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舞台灯光系统的接地与常见故障分析

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灯光技术问答

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发布时间：2021-12-14

　　现代电视节目，特别是大型综艺晚会节目的制作中，灯具的使用数量非常庞大，这其中既包括用于人物和景物照明，起着图像还原作用的普通灯具，也有参与节目表演，渲染气氛的电脑效果灯具。同电脑效果灯具相比，普通灯具的使用相对简单，它只需要通过直通电源或调光器获得交流，即可工作，发挥照明作用。而电脑效果灯具，如各类电脑灯、变色灯、换色器、激光表演器等，需要有信号的控制才能正常工作。经过多年的发展，目前在灯光控制信号中，国内外普遍采用DMX512串行数字信号，也正因为它的普及，使电视制作中灯光系统的功能越来越强大，使用灯光器材的种类越来越多，结构越来越复杂，舞台艺术效果也灵活多变。同时这类灯光设备对周围环境，特别是对电源的要求也越来越高。信号的传输质量又决定了受控灯光设备工作的稳定性和可靠性，它也直接影响着节目制作的顺利完成。如何有效地排除信号干扰，提高灯光系统工作的可靠性，保证电视节目制作的顺利进行，成为一个不可回避的现实问题。以下就灯光系统中常见的故障情况加以简要分析。

　　一、系统接地

　　接地技术对灯光控制系统是极为重要的，不恰当的接地会对系统造成重大干扰，而正确的接地也是抑制干扰的有效措施之一。

　　接地的目的有两条：一是抑制干扰，使系统工作稳定。二是保护设备和操作人员的安全。接地通常可分为工作接地和保护接地两大类。保护接地主要是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降时，遭受触电危险和保护设备的安全;而工作接地则主要是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰。灯光控制系统中一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。模拟地是放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。数字地是控制电路中各种数字电路的零电位。数字地应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全，通常安全地又称为保护地或机壳地。机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。地球是导体，而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电位。交流地是设备交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定，在交流地上任意两点之间，很容易产生几伏至几十伏的电位差。另外，交流地也很容易带来各种干扰，因此交流地绝对不允许与上述几种地相连，同时要求交流电源变电器的绝缘性能要好，杜绝漏电现象的产生。

　　根据接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。一般来说，当频率小于1MHz时，可以采用单点接地方式;频率高于10MHz时，可以采用多点接地方式;频率在1MHz至10MHz之间时，如果采用单点接地，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应使用多点接地。单点接地的目的是避免形成环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。电视节目制作中，灯光设备来源于世界各地不同的生产厂商和不同的生产时期，它们在接地技术上也没有严格的统一标准，随着灯光设备数量的增加，控制系统也更为庞大，因此经常会出现控制系统各部分相互干扰、控制台死机、设备失控等现象，这就提醒我们要重视系统的统一接地。在电视演播室中，一般应采用分别回流的单点接地，即模拟地、数字地、安全地分别回流。

　　回流线应采用汇流条而不采用一般的导线，汇流条是由多层铜导体构成的，截面呈矩形，各层之间有绝缘层，采用多层汇流条可以减少自感，减少干扰的窜入途径。在上应将数字地汇流条与模拟地汇流条间隔开，避免通过汇流条间的电容产生耦合。安全地始终与信号地是浮离开的，只在最后汇聚一点，并且应通过铜接地板交汇，用线径不小于30平方毫米的多股铜软线焊在接地板上后，深埋地下。

　　二、信号系统的干扰

　　现代灯光控制系统的控制信号多采用DMX512信号标准，因其采用的是差分接收器接收信号电压，抗噪声能力较强，信号可以有较长的传输距离。

　　一般干扰窜入数字信号系统的渠道主要有三个：

　　*空间(电磁感应);

　　*传输通道;

　　*配电系统。

　　经空间感应窜入的干扰在强度上远远小于从另外两个渠道窜入的干扰，它可以通过采用良好的屏蔽和正确的接地加以解决，所以常见的干扰主要来自传输通道和配电系统。

　　传输通道带来的干扰：

　　1、串模干扰

　　串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到灯光设备上。串模干扰来自于高压输电线、与信号线平行铺设的输电线和大电流控制线所产生的空间电磁场。因此当控制系统的信号线较长时，通过电磁和静电耦合所产生的感应电压有可能达到与数字信号相同的数量级，这种干扰信号与有效信号一起被采样和放大，就会造成信号失真。串模干扰的抑制可以采取以下几种措施：

　　如果干扰频率高于控制信号频率，可采用加低通滤波器;反之则加高通滤波器;如果干扰频率落在控制信号频谱两侧，则加带通滤波器;

　　对于主要来自电磁感应的串模干扰，应尽早对控制台输出信号进行前置放大，以提高回路中的信噪比，或采取隔离和屏蔽措施;

　　利用数字滤波技术对已经进入数字信号系统的带有串模干扰的数据进行处理，可以较理想地滤掉难以抑制的串模干扰。

　　2.共模干扰

　　共模干扰是指输入通道两个输入端上共有的干扰电压。这种干扰可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和灯光设备的接地情况。常用的共模干扰抑制方法有以下几种：

　　*利用双端输入的运算放大器作为输入通道的前置放大器;

　　* 利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载与数字信号源隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开，使控制台输出信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，而共模干扰由于不成回路而得到有效抑制;

　　* 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，也就是利用屏蔽的方法使输入信号“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。

　　3.电源干扰

　　电源干扰一般有以下几种：

　　*同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰，通过变压器的初级与次级间的电容耦合到直流电源中产生干扰;

　　*附近的断电器动作时产生的浪涌电压，由电源线经变压器级间电容耦合产生的干扰;

　　*共用同一电源的附近设备接通或断开时产生的干扰。

　　抑制电源干扰通常采取以下措施:

　　*灯光系统控制台使用专门设计带有隔离变压器的系统电源或采用现成的计算机电源系统UPS;

　　*以开关式支流稳压器代替各种稳压电源。

　　长线传输中信号波反射：在灯光系统的使用中会出现串联于同一条信号线上的部分灯光设备不受控的现象，这是数字信号所特有的一种干扰即长线干扰。其主要原因是高速变化的信号在长线中传输时会出现波反射，入射波到达终端时，由于终端不匹配会引起反射波，反射波到达始端时，始端不匹配也会引起波反射，这些反射波叠加，会对信号形成干扰。消除波反射的简便且有效的方法是在控制回路最后一级灯光设备的输出端接一个终端匹配电阻，大小为120欧姆。

　　三布光控制系统故障

　　电视演播室中布光系统的可靠与否，直接关系到电视节目制作能否顺利如期完成，系统一旦出现故障，如吊杆不升降、行车不移动、机械灯具无动作等，都是灯光设计师最头痛的问题。演播室布光控制系统，一般可分为吊挂系统的控制和灯具系统的控制两部分。要有效的提高控制系统的可靠性，必须在系统设计和施工过程中做到正确选材、合理布线。

　　线材规格选取的依据是电路控制原理和接口芯数的多少。选取控制线缆时，在特性方面要做到：

　　*阻燃;

　　*柔软;

　　*截面积大小适当;

　　*符合信号的传输特性要求。

　　如果不按要求选材，容易造成焊接、压接不可靠，内线外露，经不起震动和碰撞。

　　合理布线的依据是：

　　*系统控制原理和控制信号的传输特性;

　　*设备层的结构及演播室的大小;

　　*控制设备、装置的配置位置。控制系统的布线，应以保证控制电压或控制信号强度为目的，达到有效控制。一般的布线方式为单根树型结构或多根树型结构，避免环绕布线和长线布线，以减少不必要的线损。另外动力电缆和信号电缆分开配置，避免平行走线，保证数据信号不受干扰。

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