Kvalita zemnění nejen pro audiofily

Jak a proč kvalita zemnícího potenciálu ovlivňuje naši audio sestavu a jak můžeme zemnící potenciál vylepšit.

Předmluva o lidském sluchu

Nejcitlivější lidský smysl je sluch, který vnímá v neuvěřitelném rozlišení jedné bilióntiny. To je milióntina milióntiny – 12 řádů. I když kvalitní audio přístroje obsahují síťové filtry, tak se přece jen nějaké to vnější rušení na signálovou cestu dostane, ze zesilovače do reproduktoru a do našich citlivých uší.

Jak můžeme slyšet vysoké frekvence?

Vysoké frekvence z napájecí sítě se do našich audio přístrojů přenášejí jejich zdrojovými částmi. Samotné vysoké frekvence neslyšíme, ale slyšíme jejich změny. Představte si digitální pakety (nebo ruchy) vzdálené od sebe 1 ms – uslyšíme 1 kHz. Bude-li v rozvodné síti 230 VAC naindukována VF složka pouze o velikosti 1 mV, tak se spolehlivě přenese na napájecí část. Přidejme útlum zdrojové části a filtru 1000, tj. v napájení máme 1 μV, což je milióntina. Náš sluch je však dokonalejší, a to o dalších 6 řádů.

Napájení z rozvodné sítě

Všichni napájíme své spotřebiče ze společné rozvodné sítě a každý elektrický spotřebič do ní přispívá svým vlastním rušením. Všechny spotřebiče by měly splňovat normy EMC, které definují hranice povolených elektromagnetických emisí. V moderním věku spínaných zdrojů a frekvenčních měničů je však síťové rušení monohem výraznější než před lety. Výrobci jsou nuceni do svých zařízení integrovat filtry, které mají za úkol emise zařízení omezovat. Čím účinnější filtr bude, tím bude dražší a výrobek méně konkurenceschopný. Proto se jejich emise pohybují na samotných hranicích EMC norem.

Jak fungují filtry

Nebudeme rozebírat technické detaily různých typů filtrů. Obecně se filtr konstruuje na míru danému zařízení, aby jeho pracovní oblast měla nejvyšší účinnost přesně tam, kde je potřeba a filtr potlačil jen to, co je potřeba.

Dále použité výrazy:

L – fáze, u nás 230V/50Hz

N – pracovní vodič, kterým se uzavírá (teče) pracovní proud z fáze

PE – ochranný vodič, neboli zem, uzemnění, zemnící potenciál (Protective Earth)

VF – vysokofrekvenční

Zapojení jednoduchého síťového filtru

Nebudeme zbytečně zabíhat do podrobností. Standardně se jako nejjednodušší filtry používají kondenzátory s dielektrikem X1 mezi L a N doplněné kondenzátory Y1 mezi L a PE a mezi N a PE. K zemnícímu potenciálu PE je zpravidla také připojeno stínění nebo plášť zařízení, které svádí další VF složky na potenciál PE a následně do země.

Unikající proud (IL)

je elektrický proud, který teče ochranným vodičem PE do země. Je součtem proudů IF z vnitřních filtrů zařízení a proudem IP, který vzniká mezi izolovanými částmi zařízení, vlivem vnitřních kapacit a indukčností uvniř zařízení.

Největší příspěvek unikajícího proudu zpravidla mají filtry uvnitř zařízení (IF). Filtry svádějí vysokofrekvenční rušení od spotřebičů na PE potenciál.

Příspěvky unikajících proudů všech zařízení se sčítají a přes PE potenciál svádí do země. Uvědomme si, že vodičem PE opravdu tečou unikající proudy všech zařízení, připojených na jakoukoliv fázi, jelikož vodič PE je pro všechny fáze společný.

Druhy zapojení elektrických sítí

Druhů rozvodných sítí a napěťových soustav dnes existuje celá řada. Omezíme se pouze na dvě, které se používají v domácnostech. Symbolem TN je značena síť, ve které je jeden bod bezprostředně uzemněn a neživé části chráněných zařízení jsou vodičem spojeny s tímto bodem.

TN-C

TN-C je síť TN, kde vodič PEN plní současně funkci pracovního vodiče N a ochranného vodiče PE.

Starší, hlavně hliníkové rozvody TN-C, kde jsou vedeny pouze dva vodiče, jsou dnes již nevyhovující. Z pohledu bezpečnosti k nim nelze zapojit proudový chránič a z pohledu hifisty audio sestava „nemá pořádnou zem“. U rozvodu TN-C je totiž v koncových zásuvkách zemnící kolík PE připojen přímo k pracovnímu vodiči N. Všechny VF složky rušení se tedy hned dostávají na potenciál PE v dané zásuvce. Vlivem proudu a parazitního odporu vedení navíc dojde k úbytku napětí. Stínění audio přístrojů připojené na takový zemnící kolík zásuvky přestává být stíněním, jelikož je na něj svedeno všechno VF rušení z pracovního vodiče N.

TN-S

TN-S je síť TN, ve které jsou ochranný vodič PE a střední pracovní vodič N vedeny samostatně (odděleně) od zemnícího bodu.

Nové bytové rozvody TN-S jsou na tom o mnoho lépe. Veškerý pracovní proud zařízení teče fázovým vodičem L a pracovním N včetně VF složek rušení. Ochranný vodič PE potom slouží jednak jako ochrana před nebezpečným dotykovým napětím v případě poruchy, ale také se tímto vodičem svádějí unikající proudy jednotlivých zařízení. Unikající proudy potom tečou do jednotného zemního bodu v hlavním rozvaděči domu.

Kvalita uzemnění

Je velmi často podceňována. U výchozí revize novostavby se samozřejmě zemnící odpor měří, ale ruku na srdce, kdo zemní odpor měří u desítky let starých staveb? Vliv půdní vlhkosti, oxidace kontaktů, povolení šroubovaných spojů a podobně mají na kvalitu zemnění zásadní vliv.

Funkce zemnění

Uzemňovací systém sjednocuje společný potenciál všech neživých vodivých částí na hodnotu potenciálu zemského povrchu. Uzemnění zajišťuje ochranu před úrazem elektřinou, ochranu před bleskem a přepětím. Zemnícím ochranným vodičem PE také tečou VF složky z filtrů většiny spotřebičů jak jsem zmínil výše. Aby tyto VF složky dobře „odtékaly“, elektrický odpor uzemnění musí být co nejmenší. I pro ochranu před úrazem a bleskem platí pravidlo čím menší elektrický odpor zemnění bude, tím lepší.

Elektrický odpor zemnění (RE) se stanovuje měřením odporu mezi zemským povrchem a přípojným místem (zemnící bod budovy). Závisí na druhu půdy, počtu a kvalitě zemnících kolíků, půdní vlhkosti a podobně.

Jak změřit zemnící odpor a jakou hodnotu by měl mít?

U obytných domů by měl mít méně než 5 Ω, v nepříznivých půdních podmínkách 15 Ω. Jeho měření je předepsáno, kvůli ochraně odpojením od zdroje (zkrat) a ochraně před bleskem (bleskosvod) viz. výše. Kvalitu uzemnění změří revizní technik pomocí elektrod zatlučených do země nebo novější indukční metodou pomocí klešťového měřidla.

Druhy půd a jejich rezistivita

Druh zeminy	Rezistivita Ωm
Rašelina	30
Ornice	100
Vlhký písek	200–300
Vlhký štěrk	300–500
Suchý písek nebo štěrk	1000–3000
Suchá kamenitá půda	3000–10000

Rezistivita půdy je velmi závislá na půdní vlhkosti. Povrchová vlhkost se až do hloubky dvou metrů mění, ve větších hloubkách je vlhkost stálá.

Jak zlepšit kvalitu stávajícího zemnění (nejen pro audiofily)

I když u obytných domů je povolená hodnota zemního odporu menší než 5 Ω, ideální je odpor co nejmenší. Méně než 1 Ω je ideál každého audiofila. Bohužel této hodnoty nelze rozumně dosáhnout ve špatných půdních podmínkách. Zemnící tyče se zatloukají klasickým nebo pneumatickým kladivem 20–30 cm pod úroveň země, spojují se silným zemnícím drátem nebo pásovinou. Všechny spoje musí být zatřené asfaltem nebo jinou ochrannou vrstvou.

Ve všech půdních podmínkách lze hodnotu zemního odporu výrazně vylepšit pomocí dodatečných zemnících tyčí. Odpor jedné tyče R=0,9 * ρ / L , kde ρ (ró) je rezistivita dané půdy a L je délka zemnící tyče v metrech. Tyče se umisťují ideálně hvězdicově od společného zemnícího bodu 2 až 3 metry od sebe. Výsledný zemnící odpor je potom součtem jejich převrácených hodnot.

Na obrázku níže je šedě vyznačen půdorys domu. Ten by měl mít pod základy zemnící pásovinu, která je vyvedena do společného zemnícího bodu (zeleně). Do tohoto bodu je rovněž  připojen bleskosvod a pracovní vodič PEN z rozvodné sítě. U napájecí soustavy TN-S z tohoto bodu rozvádíme potenciály PE a N do hlavního rozvaděče.

Cena uzemnění – extrémní příklad

Cena vychází především z rozsahu celkového zemnění a počtu zemnících tyčí. Jedna obyčejná pozinkovaná zemnící tyč délky 2 m stojí cca 500 Kč, měděná varianta 5000 Kč. Zemnící tyč ve tvaru T dlouhá 1,5 m stojí cca 200 Kč.

Příklad

Vlhká kamenitá půda s rezistivitou ρ=250 Ω/m

R=0,9 * ρ / L

R=0,9 * 250 / 2 = 112,5 Ω. Jedna zemnící tyč zatlučená v této velmi špatné půdě bude mít tedy hodnotu přibližně 112 Ω.

Na obrázku výše je nakresleno 48 zemnících tyčí, které jsou hvězdicově pospojovány. Pro jednoduchost výpočtu uvažujme na všech tyčích stejný zemní odpor 112 Ω. Výsledný odpor této zemnící soustavy bude RE=R/N = 112/48 = 2,3 Ω. V praxi bude výsledek ještě o něco lepší, jelikož se k novému dodatečnému zemnění přičte i původní zemnění pod základy domu.

Cena za 48 dvoumetrových tyčí je 24 000 Kč + něco na pospojování je cca 30 000 Kč za materiál bez práce.

Stavíte nový dům a chcete mít co nejlepší zemní odpor?

Do vyhloubených základových pásů zatlučte 2 až 3 metry od sebe a co nejhlouběji zemnící tyče. Čím hlouběji, tím lépe. Tyče spojte zemnící pásovinou. Pásovinu veďte od zemního bodu hvězdicově k jednotlivým zemnícím tyčím. Nikdy neuzavírejte pásovinou smyčku. Šroubové spoje zatřete asfaltem a celé zalijte betonem, na který se následně položí izolace a vylije základová deska.

Vhodné je také dodatečné uzemnění od zemnícího bodu hvězdicově směrem do zahrady. Zemnící tyče zatlučte co nejhlouběji podle kvality půdy ideálně 2 metry hluboko. Opět hvězdicově pospojujte do společného zemnícího bodu. Maximální rozumný okruh od zemního bodu je 20 až 25 m.

Chcete jít ještě dál?

Vytvořte vlastní TT síť a svou audio sestavu zcela oddělte od rozvodné sítě. TT síť má vlastní zemní bod. Podstatná je také jeho kvalita a vzdálenost od ostatních zemních bodů. Pomocí RD EMI Neutralizeru v provedení TT dokonale odizolujete audio sestavu od rozvodné sítě a společného PE. Účinný čtyřstupňový EMI filtr F4SX svede VF rušení na PE potenciál rozvodné sítě. Oddělovací transformátory T-ULN od sítě oddělí stejnosměrnou složku a zbytky rušení. Audio sestava je potom napájena zcela čistým napětím s vlastním zemním bodem. Zemní bod PE-AUDIO opět musí mít patřičnou kvalitu, ideálně méně než 1 Ω.

Co udělat s kvalitou a konfigurací stávajícího elektrického rozvodu?

1) Pořiďte si kvalitní síťový filtr jako například RD EMI Neutralizer a zcela oddělte audio sestavu od společné napájecí sítě.

2) Ověřte kvalitu hlavního zemního bodu (revizní technik), případně zlepšete kvalitu zemnění.

3) Máte-li u vašich audio komponentů dodatečné pospojování jejich stínění, ověřte ohm metrem, že stínění žádného komponentu není spojeno s PE potenciálem. Je-li stínění s PE spojeno, nepoužívejte dodatečné pospojování, vzniknou tak nežádoucí zemní smyčky.

4) Napájení jednotlivých komponentů veďte z jednoho bodu hvězdicově, například jako u RD EMI Neutralizeru.

5) Změřte impedanci proudové smyčky (revizní technik).

6) Napájejte audio sestavu z nejméně znečištěné fáze (do domu jsou zpravidla přivedeny tři a daný zásuvkový okruh lze jednoduše přepojit v rozvaděči).

7) Ideální pro audio sestavu je vlastní elektrický okruh a samostatné vedení přímo z hlavního rozvaděče, kde je připojen zemní bod budovy. Tam dostaneme takzvaně „tvrdou zem“.

8) Zlepšete kvalitu zemnícího bodu.

Závěr

Článek měl za cíl pozorného čtenáře seznámit s problematikou zemnění vzhledem k VF rušení – proč je kvalita zemnění důležitá a proč máme dnes stále více a více rušení v síti. Co ale udělat s výrazným symetrickým VF rušením vyskytujícím se mezi fázemi L a pracovním vodičem N?

Rušení se skládá ze symetrických a nesymetrických složek, které kvalitní filtr dokáže účinně potlačit. Toť doporučení RD EMI Neutralizeru s galvanickým oddělením T-ULN transformátory jako základní stavební kámen každé kvalitní audiosestavy.