Verslag AES-lezing

Verslag AES-lezing Project 185

An Overview of Audio Signal Interfaces and System Earthing

Op 10 mei stond alweer de laatste lezing van dit seizoen op het programma. En wederom een interessante! Het zou gaan om de mystiek die heerst rondom het onderwerp aarding in audioinstallaties; de inleiding repte zelfs van een reputatie van zwarte kunst en mythes! Bill Whitlock van het bedrijf Jensen Transformers was bereid om na afloop van de AES-conventie in Wenen een tussenstop te maken in Nederland om voor de leden opheldering te geven.

De spreker begon met de pessimistische maar toch ook weer realistische stelling dat een kabel een potentiële storingsbron is tussen twee andere potentiële storingsbronnen. Alle schakels die het audiosignaal passeert voegt ruis toe. Vandaar uit ontstond weer een andere interessante constatering: geen systeem kan stiller zijn dan z'n verbinding. De grootste oorzaak van problemen met aarding – en volgens mij ook met vele andere storingen - is dat fabrikanten in de regel hun systemen voornamelijk in het lab testen. Daarom is er te weinig aandacht voor het functioneren in een praktijksituatie in combinatie met andere apparatuur, met name met die van andere fabrikanten. Als er in zo'n systeem wat fout gaat en men kan niet vinden wat, dan roept men al gauw dat er sprake moet zijn van een aardingsprobleem. Zo wordt het onderwerp vanzelf wel omgeven door een mistige gloed. Whitlock benadrukte dat dit helemaal niet het geval hoeft te zijn, omdat wat er gebeurt simpel te verklaren is door middel van natuurkundige wetten zoals de Wet van Ohm (relatie tussen spanning, weerstand en stroom) en de Wet van Faraday (relatie tussen elektrische spanning en een bewegend magnetisch veld). In de praktijk geldt meestal de Wet van Behoud van Ellende. Hoe komen we daar vanaf?

Elektriciteitsleer
Een opvallend groot gedeelte van de presentatie was uitgetrokken voor een uitleg over netspanning en de bijbehorende distributie. Whitlock wees daarbij diverse keren op de gevaren van elektrocutie en overbelasting. Hij gaf daar ook een duidelijke reden voor. Hij kon er namelijk niet over uit dat zelfs in professionele studio-installaties, mensen uit het vak er nog wel eens voor kiezen om de verbinding van de veiligheidsaarde door te knippen als 'oplossing' van een probleem. Van daaruit volgde een heldere uitleg over wat nu verstaan moet worden onder het begrip 'aarde'. Voor een elektronische schakeling is het slechts een gemeenschappelijke retourpad in een stroomkring. Voor de elektriciteitsmaatschappij zal aarde meestal in rechtstreeks verband staan met een pen in de grond. Dit omdat er ergens op een ander punt in die installatie – bij de transformator – ook zo'n pen in de grond zit. Dit leidde tot de stelling dat een zogenaamde 'schone aarde' niet bestaat. Dit systeem gaat uit van een aardelektrode die geheel geïsoleerd van andere geleiders door een gebouw wordt gebracht, als aardleiding voor bijvoorbeeld een audio- of video-installatie. Als voorbeeld dat dit weinig te maken heeft met het wel of niet goed functioneren noemde Whitlock de installatie in een vliegtuig. Hierin zitten tal van gevoelige elektronisch systemen. Toch blijkt het daar gelukkig niet nodig om voor een storingsvrije werking een haspel met aardpen uit te rollen. De reden hiervoor is dat elektrische stromen niet zomaar in een bodemloze aardput verdwijnen. Ze lopen altijd terug naar waar ze vandaan komen. Met andere woorden: als er sprake is van een probleem dat storingen veroorzaakt (zoals brom en ratels in audio en vertikaal lopende strepen in video) dan is het beter om op zoek te gaan naar de storingsbron in de installatie, dan door willekeurig te gaan sleutelen aan aardelektrodes. Klinkt logisch. Maar wat dan wel te doen als er zo'n probleem in de installatie zit?

Lekstromen
De eerste tip is uitgaan van een gemeenschappelijke netaansluiting. Een praktische oplossing is één grote spanningsslof waarvandaan alles gevoed wordt. Wanneer twee apparaten worden aangesloten op wandcontactdozen die ver van elkaar zijn verwijderd, dan is het aannemelijk dat daartussen spanningsverschillen aanwezig zijn. Hoe groter het circuit waarover dit gebeurt, hoe groter de invloed. Ook bij niet geaarde apparaten is dit zo, aangezien die altijd wel een hoeveelheid stroom lekken. Die lekkage ontstaat via transformatoren en netfilters. De storende invloed is mede afhankelijk van de vervorming van de netspanning, die onder meer door gelijkrichters wordt veroorzaakt. De hogere frequenties die daarmee worden geïntroduceerd dringen gemakkelijker in een audio- en videopad door. Naast aardlek is elke verbindingsdraad een potentiële storingsbron, omdat die stoorsignalen kan oppikken.

Ongebalanceerd

Aardingsproblemen ontstaan in de verbinding tussen het ene apparaat en het andere. Bij analoog audio is dit een aderpaar per kanaal. Bij de meeste consumentenapparatuur is die ongebalanceerd uitgevoerd, wat zoveel betekent dat één van de draden met een 'massa' is verbonden. Massa is in dit verband de grote gemene deler in een elektrisch circuit, in de regel ook verbonden met - als die aanwezig is - de metalen behuizing. Alles wat nog meer met die massa is verbonden wordt daarbij deel van het audiocircuit. Dat nu, is de kern van het probleem. Whitlock vind het dan ook onbegrijpelijk dat dit nog steeds de standaard is voor de betere consumentenapparatuur. Ter onderbouwing haalde hij een rekenvoorbeeld aan waarbij een kleine lekstroom de signaalruisverhouding van de apparatuur inderdaad praktisch gezien alleen nog maar bepaald wordt door de verbinding.

Gebalanceerd

Een verbinding is gebalanceerd als de twee signaaldraden dezelfde impedantie hebben ten opzichte van massa. Met andere woorden, ze zweven beide ten opzichte van aarde. Alleen dan zal een stoorstroom die binnenkomt, op beide draden dezelfde spanning introduceren. De ontvanger is juist gevoelig voor spanningsverschillen. Het stoorsignaal wordt daarom in bepaalde mate onderdrukt. De hoeveelheid onderdrukking wordt uitgedrukt als "gemeenschappelijke modus onderdrukkingsverhouding' (Common Mode Rejection Ratio - CMRR). In tegenstelling tot wat vaak wordt aangenomen, hoeft er niet op beide draden een audiosignaal te staan. Dit is namelijk niet relevant voor de storingsonderdrukking. Zolang de impedantie vanuit de bron naar massa maar gelijk is dan werkt het principe. Wel is gelijke, maar tegengestelde spanning – de symmetrie - van belang voor de onderdrukking van overspraak wanneer de draden niet afgeschermd zijn, zoals bij telefoonlijnen het geval is. Maar een gebalanceerde verbinding is ook weer geen garantie op succes. In principe is die behoorlijk resistent tegen laagfrequente stoorsignalen, maar dit wordt flink op de proef gesteld als de kabel zelf niet voldoende symmetrisch is opgebouwd. Als voorbeeld hiervan hekelde hij het gebruik van een kabel met een losse aarddraad. Die kenmerkt zich door een onregelmatige afstand tot de signaaldraden. Doordat door de aarddraad in meer of mindere mate een vereffeningstroom zal lopen, wordt hierdoor in één van beide draden meer stoorstroom geïnduceerd dan in de andere. Dit resulteert in een verschilspanning die de gebalanceerde ingang weer als signaal ziet. Daarom is nog iets belangrijk; het twisten van de kabels. In de begintijd van de telegrafie en telefonie ontdekte men al dat signalen over grote afstand beter te transporteren waren als de draden om en om gekruist werden. Ondanks alsmaar toenemende hoeveelheid storingsbronnen om ons heen, werkt een lange analoge telefoon hierdoor nog altijd storingsvrij: dankzij de symmetrische lijnverbinding. De manier waarop de kabel is opgebouwd beïnvloedt sterk de werking van dit principe. Whitlock noemde in dit verband een type met erg goede eigenschappen: de quadkabel. Hierbij worden twee getwiste aderparen gebruikt die hetzelfde signaal voeren. Hierdoor ligt het elektrische middelpunt over de gehele lengte goed gecentreerd.

Ontwerpkeuzen

Als (goedkoop) alternatief voor een echte signaaltransformator wordt in de praktijk vaak gebruik gemaakt van elektronisch gebalanceerde in- en uitgangen. Whitlock benadrukte dat voor het ontwerp daarvan vaak gebruik wordt gemaakt van een kopie van de meest simpele opzet. De onderdrukking van stoorsignalen stelt dan meestal niet veel voor. Een rekenvoorbeeld toonde aan dat voor een goede werking de ingangsimpedantie een grote rol speelt. Dit omdat de onderdrukking mede afhangt van de gelijkheid van de uitgangsimpedantie van het zendende apparaat. Bij simpele ingangscircuits is dit meestal iets in de orde van grootte van 20 kΩ. Een verschil van 1 Ω tussen de plus en minleiding van de zender ten opzichte van die 20 kΩ degradeert de onderdrukking al direct. Met een perfecte bron – die gebruikt wordt om de specificaties te bepalen – is het effect daarvan beperkt, maar de situatie in de praktijk is natuurlijk anders. Een soortgelijk effect treedt op als er filters aanwezig zijn om hoogfrequente energie te onderdrukken. De impedantie daarvan wordt al merkbaar in het audiogebied en verlaagt zo de onderdrukking. Een transformator daarentegen heeft een extreem hoge ingangsimpedantie voor signalen van gelijke modus. De spreker ontwierp voor Jensen overigens een elektronisch ingangscircuit met een zeer hoge ingangsimpedantie, zowel voor audio als hoge stoorfrequenties (HF). Op dit principe is patent verleend.

Pin1-probleem

De stromen die een potentiaal vereffenen tussen de apparatuur kunnen voor meer problemen zorgen. Ontwerpfouten in de apparatuur zelf resulteren in wat in vaktermen het pin1-probleem genoemd wordt, refererend aan de desbetreffende pen van een XLR-connector die voor professionele audioverbindingen wordt gebruikt. Laag èn hoogfrequente stromen kunnen op de print terecht komen die de elektrische referentie vormt voor gevoelige circuits. Stromen worden omgezet in spanningen die op ongewenste plaatsen in de schakeling belanden. In een goed ontwerp kan dit niet gebeuren doordat de stromen via korte degelijke verbindingen worden omgeleid, waarbij de metalen behuizing een hoofdrol speelt. Het lijkt in dat geval aantrekkelijk om de afscherming standaard maar aan één kant aan te sluiten, maar Whitlock predikte er in ieder geval voor te zorgen dat de kant van het zendende apparaat altijd aangesloten is. In het laatste geval zullen stoorstromen worden afgeleid naar de ontvanger terwijl ze dat beter kunnen doen naar de zender. Het niet aansluiten van de afscherming verhoogt wel de kans dat de ingang zwaarder belast wordt omdat die meer hoogfrequente signalen en potentiaalverschillen moet verwerken, het laatste met name wanneer beide apparaten gevoed worden vanuit verschillende netspanningsbronnen.

Van tulp naar XLR

Wat te doen als er een uitgang met tulpconnectoren verbonden moet worden aan een gebalanceerde ingang? Ook hier zijn vele manieren mogelijk, voornamelijk slechte. Het beste is om de verbinding symmetrisch te houden vanaf de tulpconnector. Dit betekent dat ter plaatse de minleiding en de afscherming aan elkaar worden verbonden met de massa van de tulp. De plusleiding gaat uiteraard aan de signaalpen. Ook hier is het isoleren van de afscherming niet verstandig. Consumentenapparatuur functioneert meestal geheel geïsoleerd van aarde, waardoor de lekstroom van de netspanning ervoor zorgt dat het potentiaalverschil kan oplopen tot de helft van de netspanning of zelfs meer. De kans is groot dat een elektronische gebalanceerde ingang daardoor wordt overstuurd en zal intermoduleren met resten uit de netspanning (50 Hz en veelvouden daarvan). Het gebruik van de massadraad zal die stroom afleiden.

Galvanische scheiding

Als oplossing voor aardingsproblemen in het algemeen kon de aanbeveling een signaaltransformator te gebruiken natuurlijk niet uitblijven. Maar het werd wel onderbouwd en de presentatie had zeker geen overdreven commercieel karakter. Zo werd terecht gewezen op de toepassing van een galvanische scheider voor antennesignalen - in plaats van een audiotransformator – met de opmerking dat die veel goedkoper is. Weliswaar ook leverbaar door Jensen, maar ook door vele anderen. Zo'n scheider onderbreekt het laagfrequente pad. Naast dat een transformator een oplossing kan vormen voor aardingsproblemen, vormt die ook een buffer tegen hoogfrequente stoorsignalen. Het model van Jensen gebruikt een afscherming die de windingen van elkaar scheidt en overgebleven lekstromen naar aarde afleiden in plaats van naar de ingang van het volgende apparaat. Door die constructie neemt de onderdrukking van stoorsignalen fors toe, maar dit heeft wel een nadeel: doordat de trafo geen lange kabel kan aansturen is die alleen te gebruiken als ingang. Aan de andere kant is die plek ook juist het meest effectief, juist ook als het audioapparaat alleen maar een ongebalanceerde ingang heeft. De trafo is door de afwijkende constructie ook opvallend breedbandig. Een oplossing in het algemeen is het gebruik van een korte kabel met een lage overgangsweerstand. Een lekstroom daardoorheen zal per definitie ook in een lage stoorspanning resulteren. De spreker ging ook uitgebreid in op afscherming van kabels. In tegenstelling wat nog wel eens wordt aangenomen beschermt die de verbinding niet tegen de invloed van magnetische velden, maar alleen tegen elektromagnetische velden die de signaalader capacitief kunnen bereiken. De handel in allerlei exotische en peperdure audiokabels kwalificeerde hij trouwens als 'enthousiasme zonder kennis' en menig maal viel het typisch Amerikaanse 'bullshit'!

Oplossingen

In het geval er een aardingsprobleem zich voordoet, gaf Whitlock een aantal waardevolle tips in het zoeken naar de oorzaak. Dit zou moeten beginnen met het maken van een schema waarin alle aardingsverbindingen staan (inclusief netspanning, kabeltelevisie, enzovoort). Wanneer het eigenlijke zoeken begint, raadde hij aan van achter (monitorapparatuur) naar voren (de bronnen) te werken en aantekeningen te maken van bij elke stap. Door zogeheten dummy's te gebruiken (zie afbeelding 1 en 2) kan de aard van de storing worden vastgesteld. Een dummy is een combinatie van een ingangs- en een uitgangsconnector – een doorverbinding dus – en geeft geen audiosignaal door, maar wel een eventueel aanwezige lekstroom die brom en ratels kan introduceren. Gaat het niveau van de storing mee met de stand van de volumeregelaar? Zo ja, dan zit de oorzaak in het pad daarvoor. Zo niet, dan zit die in het pad daarachter.

Afbeelding 1: dummy ongebalanceerd

Bij een gebalanceerde verbinding gaat het testen op een soortgelijke manier. Door de dummy te gebruiken (zie afbeelding 2) wordt direct duidelijk of een apparaat het beruchte pin1-probleem heeft. Door de dummy achtereenvolgens aan het eind en aan het begin van de kabel te plaatsen, kan ook worden getest of de kabel een stoorsignaal oppikt, bijvoorbeeld door magnetische inductie.

Afbeelding 2: dummy gebalanceerd

Conclusie

Een aardingsprobleem wordt een stuk begrijpelijker door nuchter te analyseren hoe de elektrische circuits zijn opgebouwd en te realiseren wat daarbinnen plaatsvindt. In veel gevallen zijn storingen met simpele middelen traceerbaar en op te lossen. Helaas is de apparatuur zelf nog wel eens de zwakste schakel. Ongebalanceerde verbindingen en ontwerpen met een levensgroot pin1-probleem zijn voorbeelden waaruit blijkt dat wat goed kan, in de praktijk slecht is uitgevoerd. Helaas blijken die ervaringen meer dan eens te resulteren in een discutabele preventieve aanpak zoals het ongestructureerd losnemen van de afscherming van kabels of – gevaarlijk en onverantwoord – het doorknippen van de veiligheidsaarde. Dat er betere methoden zijn die een stabieler systeem opleveren, zoveel is duidelijk gemaakt met de lezing van Bill Whitlock. Wederom een interessante AES-avond!

Richard van Everdingen (richard.van.everdingen&delta-sigma-audio.nl)

Bill Whitlock

Biografie

Bill Whitlock studeerde af aan het Pinellas County Technical Institute in 1965 en heeft meer dan dertig jaar ervaring in professionele audio. In 1989 - na zeven jaar werkzaam te zijn geweest bij EMI-Capitol Records – werd hij president van Jensen Transformers. Door zijn wijze van het uitdragen van kennis wordt hij gezien als een expert op het gebied van het koppelen van systemen. Zijn thesis over gebalanceerde verbindingen die in het AES journaal van juni 1995 werd gepubliceerd, blijkt het meest opgevraagde document uit de AES-bibliotheek te zijn. Andere publicaties van zijn hand zijn verschenen in de bladen Sound & Video Contractor en Live Sound magazines, drie hoofdstukken in Glen Ballou's Handbook for Sound Engineers en diverse artikelen en toepassingsbeschrijvingen. Sinds 1994 heeft hij duizenden mensen geholpen met het oplossen van aardingsproblemen door het geven van trainingen aan bedrijven, op beurzen en via colleges. Hij heeft diverse patenten op zijn naam staan zoals het InGenius™ gebalanceerde ingangscircuit. Hij is een actief lid van de Audio Engineering Society en een senior lid van het Institute of Electrical and Electronic Engineers.