For english version, scroll down.
Under en diskution på SAS-listan 2001 så fick jag en stunds inspiration och skrev följande inlägg. Patrik Eriksson (aka Polarn-P) bad om att få använda denna text i sin utbildning av studenter vid Umeå Universitet. Jag kunde givetvis inte neka honom detta. Han lade även upp den första upplagan utanför SAS-listans email-arkiv. Niklas Eriksson har även använt sig av texten vid föreläsning vid Västerås Tekniska Högskola.
Om vi börjar vår jorden-runt-resa i elnätet så brukar man prata om fas, nolla och skyddsjord. Fas är den ledaren (i ett en-fas system) som har en potential-skillnad gentemot den så kallade nollan. Nollan är tänkt att ha just 0 V gentemot allas våran moder jord. Så ser ju våra "två hål i väggen" ut, bara det att man vet ju alldrig vilken som är vilken... jaja, dock. Problemet med nollan är att där går ju returströmmen. När man får ett el-fel så kan man ju få fas som går i höljet, som ju då kan få hög potential jämfört med jord - aj då.
Nå, om vi nu kopplar höljet till nollan då? Mja, problemet är att vi ju till och början inte visste var nollan var (i Sverige, vissa länder har polaritet i kontakterna, så det kan man iofs veta). Har man nu gjort rätt och har kopplat nollan till chassit, ja då kan det gå på tok i alla fall... för om nollans ledare är trasig på väg in till apparajten, då kommer fasen ligga genom apparatens "last" ut i höljet, och det var då ledande i alla fall. Jäklars.
In på scenen kommer en ny ledare - skyddsjorden! <tata!> Den är i elcentralen kopplad samman med nollan. Dock så går det aldrig någon (tänkt) ström i skyddsjorden, men det brukar läcka lite där i alla fall. Switchagg på t.ex. datorskärmar brukar läcka in i skyddsjorden något man t.o.m. kan känna när man skall koppla in skärmen till grafik-kortet - ouch! Nåja, istället för nollan sätter man skyddsjorden i chassit. Vidare så skall anslutningen till skyddsjorden i kontakter, sladdbrytare mm alltid varit länge än nollan och fasen så att den sista sladden som kopplas loss vid urdragning är skyddsjorden - allt för att skydda.
Ah, OK. Nu vet vi lite om jordar i elsystemet, nu raskt över till förförstärkaren. Vi dundrar av vana in skyddsjorden i chassit, fas och nollan skickar vi in i en trafo's primärlindning. På trafon's sekundärsida plockar vi ut en "jord" och säg två faser som körs in i likritningsbryggan, kondingar och stabbar, ja, hela kraftagget...
Den "jord" vi har nu kallar man populärt för "signaljord". Det är ju egentligen fel benämning eftersom det inte är jord i egentlig mening, det är ju bara noll-referensen för signalerna, men "signaljord" är ju snatchigare än "signalnollereferensen" eller hur?
Ja, och hur mycket "jord" eller "nollreferens" är den här då? Inte mycket. Alla ledare har ju resistans, så går det en ström genom den så kommer det ofelaktigt bli en spänningskillnad. Titta i nästan vilket schema som helst och du ser att man använder nollan som referens både här och där, och att man gärna trycker i den eller drar ström ur den. Stackars liten. Ja, helt ofrånkommligt så kommer då dessa strömmar och därmed spänningskillnader att inducera störningar lite var stans. Ja, tro nu inte att "matspänningarna" är så mycket bättre, men nu handlade detta om "jord".
Första åtgärden som man brukar se är att folk brukar koppla stora kablar parallellt med jorden bort mot kraftagget. Detta är enligt teorin att ökar man ledarens area så minskar resistansen. Jodå, viss effekt kan man ju få.
En annan sak man märker är att om man lägger störningsbenägna delar av kretsen på en egen jord som matas separat från kraftagget, ja då kan man minska ner störningarna, för då går det mindre störströmmar där man behöver stabil jord. Detta kallas för att man stjärnjordard. Brukar man se en hel del av.
Jaha, men "analogjord" och "digitaljord" då? Ja, "digitaljord" handlar inte om att man kopplat jorden till nollan (logiskt låg), nej det handlar om att digitalkretsar brukar ändra sin strömförbrukning drastiskt, snabba förändringar gör dessutom att ledarens induktans gör sig påminn så att man får i transienten en kort spänningsskillnad. Nå, digitalkretsar har ju en tendens att göra det mest hela tiden, och därmed så sprider de en hel del störningar. Nu så kan man dämpa detta en hel del bara med att sätta kondensatorer över varje krets, mycket, mycket nära skall de sitta, och inte FÖR STORA för då tappar de sin verkan... men i alla fall, de sprider fortfarande störningar omkring sig. Vad man då gör är att stjärnjorda systemet och dela upp det i en analog och en digital del, med var sin jord-gren, helt enkelt "analogjord" och "digitaljord" respektive.
Jahaja, men då var väl allt klar då eller?
ICKE!
Sen kom nu något ljushuvud på att man skulle koppla ihop apparaterna med varandra ELEKTRISKT. Fy bubblan.
Nu blir det kul ser ni, för nu börjar det barka åt skogen. Om vi nu tar en signal och kopplar den från en burk till en annan, ja, då borde det funka, eller hur? Njae... big brum björn... men? det var ju bara en liten ton där borta, men här hör jag knappt ton och en hel del brum... ? Jo, visst var signalen snygg när den lämnade den ena apparajten, men den var ju refererad till signaljorden där och när vi tittar på den i den andra apparaten så är det ju som referens på den burkens signaljord. Men vars kom nu dessa från? Jo, från någon ledare på vardera burks trafo. Men dessa "flyter" ju mot primärsidorna, dvs de är inte kopplade elektriskt mellan primär och sekundärsidan. Dock, flyter gör de, de flyter runt med samma 50 Hz som man matar bygget med... Jaha, men om vi nu kopplar samman dem på något sätt då? Kopplar man samman vardera burks signaljord med dess skyddsjord, då kommer det vara signalen plus skillnad i skyddsjordarna... och där läcker det ju som vi vet... jaha, burm igen, fast mindre... Men om vi direkt kopplar samman signaljordarna istället då? Jodå, det blir bättre... men, men, men... nu var det ju en spänningskillnad mellan signaljordarna, dessa kom ju från trafona, så nu kommer det gå en ström här genom denna jordledare bara för att utjämna detta, och vi mätte ju mellan signaljorden på båda ändarna. Strömmen ger ju potentialskillnad, så nog fasikens blir där brum. Att man då alltid skall ha häcken bak!
Jaha, nu gick det åt helsike... om vi nu kastar in en TILL ledare då? Om vi nu bara låter jordledaren mellan burkarna koppla samman signaljordarna, men sedan låta signalen ligga mellan de två ledarna? Detta gör man främst genom att mäta skillnaden i spänning mellan de två ledarna. Detta kallas för diffrentiel signal. Hur går det då? Jodå, nu gick det bra....
Men nu då? Nu vars väl allt bra?
Nix!
Nu var det som så att man hade behovet av att stabilisera spänningen i den ena burken. Man har brukat de så populära 79L15, 78L15 och 79L05 för att ge matspänningarna. På dessa sitter en kylfläns var, denna sitter mot den stora metalplattan på dessa kapslar, denna sitter dikt kopplad mot signaljord via ett av stiften på dessa stabkretsar. Nu var det ju inte så mycket effekt som bränns av här, så kylflänsen är inte så stor, så det duger gått att den är monterad i de tre stabbarna. Detta sitter i en en-höjds burk, så bäst att sätta kylfläns nära bakpanelen där man gjort en massa spalter så det blir lite luftflöde för kylningen. Underbart. Denna lilla burk innehåller sedan en blandning av analog och digitalt, bland annat en DSP som processar ljud (wow - vilket koncept!). Denna lilla burks livsuppgift råkar i detta högst hypotetiska fall vara delningsfilter till ett STORT PA. Det innebär att den sitter i förstärkarracket uppe på scen, precis bakom basarna. BOMM, BOMM, BOMM, ka-tjuuuuuuuut! Men va?
Jo, vår lilla kylflänns sitter ju fast i stabbarna. De har tre pinnar var och alla 9 kopparben (koppar är mekaniskt mjukt) sitter fint på rad, detta gör att stabbarna och kylfläns kan gunga lite fram och bak. Kylflänsen har trots att den är gjord i aluminium ändock en massa. När sedan hela burken kickas hit och ditt av basarna så kommer den att gunga... och när den nu gör det så kommer kanske slå emot chassit... OUCH! vänta... Chassit var ju kopplat mot skyddsjorden och kylflänsen mot signaljord. Nu var ju inte dessa ihopkopplade, så de har ju den spänning som apparatens egen (och andra apparaters) trafos har placerat för spänning mellan dem. Jag kan meddela att 50 Vrms är då inget att förvånas över... nå, om man nu hamnar på toppen på sinusvågen (som nu nätet skall likna) när man slår i så kommer det helt plötsligt att gå en snabb ström och hela vår fina signaljord kommer att "hoppa". Detta kan t.ex. leda till att kretsar mår dåligt och varför inte programera om den där SRAMen när man ändå är igång... men där låg ju DSPns program och med lite tur så programerade man in en återkoppling så det blev feedback - jo det har hänt!! Aj då!!!
Alltså, denna dyra burk blev helt plötsligt hela PAts värsta fiende! Om man nu hade kopplat samman skyddsjord och signaljord, t.ex. genom ett oskyldigt motstånd, kanske rent av med en konding över, ja då hade inte detta behövt hända...
Alltså, "jordarna" har bitit och där bak igen...
PS. All koppling till verkliga händelser är oavsiktlig! ;^)
Sen skulle jag ju kunna dra skräckhistorier om jordar och EMC, där begreppet blomjord används, ja, för det är ju lika bra att trycka ner en tåt i blomjorden som att koppla den till skyddsjord - man är ändå helt fel ute!!! Men det kan jag dra en vals om vid något annat tillfälle...
Men, virtuell jord, ja det är bara när man styr en kopplingspunkt till att se ut som om det var jord, men skillnaden är att man lyssnar på strömen genom den kopplingspunkten. Detta är ett kopplingstrick som ofta används i mixer-sammanhang och oscillatorer. Kolla in ASM-1:ans VCO t.ex. Där sitter det en hel liten horder med virtuella jordar.
Nå, over and out... man blir ju snurrig av en jorden-runt-resa!
MVH Magnus - jorda och kortslut!
During a discussion on the SAS-list 2001 I had a brief moment of inspiration and wrote the posting below. Patrik Eriksson (aka Polarn-P) kindly asked permission to use the text in his teaching for students of Umeå University. Naturally I could not deny this request. He also put the text onto his webpage as the first version outside the SAS list archive. Niklas Eriksson have also used this text while making guest lecture at Västerås University.
Let's begin out trip around the earth on the power grid, where we talk about phase, null and protective earth. Phase is the conductor (in a one-phase system) which has a potential-difference against the so called null. The null is intended to have 0 V against mother earth. That is how the "two holes in the wall" (plays on a commercial of that time in Swedish TV for a power company). The problem with the null is that this is where the return current flows. During a electrical error where the phase touches the chassi, then it becomes alive - ouch!
Well, what if we hook up the null to the chassi? Hmm, the problem is that for some connectors we don't know which wire is phase and which is null (at least in Sweden with Chuko connectors, but also in several other countries and with other connectors, where as for some countries the connectors is always polarized). If you now have done things properly and connected the null to the chassi, then things still can go wrong... because if the null conductor is broken into the equipment, then the phase connect throught the equipment load into the chassi which becomes alive anyway. Darn!
Onto the stage a new conductor comes in - protective ground! <tata!> It is connected to the null in the central power distribution panel. The big difference is that it is not intended to conduct current normally, but there is usually some leakage currents going down there anyway. Swiching supplies on for instance computer monitors tend to leak current into the protective ground which you can feel when you connect the monitor into the graphical card - ouch! Anyway, instead for the null one connects the protective ground to the chassi. Also, the connection of the protective earth to connectors, switches and into the equipment also be longer than the other wires so if they all got pulled out the protective earth wire is the last to let the connection go - all to protect.
Ah, OK. Now we know a little about grounding in electrical systems, now quickly over to a preamp. In habbit we crash the protective earth into the chassi, the phase and null we toss into the transformers primary coil. On the transformers secondary coil side we pick out a "ground" and say two phase tossed into the rectifier bridge, capacitors and stabilizers, yeah, the whole powersupply...
The "ground" we now have is also popularity called "signal ground". It is actually a missnomer since it isn't really the ground, it is rather a null reference for the signals where as "signal ground" is snatchier than "signal null reference", right?
How much "ground" or "nullreference" is this then? Not much. All conductors have resistance, so if there is a current there will definitly be a voltage difference. Look at any schematic and in almost all you will find that you use the ground as reference both here and there, and happilly dump or pull current into it. Poor little thing. Surely will these currents and thus potential differences induce noise all over the place. Oh, and don't think that the "powerlines" is any better, but this story was about "ground", now wasn't it?
The first aid we usually see is people hooking up large cables in parallel with the ground over to the power supply. This is according to the theory that if you increase a conductors area you reduce the resistance. Sure, you get some effect.
Another thing you notice is that if you bring noise-makers of a circuit over to a separate ground which is independently fed from the power supply, then you can further reduce the interference, because there are less noise currents where you need a stable ground. This is called star grounding. You usually see a great deal of that.
OK, what about "analog ground" and "digital ground"? Well, "digital ground" is not about connecting the ground to null (logical zero), it is about the fact that digital circuits tend to shift their current flow fairly drasticly, quick changes which also makes the inductance of the wires becomes significant such that the transient causes a potential difference. Since digital circuits is in habit of doing this all the time they also tend to cause interference. One can reduce alot by putting decoupling capacitors over each circuit, very very close up to them and not TOO BIG because then their effect is lost. Regardless of this percaution they still spread interference around. To handle this interference one star ground the system and separate it up into an analog and a digital part, each with their ground-branch, thus "analog ground" and "digital ground" respectively.
Well then, that's all there is to it?
NOPE!
Then some einstein came up with the bright idea of interconnecting the equipment with each other electrically.
Now the fun starts! If we take a signal and connect it from one box to another, it should kinda work, or? Well, hear the Hummingbirds sing for ya but what the? We had a simple lite tone over there... but now we have almost none but the hum is loud and clear... ? Sure, the signal itself was all nice and dandy as it left the box, but then is was refered to the signal ground over there and when we see it over in the other box which referes to its own signal ground. But where did now these come from? Well, from some conductor in each of the boxes transformers. But these "floats" relative to the primary sides, i.e. they are not connected galvanically between primary and secondary side. But floating they are and they float around with the same 50 Hz as we feed them both with... Allright, but what if we hook them up in some way then? We hook the boxes signal ground to the protection ground, then it will be the signal plus the difference in the protection grounds... and there we have current leakage as we know... so hum again, but less... But what if we hook the signal grounds together instead? Sure, that gets better... but there was this voltage difference between the signal grounds, and that came from the transformers, so now there will be a current through that grounding wire to even out that, and we measured relative signal ground in both ends. The current through the wire will give a potential difference so sure enought, there will be hum again!
So, we blew it again then... what if we toss in ANOTHER wire there? What if we only let the ground wire between the boxes even things out a bit and let the signal be between the two other wires? This allows you to measure the potential difference between the wires. This is called a diffrential signal. How will that work? Well, now we did fine....
But now then? Now is everything fine?
Nope!
It just happends that we need to stablize the voltage in one of the boxes. To do that one have used the oh so popular 79L15, 78L15 and 79L05 to supply the voltage rails. On these there is a heatsink that sits on the big metalplate on the package, which is directly connected to the signal ground through one of the pins of each of the stabilizer chips. Since we are not really burning alot of effect here, so the heatsing isn't that large, so we settle with mounting it only to the three stabsilizer chips. This is a 1 U box, so we better put the heatsink near the back panel where we have punched a number of slots so there is some convection for the cooling. Wounderfull! Now, this little box contains a mixture of analogue and digital, and among that a DSP which process sounds (wow - what a concept!). This little box main purpuse in life just happends to be in this highly hypothetical case a crossover filter for a LARGE PA. This means that it sits in the amplifierracks up on stage, just behind the big bas speakers. BOMM, BOMM, BOMM, ka-huuiiiiiiiiii! What the?
Well, our little heatsink is being screwed onto the stabilizers. These have three pins each, and those 9 copper pins (copper is mecanically soft) is in a nice row, which allows the stabilizers and heatsink to rock here and there. The heatsink has, even considering it is made out of aluminium, a noteworthy mass. When the whole box is kicked here and there by the bas speakers so will it rock here and there... and when it now does that it may hit the chassi... OUCH! Wait... The chassi is hooked to protective ground and the heatsink to the signal ground. Now these where not wired together, so the signal ground has the voltage that the box own (and other boxes) transformer put it at. I can report that 50 Vrms is nothing to be supprised off... well, if you happend to be at the peak of the sine (which the power grid was supposed to deliver) when you hit the chassi, then all of a sudden there will be a very quick current and our nice and dandy signal ground will all of a sudden "jump". This may lead to things like the chips feels all shaken up and oh, why not reprogram that SRAM over there while we are at it... but isn't that where the DSPs program where and with a bit of luck we reprogramed it to provide a feedback path so we run into feedback - yeah this have happend!!! OUCH!
So, this expensive box all of a sudden became the whole PAs worst enemy! If you now hook up the protective ground and signal ground, for instance through an inecent resistor, possibly with a capacitor bypassing it, well then all this could have been avoided...
Thus, the grounds have earthed us again...
PS. Any similarity to real life events is unintentional! ;^)
I could add some more horror stories about grounding and EMC, where the term flower earth is being used, because well, eh... you might as well toss your earth conductor into the flower pot as hooking it to protective ground since if you think you can dump a current there you are totally in the flowers and probably smoking them!!!
But, virtual ground, well that is only when you steer a connection point to look like it is ground, but the difference is that you listen to the current that goes into that connectionpoint. This is a circuit trick which is often used in mixer designs and oscillators. Check out the ASM-1 VCO for instance, where you will find a whole bunch of virtual grounds if you learn to read the schematics right.
Well, over and out... you get all fuzzy of this around-the-earth trip!
Cheers, Magnus - ground and short out