I ground loop

I ground loop sono spesso la causa di ronzii e altri rumori negli impianti audio. Vediamo cosa sono e come eliminarli.

Avendo a che fare con apparecchiature audio, può capitare di imbattersi in ronzii o altri disturbi più o meno intensi le cui cause possono apparire misteriose: a volte si attribuisce erroneamente la colpa all’alimentazione dei dispositivi, mentre altre ai cavi di segnale, ma la loro sostituzione spesso non risolve il problema.

I ground loop (letteralmente, “anelli di massa”) sono delle particolari situazioni che si verificano frequentemente quando due o più dispositivi condividono più di un collegamento di massa o di messa a terra.

Almeno due apparecchi del tuo impianto hanno una spina a tre poli?

Questo accade frequentemente quando almeno due elementi di una catena audio sono dotati di messa a terra (o comunque possiedono una massa comune, come spesso accade nei dispositivi audio per le autovetture). I ground loop sono una delle origini più frequenti del ronzio in ambito audio.

1. Alcuni esempi pratici

Per comprendere intuitivamente come avvenga la formazione di un ground loop, è utile riferirsi ad un esempio pratico. Si supponga di collegare, mediante un cavo coassiale, un notebook ad un amplificatore integrato, secondo lo schema dell’immagine seguente.

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Fig. 1 – Connessione con cavo coassiale

In questo caso, il notebook dispone di una spina a tre poli: il collegamento di messa a terra è effettuato dal polo centrale della spina, al quale è collegata la massa dei circuiti contenuti nel notebook, inclusi quelli dell’interfaccia audio.

La messa a terra non è presente in tutti i dispositivi, infatti questo dipende da particolari aspetti funzionali degli stessi. In particolare i dispositivi a doppio isolamento, come l’amplificatore integrato preso in esempio, non richiedono una spina con messa a terra.

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Fig. 2 – Spina senza contatto di terra

Poiché la massa dell’interfaccia audio del notebook risulta connessa a terra, anche la schermatura del cavo coassiale risulterà elettricamente collegata ad essa. Conseguentemente, collegando il cavo coassiale all’amplificatore, ora anche la massa dei circuiti contenuti nell’amplificatore risulta connessa a terra, attraverso la schermatura del cavo ed il notebook. Questa continuità elettrica può essere facilmente verificata impiegando un multimetro in modalità prova di continuità (oppure sui 200 Ω): collegando un puntale sul polo centrale della spina del notebook, e l’altro su una vite del mobile dell’amplificatore, essi risulteranno ora collegati tra loro.

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Fig. 3 – L’amplificatore viene portato a potenziale di terra dal computer

Fino a questo punto, il ground loop non si verifica, e non si manifesta alcun rumore. Supponiamo ora di collegare un ulteriore computer allo stesso amplificatore, allo stesso modo descritto in precedenza.

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Fig. 4 – Due computer dotati di messa a terra vengono collegati allo stesso amplificatore con dei cavi coassiali

Anche in questo caso si ripeterà la stessa situazione precedente, ma con un’importante differenza: questa volta i dispositivi connessi alla messa a terra sono due (i due notebook), ed il collegamento complessivo forma un anello chiuso, costituito dai collegamenti di messa a terra e dalle schermature dei cavi di segnale.

Infatti, connettendo le due spine dei due computer portatili a due distinte prese dell’impianto elettrico, l’anello verrà “chiuso” attraverso i cavi di messa a terra dell’impianto elettrico che formeranno, in collaborazione coi cavi di segnale, l’anello illustrato nella figura seguente.

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Fig. 5 – Si forma un ground loop attraverso la schermatura dei cavi ed i cavi di messa a terra

Questo anello può captare il rumore elettromagnetico irradiato da trasformatori, cavi, cellulari, dispositivi radio e così via. Tale rumore andrà quindi sovrapporsi al segnale audio, e verà amplificato e riprodotto insieme ad esso.

Si può notare come, in questo caso, sia sufficiente scollegare una delle due spine per far sparire il rumore. Infatti, un metodo pratico per interrompere questo ground loop e risolvere il problema consiste nell’interporre tra uno solo dei due computer un dispositivo comunemente noto come ground loop killer (del quale verrà descritto il funzionamento nei paragrafi successivi) o impiegare un cavo ottico per isolare elettricamente anche uno solo dei due computer. L’altro notebook potrà continuare ad essere collegato mediante un cavo coassiale.

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Fig. 6 – Sostituendo anche un solo cavo coassiale con uno ottico il ground loop viene eliminato

In questo modo non si forma un anello chiuso ed i disturbi non si manifestano. Un altro esempio frequente di ground loop si ha quando si collegano un computer ed un giradischi analogico allo stesso amplificatore. Infatti, molto spesso i giradischi dispongono di una spina con messa a terra, che può permettere la formazione del ground loop (per questo, tutti i dispositivi Hi-Fi delle generazioni precedenti, eccetto i giradischi, erano tipicamente sprovvisti della messa a terra).

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Fig. 7 – Un ground loop può formarsi anche tra un giradischi ed un computer se si usano cavi coassiali

In questo caso l’anello non viene chiuso dalla schermatura del cavo di segnale che collega il giradischi all’amplificatore, ma dall’apposito cavetto di massa che viene solitamente collegato tra l’apposito morsetto serrafilo dell’amplificatore ed il rispettivo morsetto del giradischi. In questo caso, per interrompere l’anello può essere sufficiente scollegare questo cavetto (se il modello di giradischi lo consente).

2. Il doppio isolamento

Da quanto esaminato è chiaro come i problemi associati ai ground loop si abbiano principalmente quando, in uno stesso impianto, vengano impiegati almeno due dispositivi dotati di messa a terra. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei dispositivi Hi-Fi di qualità sono realizzati con la tecnica del doppio isolamento (apparecchi di classe II), che permette loro di mantenere un’elevata sicurezza senza necessitare della messa a terra. Gli apparecchi appartenenti a questa categoria sono contraddistinti dal simbolo in figura, costituito da due quadrati concentrici.

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Fig. 8 – Simbolo del doppio isolamento

Rispetto agli apparecchi dotati di messa a terra (aparecchi di classe I), che limitano il rischio di folgorazione affidandosi all’efficienza dell’impianto elettrico (in particolare, dei collegamenti di messa a terra e dell’interruttore differenziale), gli apparecchi a doppio isolamento limitano il rischio di folgorazione ricorrendo alle tecniche di isolamento, che essendo doppio risulta particolarmente sicuro.

3. Captazione dei ronzii nei ground loop

I campi elettromagnetici indotti in questi anelli generano correnti analogamente a quanto accade in un’antenna o in un trasformatore elettrico. Queste correnti di rumore vanno a sovrapporsi al segnale utile, causando un disturbo che viene poi amplificato dagli stadi amplificatori successivi insieme al segnale utile.

Inoltre, la resistenza spesso significativa degli stessi collegamenti di massa e di messa a terra causa un’inevitabile caduta di tensione ai loro capi, che costituisce un’ulteriore fonte di rumore.

In funzione delle loro dimensioni e della loro collocazione, i ground loop possono captare disturbi elettromagnetici irradiati o ripartiti da vari dispositivi, come i trasformatori di rete, i cellulari, i dispositivi radio ed i circuiti digitali contenuti nei computer. Ad esempio, nell’oscillogramma che segue è visibile il rumore misurato all’uscita di un amplificatore di potenza dovuto ad un ground loop originato tra un notebook ed un giradischi.

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Fig. 9 – Rumore raccolto da un ground loop

Nell’immagine, si possono chiaramente distinguere la componente a bassa frequenza (50 Hz) dai disturbi ad alta frequenza generati dai circuiti digitali contenuti nel notebook. Il rumore introdotto da un ground loop può causare anche l’autoscillazione dei dispositivi per i quali non siano stati presi sufficienti provvedimenti in merito, causandone malfunzionamenti. Anche da questo nasce la necessità di progettare dispositivi stabili nei confronti delle autoscillazioni, in modo da garantire il corretto funzionamento del dispositivo anche in presenza di un groud loop.

4. Soluzioni

Alcune possibili soluzioni al problema sono i cosiddetti “ground loop breaker” (anche noti come “isolatori di massa”), che contengono due trasformatori d’isolamento (uno per canale) come illustrato in fig. 9. In questo modo, la schermatura dei cavi di segnale viene interrotta dai trasformatori e, di conseguenza, l’anello di massa viene aperto risolvendo il problema. In questo caso, la qualità del trasformatore è importante per ripdodurre con fedeltà il segnale audio.

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Fig. 10 – Schema di un ground loop breaker

Un’altra soluzione potrebbe essere quella di tagliare la calza di schermatura da un solo lato del cavo. Il segnale verrebbe comunque trasferito (sfruttando il cavo di messa a terra dell’impianto elettrico), ma per via della resistenza del collegamento di messa a terra, questo non assicura in tutti i casi un risultato ideale. A seconda dei casi, può essere risolutivo l’impiego di cavi ottici. Resta fondamentale, in ambito progettuale, particolare cura in questo senso.

5. Evitare i ground loop nei dispositivi autocostruiti

Non è complesso evitare il formarsi di un ground loop, ma ciò richiede una certa abilità nella loro identificazione, anche nelle forme più subdole. Infatti, essi possono anche essere presenti all’interno dei singoli apparecchi, sia nelle schede dei circuiti elettrici che nei collegamenti tra di esse. In genere, sono da evitare grosse piste chiuse ad anello nei circuiti stampati, mentre le connessioni RCA di amplificatori e preamplificatori andrebbero sempre isolate dal mobile o, al limite, collegate a massa in un unico punto.

Una tecnica talvolta utile per evitare questo problema è quella della massa a stella, che consiste nel collegare la massa di ciascun componente (o gruppo di componenti) ad essa connesso usando una pista o una connessione dedicata. In questo modo si elimina il rischio di generare percorsi chiusi, a discapito di una maggior complessità del layout: infatti, le piste devono essere sufficientemente grandi per ridurne la resistenza elettrica, in quanto potrebbero risultare piuttosto lunghe. Inoltre, il punto di convergenza di tutte le piste dovrebbe essere collocato in modo da assicurare un collegamento sufficientemente equipotenziale per tutti i componenti.

A volte è possibile mettere a terra il solo mobile metallico (ricorrendo quindi ad una spina a tre poli), lasciando isolata (flottante) la massa del circuito in esso contenuto (impiegando tutti gli accorgimenti necessari, incluse RCA isolate). In questo caso, tra mobile e massa potrebbe presentarsi una differenza di potenziale indesiderata, ma questo potrebbe essere un compromesso accettabile.

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Autore: bsproj

Amante della musica, appassionato di progettazione elettronica.

110 pensieri riguardo “I ground loop”

  1. Salve ho trovato questo forum cercando informazioni sulla sere riguardanti un problema nella mia postazione desktop che purtroppo non riesco in alcun modo a risolvere. spero possiate essermi d’aiuto.
    Ho creato la mia postazione desktop per dei piccoli lavori di audio collegando il mio portatile ad un amplificatore non di buona qualità (ma momentaneo) tramite cavo rca/mini jack. all’amplificatore ho collegato 4 piccole casse da impianto di filodiffusione e due casse di uno stereo, realizzando i collegamenti tra le casse in modo da avere solo due fili di entrata nell’amplificatore (L+R). il problema è che appena collego il lato destro, e solo il destro, con l’insieme delle tre casse elencate viene fuori un rumore come se fosse del motore di un auto. ho provato a togliere la cassa grande dal collegamento e il rumore sparisce, ma non dovrei e vorrei poterla usare, e inoltre nel caso in cui non potrei, vorrei capire il perchè di questa anomalia. Inoltre sembra che queste vibrazioni intermittenti generino una specie di elettrizzazione di tutto il banco lavoro.
    Ps. tutto collegato ad una “ciabatta” che ha la messa a terra. spero non sia l’impianto di casa.
    Grazie per l’aiuto.

    1. Salve Alessandro, effettivamente si tratta di un problema anomalo che andrebbe investigato da un tecnico specializzato. Individuare il problema senza un controllo dal vivo non sembra essere facile.

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