داستان واقعی و جذاب دنیای الکترونیک در دهه 1920
ماجرای کشف صدای وزوز (در انگلیسی بهش میگن هوم..) در اولین آمپلی‌فایرهای لامپی است.
این مشکل به نام حلقه زمین هم معروف است (Ground Loop) و راه‌حل آن انقلابی در طراحی مدارهای الکترونیکی امروزی منجر شد.
داستان: وزوز مرموز آمپلی‌فایرها و کشف “حلقه زمین”
در دهه ۱۹۲۰، زمانی که اولین آمپلی‌فایرهای لامپی برای سیستمهای تلفن و رادیو ساخته می‌شدند، مهندسان متوجه شدند که برخی از مدارها حتی در حالت بی‌صدا هم یک “وزوز” (Hum) 60Hz یا 50Hz تولید می‌کنند. این نویز آزاردهنده، کیفیت صدا را خراب می‌کرد و دلیل آن نامشخص بود.
کشف اتفاقی توسط مهندسان Western Electric
در آزمایشگاه‌های Western Electric (شرکت زیرمجموعه Bell Systems)، مهندسان متوجه شدند که وقتی آمپلی‌فایرها به منابع برق مختلف متصل میشوند، این وزوز تغییر می‌کند. بعد از ماه‌ها تحقیق، آنها فهمیدند که دلیل این مشکل، “حلقه زمین” (Ground Loop) است:
– در سیستمهای الکترونیکی که چندین نقطه به “زمین” (Ground) متصل میشوند، اگر مقاومت بین این نقاط صفر نباشد، جریان‌های ناخواسته ایجاد می‌شود.
– این جریان‌ها مانند یک آنتن عمل می‌کنند و نویز فرکانس برق شهر (۵۰Hz یا ۶۰Hz) را وارد مدار می‌کنند. مخصوصا در مدارات صوتی که فرکانس پایینی دارند، این نویزها به خوبی احساس میشوند و کیفیت را کاهش میدهد.
سوال دیگر چه سیستم هایی فرکانس پایین هستند؟
مهمترین آنها سیستمهای مهندسی پزشکی هستند که این طراحی در آنها باید رعایت شود.
راه‌حل انقلابی: “زمین‌کردن ستاره‌ای” (Star Grounding)
مهندسان Western Electric راه‌حلی ارائه دادند که امروزه به “زمین کردن ستاره‌ای” معروف است:
– به جای اتصال چندین نقطه از مدار به زمین، تمام زمین‌ها به یک نقطه واحد متصل میشوند تا حلقه تشکیل نشود.
– این روش ساده، مشکل نویز را تا حد زیادی کاهش داد و هنوز هم در طراحی مدارهای حساس (مثل آمپلی‌فایرهای صوتی و تجهیزات پزشکی) استفاده می‌شود.
نتیجه: تأثیر این کشف بر دنیای الکترونیک
این مشکل و راه‌حل آن، پایه‌ای شد برای طراحی بهتر سیستمهای الکترونیکی. امروزه هر مهندس الکترونیک می‌داند که “حلقه زمین” یکی از مهمترین منابع نویز برق شهری است و باید با روش‌هایی مثل زمین‌کردن ستاره‌ای، استفاده از ترانسفورماتورهای ایزوله و کابل‌ها و اتصالات متقارن (Balanced Cables) از آن جلوگیری کرد.
این داستان نشان میدهد که حتی یک مشکل ساده مثل “وزوز آمپلی‌فایر” می‌تواند منجر به کشف اصول اساسی در مهندسی الکترونیک شود!
بیایید به این مسئله نگاهی دقیقتر بیاندازیم:
دلیل اصلی مشکل: چرا Ground Loop ایجاد می‌شود؟
حلقه زمین زمانی رخ میدهد که دو یا چند نقطه از یک مدار به زمین متصل باشند، اما پتانسیل زمین در آن نقاط یکسان نباشد. این اختلاف پتانسیل باعث ایجاد یک جریان ناخواسته در مسیر زمین می‌شود که به شکل نویز (معمولاً 50Hz یا 60Hz) خود را نشان میدهد.
مکانیسم فیزیکی:
در سیستمهای الکترونیکی، “زمین” (Ground) به عنوان مرجع ولتاژ صفر در نظر گرفته می‌شود.
اما در عمل، حتی سیم‌های زمین هم مقاومت (R) و اندوکتانس (L) دارند، بنابراین اگر دو دستگاه از طریق زمین به هم متصل باشند، یک مقاومت و سلف بین آنها وجود دارد.
این حلقه مانند یک سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور عمل می‌کند و نویز مغناطیسی ناشی از برق شهر (50Hz یا60Hz) یا سایر منابع را تقویت می‌کند.
معمولاً در چه مدارهایی مشکل‌ساز است؟
سیستمهای صوتی (آمپلی‌فایرها، میکسرها، اسپیکرها)
دستگاه‌های اندازه‌گیری حساس (اسیلوسکوپ، ADCهای پرسرعت)
سیستمهای قدرت و کنترل صنعتی (PLCها، درایوهای موتور)
۲. تشخیص Ground Loop در مدار
علائم رایج:
✅ وزوز با فرکانس برق شهر (50Hz/60Hz) در خروجی صدا یا سیگنال.
✅ نویز متغیر هنگام لمس کانکتورهای زمین.
✅ اختلاف ولتاژ بین نقاط زمین در مدار (با مولتی‌متر قابل اندازه‌گیری است).
روش تست:
اندازه‌گیری مقاومت بین نقاط زمین:
اگر بین دو نقطه “زمین” در مدار، مقاومت قابل اندازه‌گیری وجود دارد (حتی کمتر از 1Ω)، احتمال Ground Loop هست.
قطع کردن یکی از اتصالات زمین:
اگر با قطع یک زمین، نویز کاهش یافت، مشکل قطعاً Ground Loop است.
۳. راهکارهای طراحی برای حذف Ground Loop
الف) زمین ستاره‌ای (Star Grounding)
اصلاح روش اتصال زمین: به جای اتصال چندین نقطه به زمین، تمام زمین‌ها را به یک نقطه مرکزی متصل کنید.
مثال: در PCB، یک صفحه مسی (Ground Plane) یکپارچه طراحی کنید و تمام زمین‌ها را به آن وصل کنید.
📌 نکته: در سیستمهای چندبرد، از یک زمین مشترک استفاده کنید و از اتصال زمین از طریق کابل‌های متعدد خودداری کنید.
ب) ایزوله کردن سیگنال (Galvanic Isolation)
استفاده از ترانسفورماتورهای ایزوله برای سیگنال‌های صوتی/دیتا.
اپتوکوپلر (Optocoupler) برای سیگنال‌های دیجیتال.
مبدل‌های دیجیتال ایزوله (Isolated ADC/DAC).
ج) استفاده از کابل‌های بالانس (Balanced Lines)
این کابل‌ها از سیگنال دیفرانسیلی (+ و -) استفاده می‌کنند و نویز مشترک (Common-Mode Noise) را حذف می‌کنند.
د) فیلتر کردن نویز (Filtering)
فیلترهای Notch 50Hz/60Hz برای حذف نویز برق شهر.
فیلترهای LC یا RC برای کاهش نویزهای فرکانس بالا.
مسیرهای سیگنال:
از کابل‌های شیلددار استفاده کنید و شیلد را فقط در یک طرف به زمین وصل کنید.
اگر از اتصال XLR استفاده می‌کنید، پین ۱ (زمین) را فقط در یک سمت متصل کنید.
جمع‌بندی:
۴ قانون طلایی برای جلوگیری از Ground Loop
اتصال زمین در یک نقطه (Star Grounding).
استفاده از ایزولاسیون در صورت نیاز (ترانس، اپتوایزولاتور).
اجتناب از حلقه‌های بزرگ در مسیرهای زمین.
استفاده از کابل‌های بالانس در سیگنال‌های حساس.
اگر این اصول را رعایت کنید، حتی در مدارهای حساس (مانند تقویت‌کننده‌های صوتی یا سیستمهای اندازه‌گیری دقیق)، مشکل Ground Loop به حداقل می‌رسد.