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Rumore e messa a terra in campo audio.

Rumore e messa a terra in campo audio.

Il livello di rumore è un parametro molto importante quando s’ installa e si mette a punto un sistema di amplificazione audio. Altrettanto importante è la sicurezza elettrica. A volte l’esigenza di un impianto audio silenzioso è antagonista rispetto a quella della sicurezza, soprattutto per problemi legati alla messa a terra delle apparecchiature che compongono il sistema nel suo complesso.

Partiamo dalla considerazione che la maggior parte degli apparecchi nel settore audio professionale e Public Address ha l’elettronica racchiusa in un contenitore metallico. La scelta del contenitore di metallo è legata all’effetto di schermo, nei confronti del mondo esterno, dalle emissioni elettromagnetiche generate dai circuiti elettrici dell’apparecchiatura, in particolare da quei dispositivi che generano segnali ad alta frequenza; si pensi ad esempio ai circuiti digitali e agli alimentatori di tipo “switching”. Apparati aventi contenitore metallico hanno l’obbligo della messa a terra, realizzata fisicamente tramite il terzo polo della presa di alimentazione verso la rete elettrica. I motivi dell’obbligatorietà della connessione a terra è dovuta essenzialmente a due motivi, il primo legato all’eventualità di un guasto all’interno dell’apparato, il secondo alla presenza di filtri a radiofrequenza posti sulla presa di alimentazione. Sia il guasto, sia la presenza del filtro di rete provocherebbe, nel caso di assenza di messa a terra, l’instaurarsi di un valore di tensione elettrica potenzialmente pericoloso per una persona che venisse accidentalmente a contatto con il contenitore metallico dell’apparecchio. Per esempio il filtro di rete, vedi figura 1, sarebbe responsabile dell’instaurarsi di una tensione pari a circa la metà della tensione di rete. Un guasto come la perdita di isolamento di un trasformatore, o il danneggiamento meccanico della presa di alimentazione, dovuto per esempio ad un urto, potrebbe portare il telaio dell’apparato a valori pari a quella delle rete elettrica, tipicamente 230 Volt efficaci. L’installatore professionale, facendo propria l’assunzione del “Safety First”, non deve mai, in nessun caso trascurare la bontà dei collegamenti a terra.

 

Dal punto di vista dell’impianto d’ amplificazione, il terminale di terra, oltre a garantire la sicurezza, costituisce un riferimento a potenziale zero da utilizzare come collettore dei vari segnali di disturbo che possono sovrapporsi al segnale audio degradandone la qualità. E’ però sbagliato pensare al terminale di messa a terra come un riferimento assoluto, in grado di condurre qualsiasi valore di corrente mantenendo inalterato il suo potenziale. In alcuni paesi, tra cui l’Italia, la terra è collegata al neutro della linea elettrica in corrispondenza della cabina di trasformazione (terra in cabina); ogni impianto è poi dotato localmente di uno o più conduttori di protezione, vedi figura 2, messi a terra mediante cosiddetti dispersori che possono essere di due tipi: i cosiddetti dispersori propri o intenzionali, realizzati inserendo nel terreno corpi metallici di opportuna forma, oppure dispersori naturali, costituiti da conduttori presenti nel terreno per altri scopi. Tipici dispersori naturali (o di fatto) sono ferri di armatura del cemento di un edificio, basamenti di macchine, serbatoi interrati, montanti di tralicci etc. I dispersori, intenzionali o naturali che siano, insieme ai cosiddetti conduttori di protezione, costituiscono l’impianto di terra dell’utente.

 

Una cosa molto importante da considerare è che i conduttori di protezione che collegano a terra le varie apparecchiature di un impianto hanno una certa impedenza, bassa fin che si vuole, ma in molti casi non trascurabile. Se a questo aggiungiamo che i conduttori di protezione possono condurre correnti abbastanza elevate, si presenta la possibilità dell’instaurarsi, fra due punti più o meno lontani dell’impianto di terra dell’utente, una differenza di potenziale non trascurabile, soprattutto in determinati ambiti. Una situazione abbastanza tipica che si può creare è illustrata in figura 3, nella quale i due utilizzatori A e B sono collegati alla stesso conduttore di protezione, attraversato da una corrente causata da un terzo utilizzatore che disperde verso terra, ciò che può essere chiamato un utilizzatore “sporco”. La corrente dispersa da questo utilizzatore è spesso composta da ogni tipo di forme d’onda distorte, con uno spettro di frequenze ben distribuito all’interno della banda audio. Fonti tipiche di queste correnti sporche sono i controllori d’ intensità luminosa realizzati con triac, oppure i convertitori di frequenza, alcuni dei quali impiegati nei gruppi di continuità o in alcuni tipi di controllori industriali. Più banalmente un utilizzatore “sporco” può essere per esempio un faretto d’ illuminazione nel quale l’isolamento fra corpo metallico e portalampada si è degradato a tal punto da consentire una dispersione di corrente verso terra. In situazioni come questa si può instaurare un’ apprezzabile differenza di tensione fra le connessioni di terra dei due utilizzatori, anche nel caso in cui essi siano abbastanza vicini fra di loro: è sufficiente, per esempio, che siano collegati a due prese differenti dell’impianto elettrico.

 

Che cosa può accadere se gli utilizzatori A e B di figura 2 rappresentano i componenti di un impianto di amplificazione? Per focalizzare meglio il problema ipotizziamo che A sia una sorgente di segnale (per esempio un mixer o un preamplificatore) e B sia un apparecchio che riceva in ingresso il segnale generato da A, per esempio un amplificatore di potenza. Lasciamo per un attimo l’ambito generale dell’impianto e consideriamo l’interno delle apparecchiature aventi telaio di metallo: la cosiddetta massa segnale, cioè l’insieme di conduttori che si trovano al potenziale di riferimento per il segnale audio, è solitamente collegata al telaio attraverso una connessione a bassa impedenza. Una regola che si segue generalmente è quella di connettere direttamente al telaio la massa dei connettori di ingresso, tipicamente il pin numero uno dei connettori XLR, anche se, praticamente parlando, non esiste una vera e propria regola circa la connessione della massa segnale al contenitore dell’apparecchiatura, in tal senso esiste una certa letteratura, per lo più trattata nelle pubblicazioni AES.

Tornando al discorso impiantistico, se consideriamo gli apparecchi A e B connessi fra loro tramite un cavo schermato, si verifica la situazione della figura 4, nella quale si evidenzia l’instaurarsi del cosiddetto anello di massa (ground loop), al quale sono associati almeno due fenomeni. Il primo è in relazione diretta con quanto detto in precedenza circa la possibile differenza di potenziale fra i due conduttori di terra e quindi fra le masse audio: fra queste ultime si crea la stessa differenza di potenziale esistente fra le due terre, e, di conseguenza, nella calza del cavo schermato che collega i due apparecchi si crea una corrente il cui valore dipende dall’impedenza della calza stessa. Questa corrente può essere una causa secondaria di rumore che si sovrappone al segnale trasferito dall’apparecchio A verso B.

 

Il secondo fenomeno riguarda l’anello che si viene a creare a causa dell’accoppiamento fra le terre, il quale può captare campi magnetici provenienti da trasformatori o altri apparati quali i già citati dimmer per il controllo di luminosità; la captazione di questi campi può indurre correnti addizionali fra le due masse, la cui entità è solitamente legata all’ampiezza dell’anello.

Riassumendo la sostanza della situazione: il collegamento alla terra di protezione impone una differenza di potenziale fra le masse dei due apparecchi con conseguente instaurarsi di corrente nel conduttore (la calza del cavo schermato) che li collega. Nell’ipotesi di collegamento bilanciato fra gli apparecchi, la corrente nello schermo può essere praticamente annullata collegando la calza ad uno solo dei due, solitamente la sorgente. L’eliminazione della corrente nello schermo lascia inalterato il problema della differenza di potenziale fra le due masse, imposto dal collegamento di terra. Questa differenza si traduce in pratica in una tensione che appare in serie ai due segnali (quello in fase e quello in controfase) che insieme costituisce il segnale bilanciato di ingresso all’apparecchio B. In sostanza la tensione di segnale che arriva all’ingresso di B non è uguale a quella in uscita da A, ma ne differisce di un valore pari a circa la differenza di potenziale fra le due terre. La situazione è illustrata schematicamente in figura 5.

 

A questo punto la discussione si sposta sulla struttura del circuito di ingresso dell’ apparato B. Tipicamente lo stadio di ingresso è realizzato tramite un amplificatore differenziale (figura 6), il quale in teoria dovrebbe amplificare solamente la differenza fra i due segnali in ingresso (fase e controfase), eliminando di fatto l’effetto della tensione V comune fra i due segnali (detta proprio per questo tensione o segnale di modo comune). Nella realtà i circuiti di ingresso per segnali bilanciati, siano essi realizzati con dispositivi elettronici (tipicamente amplificatori operazionali, vedi sempre la figura 6), oppure con trasformatori di segnale (chiamati spesso traslatori), amplificano effetivamente la differenza fra i segnali di ingresso, ma non sono del tutto immuni al segnale di modo comune. In sostanza il segnale di uscita allo stadio differenziale dipende, oltre che dalla differenza, anche dal cosiddetto segnale di modo comune.

 

Il parametro che quantifica la capacità di un circuito differenziale di amplificare la differenza fra segnali e contemporaneamente essere il più possibile immune al segnale di modo comune è il cosiddetto Rapporto di Reiezione di Modo Comune (nella letteratura scientifica CMRR, acronimo di Common Mode Rejection Ratio).

Circuiti realizzati con dispositivi elettronici di recente concezione hanno CMRR dell’ordine di 70 – 80 Decibel, quelli realizzati con trasformatori di segnale possono superare, per certe frequenze, i 100 Decibel e oltre. Il trasformatore di segnale offre il vantaggio della separazione fisica fra la massa della sorgente e quella dell’utilizzatore, operando in tal senso l’apertura dell’anello di massa di cui si è parlato prima. Occorre però sottolineare che per avere buone prestazioni in termini di risposta in frequenza e distorsione, il trasformatore deve essere realizzato con accuratezza e con l’impiego di materiali di elevata qualità, cose che comportano un costo molto superiore rispetto a soluzioni che impiegano circuiti integrati, soprattutto perché al giorno d’oggi vi è la disponibilità di circuiti integrati dall’ottimo rapporto prezzo / prestazioni. Altro svantaggio del trasformatore è la possibilità che esso capti campi magnetici esterni, con conseguente introduzione di rumore, per questo deve essere opportunamente schermato. La figura 7 schematizza la situazione relativa all’uso di un trasformatore di segnale come circuito bilanciato di ingresso.

 

 

Le figure 8 e 9 mostrano l’andamento del CMRR in funzione della frequenza, rispettivamente per il circuito differenziale di figura 5 e per un trasformatore di segnale con rapporto di trasformazione 1:1. Si noti la maggior dipendenza dalla frequenza per il trasformatore, a fronte di un maggior valore del CMMR a basse frequenze.

 

 

 

Al di là delle considerazioni circa la circuiteria impiegata nelle apparecchiature, dal punto di vista impiantistico la strategia migliore è quella di prevenire, o di ridurre al minimo, la presenza della tensione di modo comune. Una delle strategie migliori, anche se non sempre di facile realizzazione, soprattutto in determinati ambiti, è quella di prelevare la tensione di alimentazione dei vari apparati dell’impianto da un unico punto della rete di distribuzione, accertandosi che esso sia dedicato solamente all’impianto di amplificazione e che non vi siano altri utilizzatori (luci, condizionamento etc.) ad esso asserviti.
Ingraziamenti a Luca Comi NRG30 Network.
Realizzazione Impianti Audio
Bizzarri Impianti Roma
Osvaldo Bizzarri

Tel 335 8117997
Bizzarri Impianti

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