Рис. 5.28.
Еще одна серьёзная проблема помех с заземлением (как внутри прибора, так и в межприборном заземлении) называется петлей земли. Встречается она в двух видах.
Первый, когда проводник заземления на печатной плате или между приборами образует замкнутую петлю заметной площади. То есть паразитную рамочную антенну, эффективность которой в первом приближении пропорциональна площади. Поскольку в цепи заземления могут течь высокочастотные токи, то они возбудят эту антенну. И она будет излучать в эфир. Скорее всего – больше допустимых норм.
Даже если ваш прибор низкочастотный и излучать ему петлей земли совершенно нечего, то эта же рамка будет работать с одной стороны как виток, собирающий НЧ переменные магнитные поля (например от трансформаторов или моторов), с другой – как паразитная приемная антенна. И по закону подлости может найтись внешний излучатель, с частотой, близкой к собственному резонансу нашей рамки, который наведет в ней достаточный для детектирования сигнал p-n переходом (их в любом приборе очень много). И готова НЧ помеха вашему прибору.
Не следует думать, что выше описана гипотетическая маловероятная ситуация. Мобильные телефоны работают на длинах волн 33 и 17 см (GSM900 и GSM1800). Чтобы получить резонансную петлю на частоту 1800 МГц достаточно провести контур земли по периметру печатной платы размером 6 х 3 см, т.е. обычной платы небольшого прибора. Попробуйте сделать звонок по мобильному телефону около к омпьютерных колонок или простого НЧ усилителя: вы услышите отчетливую НЧ помеху. Это именно описанный выше механизм.
Эта проблема даже шире, чем просто петля земли. Набрать рамку паразитной приемной антенны можно комбинируя участки земли и шин питания: они ведь соединены по ВЧ через блокировочные конденсаторы. Например, возьмём предыдущую плату 6 х 3 см. Вверху ее провести проводник питания, внизу – полоску земли. Соединим их парой блокировочных конденсаторов в начале и в конце платы. В результате по частоте 1800 МГц получим ту же самую паразитную рамку с периметром около 17 см., т.е. резонансную приемную антенну для излучения сотовых телефонов.
Другой вид проблемы с петлей земли встречается при кабельном соединении разных приборов, подключенных к разным заземлениям. Напряжения на этих заземлениях, скорее всего, не будут равными (например, вследствие разного сопротивления заземления и отличающихся заземляемых токов). Такая ситуация показана на рис. 5.28.
Напряжение на одном заземлении U1, на другом U2. Это эквивалентно источнику с напряжением U1 – U2, подключенному между корпусами приборов (показан на рис. 5.28 серым цветом). Если теперь соединить корпуса приборов кабелем, то по нему потечет ток (как синфазный, в зависимости от конструкции линии либо по всем её проводам, либо по оплётке), стремящийся выровнять разность потенциалов U1 – U2. Это ток называется выравнивающим. Он приносит следующие проблемы:
Если заземляемые токи приборов (а, значит, и разность потенциалов между заземлениями) высокочастотные, то из-за большой площади петли протекания выравнивающего тока он эффективно излучается. Скорее всего, с нарушением норм.
Если разность потенциалов между заземлениями велика, то большим будет и выравнивающий ток. Ведь мы фактически замыкаем межприборным кабелем накоротко источник U1 – U2. И ток будет ограничен лишь мощностью этого источника (а она может быть большой) и сопротивлением кабеля на частоте выравнивающего тока (а оно может быть очень низким).
Допустим мы имеем два прибора с электротехническими заземлениями между которыми есть напряжение 10 В 50 Гц (типичная ситуация при соединении приборов, подключенных к разным силовым сетям). Мы соединяем эти приборы кабелем. Первое, что мы увидим при соединении – искру, проскакивающую между кабелем и разъемом п одключаемого прибора. Это скачком выровнялись потенциалы разных земель. И очень хорошо, если эта искра прошла с экрана соединяемого кабеля. Потому что выравнивающий ток синфазный. Он пытается протечь по всем жилам кабеля. И если там окажутся чувствительные входы, на искры не рассчитанные, то они просто выгорят. Именно поэтому конструкция серьёзных разъемов такова, чтобы всегда сначала соединялся корпус, а потом все остальные линии.
Имеем трансивер, заземленный на силовую сеть дома, подключенный коаксиальным кабелем к внешней антенне, заземленной на мачту. Кажется, всё хорошо. Но это пока в антенну не попала молния (допустим, антенна её выдержит, и молния через мачт и её хорошее заземление уйдет в землю). Из-за огромного тока (десятки тысяч ампер) молнии даже на очень хорошем заземлении с малым сопротивлением напряжение подпрыгивает на десятки киловольт. Столько окажется на оплетке кабеля около мачты. А другой конец оплетки кабеля присоединен к заземлению дома. А туда молния не попадала, там напряжение низкое. В результате несколько десятков киловольт оказываются приложенными к оплетке кабеля. В ней развивается огромный выравнивающий ток и она даже не сгорит, а разлетится на куски с частичным испарением. Так проявила себя петля земли. Впрочем, о молниезащите речь впереди. В главе 7.
Чтобы избегать вышеуказанных проблем, разные приборы одной системы следует подключать к одной земле, по схеме рис. 5.27.
Обратите внимание, иногда встречающийся рецепт отключить земли от всех приборов, кроме одного, проблемы не решает. Во-первых, длинные оплетки межприборных кабелей – плохая земля на ВЧ и другие приборы останутся без ВЧ заземления. Во-вторых, отключение штатного заземления вовсе не означает отсутствие ВЧ заземления: корпус прибора через конструктивную емкость вполне может «дотягиваться» до ближайшего ВЧ заземления с другим напряжением. Вы будете думать, что заземление у вас одно, а на самом деле их будет два, только второе подключено через емкость. А емкость корпусов приборов на ближайшую железку может быть достаточно велика.
Однако бывают ситуации, когда соединяется кабелем совсем разные системы, которые нельзя соединить с одним заземлением. В таких случаях, надо разрывать путь выравнивающему синфазному току через соединительные линии.
Если выравнивающий ток высокочастотный, то проблема решается установкой синфазного дросселя (5.5.4.2).
Если же выравнивающие токи низкочастотные, то следует использовать либо оптическую развязку, либо развязывающий трансформатор с отдельными обмотками и малой межобмоточной емкостью. Пробивное напряжение между входом и выходом оптрона или между обмотками развязывающего трансформатора должно быть выше максимально ожидаемой разности потенциалов между заземлениями.