все о профессиональном звуке

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)

Фото статьи

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

Фото статьи

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

Фото статьи

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

Фото статьи

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

Фото статьи

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

Фото статьи

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

Фото статьи

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…

20 октября 2015

Михаил Сергеев

Пока никто еще не оставлял комментарии. Вы можете быть первым.

Возможность оставлять комментарии доступна только для зарегистрированных пользователей.

Новые статьи

143 конгресс AES - научные результаты

28 января 2018

Церемония награждения лауреатов

16 декабря 2017

Конкурс концертных звукорежиссеров - репортаж

13 декабря 2017

Московский Конкурс молодых концертных звукорежиссеров - итоги

06 декабря 2017

Видеотрансляция Конкурса концертных звукорежиссеров

02 декабря 2017

Внимание, конкурс!

29 ноября 2017

Участники конкурса концертных звукорежиссеров

22 ноября 2017

Положение о конкурсе молодых концертных звукорежиссеров

08 ноября 2017

142 конгресс AES

22 августа 2017

Реверберация и ревербераторы

22 июня 2017