Masa i uziemienie
Często, gdy rozmawiam z muzykującymi kolegami lub nawet z początkującymi elektronikami, padają pytania o "masę" i "uziemienie" sprzętu muzycznego.
ZASILANIE SIECIOWE
Aby zrozumieć, co to jest uziemienie, trzeba poznać podstawowe układy sieciowe, które możemy spotkać w domu, na sali prób czy na koncercie. W budynkach mieszkalnych oraz użyteczności publicznej spotkamy się z układem sieciowym o nazwie TN. Litery tego skrótu oznaczają: T - terra (ziemia) i N - neutrum (neutralny), a zatem jest to układ, w którym punkt neutralny źródła napięcia jest uziemiony, czyli fizycznie połączony z ziemią. Występują dwa podstawowe podukłady sieci TN. Pierwszym z nich, z którym możemy spotkać się jeszcze w starszych budynkach, jest układ typu TN-C. Jest to nic innego jak układ czteroprzewodowy, czyli trzy przewody fazowe (L1, L2, L3) oraz wspólny przewód neutralno-ochronny (PEN). Dziś, zgodnie z obowiązującymi normami, wykonuje się tylko układy sieciowe pięcioprzewodowe TN-S, gdzie zamiast wspólnego przewodu PEN występują osobne przewody: neutralny (N) i ochronny (PE). Czyli uziemienie jest niczym innym, jak fizycznym połączeniem części urządzenia, które mogą przewodzić prąd elektryczny, z ziemią. Oczywiście chodzi tutaj o elementy przewodzące, których możemy bez problemu dotknąć ręką. Jest to podejście do tematu uziemienia uwzględniające przede wszystkim zabezpieczenie przeciw porażeniu prądem elektrycznym. W urządzeniach elektroakustycznych występuje jeszcze powiązanie uziemienia ze zmniejszeniem wpływu zakłóceń zewnętrznych na jego działanie. I w tym miejscu pojawi się nam pojęcie "masa układu".
MASA UKŁADU
Masa jest to punkt wspólny zasilania układu elektronicznego, w stosunku do którego mierzone są potencjały występujące w urządzeniu, jak również wartości napięć wejściowych oraz wyjściowych. Wcześniej opisałem połączenie z ziemią, które stanowi wspólny potencjał elektryczny dla zasilania sieciowego. Masa jest również punktem wspólnego potencjału elektrycznego, jednak nie musi mieć potencjału ziemi. Mylenie masy z uziemieniem może wynikać z czasów, w których niepodzielnie panowały urządzenia lampowe. Masa wzmacniaczy lampowych była zawsze połączona z uziemieniem, a związane to było z występowaniem wysokich napięć anodowych, czyli było to podyktowane bezpieczeństwem. Oczywiście kiedyś stosowanym układem sieciowym był układ TN-C i gniazda najczęściej nie miały bolca ochronnego. W takiej sytuacji chassis wzmacniacza wyposażone było w śrubę, do której przykręcało się zewnętrzny przewód uziemiający. Przewód ten często dokręcało się do uziomów naturalnych, czyli rur wodociągowych czy kaloryferów. Utarło się więc, że masa w sensie elektrycznym to uziemienie, a są to przecież dwa różne pojęcia.
W układach elektronicznych mogą występować różne rodzaje masy mające, co najważniejsze, różne potencjały elektryczne. Można wyróżnić masę sygnału i jej definicją może być wcześniej przytoczona definicja masy. Następną może być masa cyfrowa - jest to punkt wspólnego potencjału układów cyfrowych urządzenia elektroakustycznego. Masa cyfrowa w zależności od konstrukcji może mieć potencjał masy sygnału, ale może mieć własny potencjał, a występuje to wtedy, gdy w celu eliminacji zakłóceń konstruktor odizolował galwanicznie układy analogowe od cyfrowych. Można spotkać się również z pojęciem "masy pływającej". Masa taka nie ma fizycznego połączenia z potencjałem ziemi lub innym potencjałem urządzenia. Takie rozwiązania stosowane były na przykład w przypadku zasilania układów bez pośrednictwa transformatora sieciowego. W takiej sytuacji masa sygnału była połączona z obudową za pośrednictwem kondensatora na duże napięcie. Tak pokrótce przedstawia się teoria związana z pojęciami masy i uziemienia. Nas jednak interesuje praktyczne zastosowanie prowadzenia masy w układach nagłaśniających oraz wykorzystanie uziemienia naszych gitarowych "wzmacniadeł".
UZIEMIENIE W PRAKTYCE
Typowy wzmacniacz gitarowy zawiera w swej konstrukcji metalowe chassis umieszczone w mniej lub bardziej drewnianej obudowie "z" lub "bez" głośnika. Ze względu na to niedopuszczalny jest brak w przewodzie zasilającym żyły koloru żółto-zielonego służącej do podłączenia metalowej obudowy wzmacniacza do uziemienia za pośrednictwem przewodu PE. Nie dajmy się zwieść teoriami na temat solidnie wykonanych transformatorów z dobrych materiałów itp. Jak mówi prawo Murphy’ego, jeżeli coś może się zepsuć, to zepsuje się na pewno. Jeżeli nie będziemy mieli w naszym wzmacniaczu podłączenia do uziemienia, a wystąpi jakakolwiek awaria izolacji zasilania sieciowego, to po dotknięciu obudowy możemy odtańczyć ostatni taniec życia lub (w najlepszym przypadku) porządnie się poparzyć. Nieraz zdarza się, że przy uszkodzeniach tego typu na obudowie występuje napięcie względem ziemi nawet 100V. Oczywiście jeżeli instalacja zasilająca, do której podłączyliśmy nasz wzmacniacz, jest nowa, to może zadziałać zabezpieczenie, ale często niestety się zdarza, że gramy w przypadkowych miejscach, gdzie instalacje są wykonane po partyzancku. Wśród takich miejsc prym wiodą garaże.
No dobra - powiecie - będziemy uważać, aby nie dotykać obudów, czyli problem z głowy. Otóż nie! Wokół nas znajduje się wiele źródeł zmiennego pola magnetycznego, które mogą indukować w przewodach łączących naszą gitarę ze wzmacniaczem, a także w samym wzmacniaczu, niepożądane zakłócenia. Aby temu przeciwdziałać, stosujemy do podłączenia instrumentów czy mikrofonów przewody ekranowane. Ekran przewodu połączony jest z masą wzmacniacza gitarowego, ta zaś w jednym punkcie z jego obudową, czyli z uziemieniem. Takie rozwiązanie powoduje, że zarówno przewód, jak i elementy obudowy wyłapują zakłócenia elektromagnetyczne, a ich potencjał sprowadzony jest do potencjału ziemi. Stwierdzenie, że ekran i masa połączone są z uziemieniem nie powinno się traktować dosłownie. Zapewne powiecie teraz - a to namieszał! Otóż chodzi mi tutaj o to, że przewód PE podłączony jest do obudowy za pośrednictwem połączenia śrubowego, i koniec. Podłączenie masy do obudowy nie musi być fizycznie dokręcone do tej samej śruby co przewód PE. Co ciekawe, jako serwisant w zasadzie nie spotkałem na swojej drodze takiego rozwiązania. W przypadku typowego combo gitarowego najczęstszym punktem połączenia masy wzmacniacza z obudową było gniazdo wejściowe, a przymocowanie masy w innym punkcie obudowy powodowało wzrost zakłóceń i charakterystyczne buczenie wzmacniacza. No i fajnie, zmniejszyły się zakłócenia, ale za to połączyliśmy się poprzez naszą gitarę wprost z obudową wzmacniacza. I znów wrócę do sytuacji, w której nie mamy połączenia wzmacniacza z uziemieniem w gniazdku, a nastąpiło uszkodzenie jego izolacji. W takim wypadku ni mniej, ni więcej kopie nas gitara, co wcale nie jest przyjemne z powodu sposobu działania prądu przemiennego na organizm ludzki. Prąd przemienny powoduje skurcz mięśni, czyli skurcz palców już zaciśniętych na strunach... A więc szukajmy gniazdek z bolcem i tam podłączajmy nasze combo, bo i poziom zakłóceń mniejszy, no i my czujemy się bezpieczniej.
W systemach elektroakustycznych złożonych z wielu elementów ważna jest tak zwana ekwipotencjalizacja (ha, jaki mądry wyraz!), czyli sprowadzenie wszystkich urządzeń do jednego wspólnego poziomu elektrycznego. Najlepszym wyjściem z sytuacji jest własna krosownica zasilająca, która dołączona jest do instalacji w jednym miejscu i która korzysta z jednego punktu podłączenia do uziemienia. Zdarza się, że niezachowanie tej zasady kończy się spaleniem wejścia konsolety wskutek powstałych pasożytniczych potencjałów. Skąd takie zjawisko? Przecież nie ma znaczenia, czy podłączymy wzmacniacz z uziemieniem w jednym gniazdku, a na przykład klawisze w drugim. Przecież potencjał ziemi jest jeden! Tak, oczywiście, ale jest to twierdzenie prawdziwe w warunkach idealnych. W praktyce przy instalacjach wykonywanych jakiś czas temu, a potem modyfikowanych itd., może się zdarzyć, że poziom "zera" uziomu w różnych gniazdach będzie różnił się od siebie. Skuteczność uziemienia zależy od wielu czynników, a w tym też od tego, jaki uziom zastosowano przy wykonywaniu instalacji: czy naturalny, czy sztuczny, jaki jest rodzaj gleby, w której został on wkopany. Ważną rzeczą jest to, czy odpowiednie punkty instalacji, z której korzystamy, zostały dobrze uziemione itd.
Jakie są skutki tego różnego poziomu uziemienia w praktyce? Najlepszym przykładem jest gitarzysta śpiewający. Wchodzimy na salę prób i podłączamy nasz zestaw gitarowy do pierwszego lepszego gniazdka zasilającego, a następnie zestaw wokalowy do innego, bo po prostu tak było wygodnie. Oczywiście obydwa gniazdka mają bolce PE. Podczas śpiewania zauważamy, że kopie nas mikrofon (nic przyjemnego). To jest właśnie efekt różnicy potencjałów na obudowie jednego i drugiego wzmacniacza, a my jesteśmy jak żarówka, która świeci, gdy do niej przyłączy się napięcie. Jak wybrnąć z takiej sytuacji? Przede wszystkim nie wolno wyłamywać bolca z jednego z gniazd! Wystarczy podłączyć obydwa zestawy do jednego gniazda zasilającego, i już po kłopocie.
PĘTLA MASOWA
Występuje jeszcze jedno niepożądane zjawisko związane z tematem mas i uziemień, a mianowicie powstawanie tzw. pętli masowej. Jest to zjawisko dosyć dokuczliwe, ponieważ powoduje charakterystyczne brumienie pieca czy nagłośnienia. Pętla masowa występuje wtedy, gdy pomiędzy dwoma urządzeniami tego samego systemu występuje więcej niż jeden punkt uziemiający. Walka z pętlami masowymi jest chyba najtrudniejsza, jeśli chodzi o zakłócenia i przydźwięki. Aby skutecznie zapobiegać powstawaniu pętli masowych, trzeba dobrze znać swój system nagłaśniający, a przede wszystkim prowadzenie jego zasilania oraz uziemienia urządzeń. Oczywiście na powstawanie zakłóceń odporne będą układy symetryczne, a w szczególności wyposażone dodatkowo w izolację galwaniczną wejścia. Pętla masowa nie powstanie również w układach, gdzie masa sygnału nie będzie dołączona do potencjału chassis. W takim przypadku będziemy mieli do czynienia z masą pływającą. Pamiętać trzeba jednak, że jednoczesne dotknięcie urządzeń uziemionych oraz z masą pływającą może spowodować porażenie prądem elektrycznym. Gitara elektryczna nie wysyła sygnału symetrycznego, a i masa sygnału znajduje się na potencjale chassis, czyli zdechł pies - ale nie do końca. Jednym bowiem ze sposobów przeciwdziałania pętlom masowym jest zastosowanie zasady uziemiania sprzętu w jednym punkcie. I z takiego rozwiązania możemy skorzystać. W szeroko pojętych systemach nagłaśniających możemy spotkać się z elementami systemu wyposażonymi w przełączniki rozłączające masę sygnału od chassis, co już może zapobiec zakłóceniom. Do przerwania pętli masowej służyć może zastosowanie teleskopowych ekranów. Ekranowanie takie polega na jednostronnym połączeniu ekranu przewodu z masą urządzenia. Jest to sposób kłopotliwy, ponieważ przewody tak skonstruowane muszą znajdować się w określonym miejscu systemu. Oczywiście takie rozwiązanie ekranowania powoduje, że ekran nie bierze udziału w przesyłaniu sygnału, a spełnia tylko swoją rolę. Teleskopowe ekrany nie mają zastosowania w sprzęcie gitarowym.
PODSUMOWANIE
Reasumując, masa i uziemienie to nie to samo. Bardzo często w sprzęcie nagłaśniającym tak uziemienie, jak i masa sygnału są ze sobą połączone, a wynikiem tego jest ekranowanie urządzenia przed zakłóceniami. Nigdy nie należy dokonywać modyfikacji w połączeniu uziemienia! Zawsze należy korzystać z gniazd wyposażonych w bolec lub styki ochronne. W razie powstania pętli masowych, co objawia się charakterystycznym brumieniem, nie powinno się przerywać trwale połączonych uziemień sprzętu. W przypadku gry na zestawie gitarowym, przy jednoczesnym śpiewaniu do mikrofonu, należy zestawy zasilać z jednego gniazdka po to, aby spełnić warunek uziemienia ich w jednym punkcie.
Mam nadzieję, że chociaż w stopniu podstawowym udało mi się przybliżyć dość zawiłe zagadnienia masy i uziemienia, a dzięki tym podstawowym informacjom zdołacie uniknąć wypadków związanych z użytkowaniem elektronicznego sprzętu muzycznego. Mam również nadzieję, że cały dostępny czas poświęcicie na grę na instrumentach, która ma być przede wszystkim przyjemnością, a nie na likwidowanie zakłóceń elektromagnetycznych. Powodzenia.
Marek Kozik
