть где-то подключена несбалансированная нагрузка 200 Вт, например обычная лампочка. Допустим, что длина провода между точками подключения приборов равна 1 м – тоже вполне вероятная величина. Если площадь его сечения равна 1 мм², то модуль сопротивления |ZN| составит примерно 17 мОм, а реактивную составляющую пока во внимание не принимаем.

Падение напряжения на проводе нейтрали UN, в полном соответствии с законом Ома, будет равно 17 мВ – ничтожная для энергетиков величина. Но это напряжение оказывается приложенным к цепи, в которую входят корпус приемника сигнала – входной разъем – экранирующая оплетка кабеля – выходной разъем – корпус приемника сигнала (рис.4).

Рис.4. Эквивалентная схема сигнальной цепи с учетом влияния PE-N-провода

Теоретически эта цепь может шунтировать РЕ- N-проводник и уменьшить падение напряжения, но практически, поскольку ее сопротивление гораздо больше, чем у метра медного провода сечением 1 мм², эти 17 мВ оказываются просто поделенными между перечисленными элементами.

Величина напряжения помехи в цепи сигнала UП зависит от сопротивлений в контуре, в реальных условиях в звуковую цепь попадет примерно треть, то есть около 5 мВ. При напряжении полезного сигнала, например, 1 В получим отношение 5/1000 = 0,005 или -46 дБ. Такой уровень фона явно неприемлем для студии.

Устранить причину появления помехи в сигнальной цепи можно несколькими способами:

уравнять потенциалы корпусов приборов, соединив их отдельным от силовых цепей контуром, и разделить сигнальные и силовые цепи, то есть исключить приборы, у которых корпус соединен с нулевым проводом сигнального тракта (рис.5).

Рис.5. Балансная линия хорошо защищена от помех при корректном соединении экранов и корпусов

Именно так решали вопрос с наводками от сети в студиях и домах радио в те далекие времена, когда и о цене особо не задумывались; в случае, когда нулевой провод сигнальной цепи источника соединен с корпусом, для снижения фона можно изолировать корпус от силовых и защитных цепей. Если требования безопасности не позволяют изолировать прибор полностью, можно использовать компромиссное решение, показанное на рис.6, – там корпус прибора соединен с PE-N-проводником через цепь защиты.

Рис.6. Разделение сигнальных и силовых цепей

До тех пор, пока разность потенциалов на выводах цепи защиты меньше ~1,5 В, диоды заперты, и мы видим резистор, шунтированный керамическим конденсатором. Для сигнала 50 Гц и гармоник сетевого напряжения цепь защиты представляет собой просто резистор, сопротивление которого существенно больше, чем сопротивление контакта выходного разъема источника сигнала (Z1 на рис.4), и помеха в сигнальной цепи ослабляется на 40…60 дБ пропорционально отношению сопротивлений.

Если же вдруг в результате случайной аварии или неправильных действий человека разность потенциалов между корпусом источника сигнала и PE-N-проводником возрастет, то откроются диоды моста VD1, а сначала конденсатор С1 поглотит фронт импульса. В аварийном режиме даже при токе 50 А напряжение на цепи защиты не превысит 3…5 В, то есть безопасно и для оборудования, и для человека.

Примененные диоды (2W01G) выдерживают такой ток в течение времени, достаточного для срабатывания общей защиты в цепях питания студии. К сожалению, нет простого и универсального решения для подачи сигнала с балансного выхода на небалансный вход. Балансный выход многих студийных приборов – это два операционных усилителя.

Так построены например, популярные микросхемы SSM2142 и DRV134. Красивое схемотехническое решение, использованное в обоих случаях, позволяет замыкать выход «-» на общий провод – так балансный выход превращается в небалансный. Если замыкать рядом с микросхемой, то она работает надежно и без дополнительных искажений Если выход «-» соединить с общим проводом на некотором расстоянии, например на входе приемника сигнала, то положительный результат не гарантируется. И перед замыканием неплохо убедиться, что выход устройства рассчитан на такую процедуру, а житейского опыта и знания музыкальной грамоты для оценки ситуации может оказаться недостаточно.

За примерами далеко ходить не надо. Казалось бы, что может быть проще и понятнее разъема типа «мини-джек стерео», который используют как выход в миллионах звуковых карт. Понятно, что «общий» провод в разъеме является общим для сигналов левого и правого каналов. Однако если входное сопротивление приемника сигнала невелико, например 600 Ом, влияние падения напряжения на этом контакте становится заметным. В частности, ухудшается разделение каналов, вероятны значения 60 дБ и менее, а при особо неудачном стечении обстоятельств – вплоть до 40 дБ в звуковом диапазоне частот. На качество звучания такое ухудшение едва ли может повлиять, но при сертификации студии будет обнаружено и отмечено как недостаток, подлежащий устранению. И замена всей звуковой карты не поможет…

Приведенные выше рецепты и схемы – проверенные временем решения, позволяющие получить лучшие результаты. Но не забывайте - дешевый кабель и разъем хорошим не бывает…

Приведенные выше рецепты и схемы – проверенные временем решения, позволяющие получить лучшие результаты. Есть в реальной жизни место и для компромисса – посмотрите на реальный провод (фото), специально для этого случая изъятый ненадолго из реальной студии и разобранный.

Фото

Этим кабелем сигнал с небалансного выхода (разъем RCA) по коаксиальному кабелю подан на разъем XLR. Обратите внимание, что контакт (экран) в разъеме XLR ни с чем не соединен – это позволило исключить влияние разности потенциалов источника и приемника сигналов, и фона не будет. Но если рядом окажется источник электромагнитного поля, то станут заметны недостатки коаксиального кабеля по сравнению с витой парой в экране – возможно появление заметных помех. Коаксиальный провод немного дешевле, потому и был выбран в данном случае. И обратите заодно внимание на потемневшую поверхность контактов – дешевый разъем хорошим не бывает…